淺談渦輪流量計(jì)特性的影響因素

段修全

濟(jì)寧市計(jì)量測(cè)試所 山東濟(jì)寧 272000

目前國(guó)內(nèi)實(shí)流標(biāo)定流量計(jì)主要有兩種方式：①以天然氣為工作介質(zhì)的直排方案，利用輸氣管線上游的自身壓力和氣量，在正壓下標(biāo)定流量計(jì)，之后工作介質(zhì)進(jìn)入低壓管線或下游低壓區(qū)；②以空氣為工作介質(zhì)在常壓下標(biāo)定。為了盡可能接近天然氣流量計(jì)的實(shí)際工況，我國(guó)建立了9 個(gè)國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站(截至2019 年7 月)用于解決高壓天然氣流量計(jì)的實(shí)流標(biāo)定與量傳溯源問(wèn)題。然而，隨著天然氣供求的高速增長(zhǎng)，上述國(guó)家級(jí)天然氣實(shí)流檢定站的產(chǎn)能無(wú)法滿足城市管網(wǎng)和地區(qū)輸配氣干線上中高壓天然氣流量計(jì)的周期性檢定需求。因此，渦輪流量計(jì)在不同介質(zhì)、不同工況條件下的準(zhǔn)確度差異受到了天然氣工業(yè)和流量測(cè)量學(xué)術(shù)界的關(guān)注。特別是使用常壓空氣標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果或檢定結(jié)論是否適用于天然氣渦輪流量計(jì)存在爭(zhēng)議[1]。

1 流量測(cè)量原理

渦輪流量計(jì)是利用被測(cè)流體的流量與渦輪旋轉(zhuǎn)角速度成正比的原理實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。渦輪傳感器可將渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)輸出，該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理即可被單片機(jī)捕獲，經(jīng)過(guò)計(jì)算后可得到被測(cè)流體的瞬時(shí)流量和累積流量。

2 實(shí)況分析

2015--2018 年，某研究院對(duì)兩家生產(chǎn)商共32 臺(tái)進(jìn)口天然氣渦輪流量計(jì)實(shí)施檢定，流量計(jì)入關(guān)前都在德國(guó)國(guó)家高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（Pigsar）進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定，其中制造商A 提供了8 臺(tái)DN200mm 流量計(jì)（標(biāo)定壓力為2．1MPa），制造商B 提供了10 臺(tái)DNl50mm（標(biāo)定壓力為5MPa）和14 臺(tái)DN250mm流量計(jì)（其中7 臺(tái)在2．4MPa 壓力下標(biāo)定，另7 臺(tái)在5MPa 壓力下標(biāo)定）。Pigsar 的主標(biāo)準(zhǔn)器是9 臺(tái)渦輪流量計(jì)，量程介于3 ～6500m3／h，裝置的擴(kuò)展不確定度（Unel 為0．12%（包含因子k 為2），流量標(biāo)準(zhǔn)值是荷蘭一法國(guó)一德國(guó)統(tǒng)一參考值（HarmonizedReferenceValue）。盡管測(cè)量期較長(zhǎng)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作介質(zhì)和工況均比較穩(wěn)定，當(dāng)工作壓力介于2．3 ～2．4MPa時(shí)，天然氣動(dòng)力黏度（u）為1．18×10-5Pa·S；當(dāng)工作壓力介于4．8 ～5．0MPa 時(shí)，u 為1．28×10-5Pa·s。常壓空氣裝置的溫度介于19 ～21℃，實(shí)驗(yàn)室壓力介于0．1003 ～0．1013MPa 時(shí)，u 為1．81×10-5Pa·S。鑒于同一制造商相同口徑流量計(jì)的型號(hào)規(guī)格相同，篩選出具有代表性的標(biāo)定數(shù)據(jù)，繪制成體積流量一誤差曲線。同一流量計(jì)在高壓天然氣裝置與常壓空氣裝置下的誤差曲線存在差異，在分界流量點(diǎn)（qt）為0．2g 以下時(shí)，常壓空氣下出現(xiàn)“駝峰區(qū)”，導(dǎo)致差異較大。大口徑（DN250mm）渦輪流量計(jì)在空氣裝置下的駝峰效應(yīng)減弱，駝峰點(diǎn)處的差異減小。渦輪流量計(jì)在高壓天然氣下的體積流量一誤差曲線基本呈現(xiàn)良好的線性趨勢(shì)。然而在常壓空氣工況下，某一類型的DN250mm 流量計(jì)在駝峰點(diǎn)以下的誤差隨流量的減小急劇下降，導(dǎo)致高壓天然氣與常壓空氣的誤差最大差異出現(xiàn)在最小流量點(diǎn)及其附近的始動(dòng)流量區(qū)，最大相差1．4%。從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)誤差對(duì)比來(lái)看，不同的流量計(jì)規(guī)格、不同工作壓力下展現(xiàn)出來(lái)的兩條誤差曲線差異各不相同，有的差異并不大，有的差異超過(guò)1%，誤差曲線的形狀也完全不同。

3 于雷諾數(shù)的誤差對(duì)比與分析

渦輪流量計(jì)基于雷諾數(shù)的誤差雷諾數(shù)對(duì)比，兩條誤差線分別處于兩個(gè)不同的流動(dòng)特征區(qū)域，并不具有可比性，而是反映了該流量計(jì)的準(zhǔn)確度隨雷諾數(shù)變化的情況。此外，由于流量計(jì)的體積流量量程范圍一定而工況壓力不同，常壓雷諾數(shù)上限與高壓雷諾數(shù)的下限存在間隔，且工況壓力相差越小，間隔越小。隨著間隔差距縮小，誤差越來(lái)越接近，DN200mm 和DIN250mmm（2．4MPa 天然氣）流量計(jì)的誤差隨雷諾數(shù)呈現(xiàn)幾乎連續(xù)的變化，符合表征的物理意義，即：流體阻力項(xiàng)在分界流量以上的區(qū)域起主要作用，流量計(jì)示值誤差僅與雷諾數(shù)有關(guān)。若上述間隔的雷諾數(shù)差距在可接受的范圍內(nèi)，則可以進(jìn)行常壓空氣與高壓天然氣之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的誤差比較，但是受當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件所限，數(shù)據(jù)并不支持這樣的對(duì)比。因此，增加了高壓空氣下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。一臺(tái)經(jīng)過(guò)常壓空氣標(biāo)定的DNl00ITLrn 渦輪流量計(jì)分別在德國(guó)一家企業(yè)的高壓空氣（1．6MPa、2．6MPa）環(huán)道（2 ～1600m3／h，Unel=0．20%，k=2）和德國(guó)國(guó)家高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（Pigsar，5．1MPa）進(jìn)行標(biāo)定。0．1MPa 常壓空氣的上限和2．6MPa 高壓空氣的下限雷諾數(shù)差距為2．72×104，兩者對(duì)應(yīng)的誤差相差0．24%，小于兩套裝置的合成擴(kuò)展不確定度0．25%。3 個(gè)空氣（0．1MPa、1．6MPa 和2．6MPa）的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)兩段雷諾數(shù)重疊，重疊區(qū)內(nèi)誤差僅有不到0．2%的差異。高壓空氣（2．6MPa）和高壓天然氣（5．1MPa）的部分誤差數(shù)據(jù)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比較中差異小于0．1%。 與之相較，不同工作介質(zhì)引起的差異很小[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

影響渦輪流量計(jì)準(zhǔn)確度的相關(guān)特性是工作介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度，由于運(yùn)動(dòng)黏度的密度依賴性，氣體渦輪流量計(jì)的性能主要受到工況壓力的影響。如果兩個(gè)工況壓力相差大于4 倍，那么渦輪流量計(jì)在相應(yīng)工況下的誤差數(shù)據(jù)不具有可比性，所以常壓下的標(biāo)定結(jié)果不能反映該流量計(jì)在0．4MPa 以上工況的計(jì)量性能，標(biāo)定的數(shù)據(jù)也不能用于流量計(jì)的校準(zhǔn)。在分界流量以上區(qū)域，渦輪流量計(jì)的誤差僅隨雷諾數(shù)變化，工況壓力增加所對(duì)應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是對(duì)流量計(jì)準(zhǔn)確度性能的連續(xù)延拓[3]。因此，基于雷諾數(shù)重疊可以估計(jì)其他相近壓力(或其他工作介質(zhì))的誤差。