氣體渦輪流量計(jì)在不同溫度下的計(jì)量性能研究

王榮曉，張守陽(yáng)，章宦輝，李 杰，許小慧

（天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南 325800）

天然氣作為一種清潔、低排放的高效能源，已在我國(guó)大規(guī)模地發(fā)展，與之相關(guān)的天然氣流量計(jì)也在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。氣體渦輪流量計(jì)作為天然氣流量計(jì)量的一種表具，使用量越來(lái)越大，使用環(huán)境也是越來(lái)越復(fù)雜，從炎熱的海南到寒冷的齊齊哈爾都有大量使用。氣體渦輪流量計(jì)有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，但北方地區(qū)有用戶反映經(jīng)過(guò)溯源后的儀表開始使用正常，在天氣變冷后渦輪流量計(jì)的計(jì)量出現(xiàn)了計(jì)量不準(zhǔn)確的情況。通常情況下，氣體渦輪流量計(jì)的工作范圍較寬，一般情況下溫度變化對(duì)計(jì)量性能的影響較小。但在北方地區(qū)冬季的低溫環(huán)境的確影響到了氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能，從而容易在使用的過(guò)程中產(chǎn)生計(jì)量、貿(mào)易結(jié)算的糾紛。

1 驗(yàn)證氣體渦輪流量計(jì)在不同溫度下的計(jì)量性能

為了更好地了解氣體渦輪流量計(jì)在不同環(huán)境下的計(jì)量性能，為能夠通過(guò)歐盟認(rèn)證，依據(jù)EN12261的標(biāo)準(zhǔn)，本司制作了一套可以檢定渦輪流量在不同溫度和濕度下的計(jì)量性能的標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量檢定裝置。該裝置的基本原理為：①將被檢流量計(jì)放置在可調(diào)整溫度和濕度的實(shí)驗(yàn)艙中，而標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)放置在恒溫恒濕車間，溫度在20℃左右，再通過(guò)管道和熱交換器與被檢流量計(jì)相連接；②流量計(jì)的瞬時(shí)流量通過(guò)變頻器控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流量的運(yùn)行；③通過(guò)采集系統(tǒng)分別采集被檢流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)流量的脈沖信號(hào)、壓力值、溫度值；④最后，通過(guò)中心控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制、計(jì)算，從而輸出檢定結(jié)果；⑤設(shè)備的準(zhǔn)確度等級(jí)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表、壓變、溫變等計(jì)量相關(guān)的設(shè)備溯源以及傳遞表的比對(duì)，驗(yàn)證該裝置滿足試驗(yàn)的要求。

不同溫度氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能試驗(yàn)方法：選擇3臺(tái)DN80的氣體渦輪流量計(jì)在-25℃、-10℃、5℃、30℃、55℃溫度下進(jìn)行測(cè)試。

3臺(tái)流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線性如圖1。

圖1 不同溫度下的示值誤差Fig.1 Indication error at different temperatures

從以上數(shù)據(jù)的線性圖看，得出結(jié)論：

1）氣體渦輪流量計(jì)計(jì)量性能受環(huán)境溫度的影響。

2）同臺(tái)流量計(jì)在相同的流量點(diǎn)下，隨著溫度越低，流量計(jì)量示值誤差負(fù)偏就越大；溫度越高，流量計(jì)示值誤差正偏就越大。

3）高溫下的示值誤差影響小于低溫下的示值誤差影響。

4）流量計(jì)在大流量條件下，影響比較小，基本滿足計(jì)量性能。

2 影響因素分析

2.1 氣體渦輪流量計(jì)的工作原理

氣體渦輪流量計(jì)由整流器、葉輪、計(jì)量芯組件、油泵、磁耦合、機(jī)械計(jì)數(shù)器、低頻脈沖發(fā)生器、殼體及體積修正儀組成，如圖2為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。工作原理：當(dāng)氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)獨(dú)立機(jī)芯的前導(dǎo)流體并加速。在流體的作用下，由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，此時(shí)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，在渦輪克服阻力矩和摩擦力矩后開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)諸力矩達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與氣體工況流速成線性關(guān)系，并由高頻信號(hào)模塊輸出與工況體積流量成正比的脈沖信號(hào)，與壓力、溫度傳感器所檢測(cè)的壓力、溫度信號(hào)一起輸出給體積修正儀進(jìn)行計(jì)算處理，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量和累積總量的計(jì)量，加溫度和壓力補(bǔ)償時(shí)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的瞬時(shí)流量和累積總量的計(jì)量。

圖2 氣體渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure diagram of gas turbine flowmeter

2.2 計(jì)量性能的影響因素

根據(jù)氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量原理、計(jì)算公式，分析在不同溫度下，影響計(jì)量性能的變量有哪些，以便更好地找到根本原因。詳細(xì)的公式和分析如下：

1）流量與頻率的方程：

式（1）中：qv——瞬時(shí)流量，m3/h；f——脈沖頻率，Hz；K——儀表系數(shù)，m-3。

2）渦輪流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型：

式（2）中：Z——渦輪葉片數(shù)；θ——流體流動(dòng)方向與葉片的夾角；r——葉片的平均半徑；A——流通截面積；ρ——流體密度；Trm——機(jī)械摩擦阻力矩；Trf——流體對(duì)渦輪的阻力矩。

由公式（1）與公式（2）得到：

當(dāng)理想狀態(tài)時(shí)，Trm=0，Trf=0，計(jì)量性能僅與儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量變化無(wú)關(guān)，儀表系數(shù)為一常數(shù)。

當(dāng)?shù)蜏貤l件下，計(jì)量準(zhǔn)確度出現(xiàn)偏移，儀表系數(shù)產(chǎn)生變化，說(shuō)明Trm，Trf不為零，所以低溫性能的主要影響因素是摩擦阻力矩。而摩擦阻力矩主要有：軸承、軸、軸承的潤(rùn)滑油等在高低溫情況下的機(jī)械形變及性能的變化。因此，主要研究?jī)?nèi)容如下：

a）通過(guò)選擇同一種軸承，在不同溫度下，對(duì)有油與無(wú)油軸承性能的變化給渦輪流量計(jì)帶來(lái)的計(jì)量性能影響進(jìn)行研究。

b）通過(guò)采用同一種軸承，在不同的溫度下，對(duì)不同潤(rùn)滑油性能的變化給渦輪流量計(jì)帶來(lái)的計(jì)量性能影響進(jìn)行研究。

3 試驗(yàn)比對(duì)

3.1 試驗(yàn)一

3.1.1 方案

該方案的目的是為驗(yàn)證氣體渦輪流量計(jì)中的軸承有無(wú)油的條件下的不同溫度下的計(jì)量性能。

采用目前性能較穩(wěn)定的、精選性能一致的軸承，以消除軸承間性能差別所帶來(lái)的影響，對(duì)1號(hào)潤(rùn)滑油進(jìn)行以下兩組比對(duì)試驗(yàn)，每組兩臺(tái)：

1）常油：即對(duì)軸承的油脂不做任何處理，試驗(yàn)該流量計(jì)在-25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計(jì)量示值誤差及重復(fù)性。

2）無(wú)油：清洗軸承使其沒(méi)有油脂，試驗(yàn)該流量計(jì)在-25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計(jì)量示值誤差及重復(fù)性。

3.1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)論：從圖3無(wú)油與常油的比對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：

圖3 05常油與無(wú)油-示值誤差Fig.3 05 Normal oil and no oil-indication error

1）無(wú)油時(shí)，低溫對(duì)計(jì)量影響較小，計(jì)量示值誤差滿足設(shè)計(jì)要求。

2）常油的流量計(jì)測(cè)試結(jié)果，小流量負(fù)偏嚴(yán)重，影響較大。

3）軸承中的油是導(dǎo)致低溫性能負(fù)偏的重要因素。

3.2 試驗(yàn)二

3.2.1 方案

該方案的目的是為驗(yàn)證氣體渦輪流量計(jì)采用2號(hào)和3號(hào)油后，不同溫度下的計(jì)量性能。

采用目前性能較穩(wěn)定的、精選性能一致的軸承，以消除軸承間性能差別所帶來(lái)的影響，通過(guò)對(duì)2號(hào)和3號(hào)潤(rùn)滑油進(jìn)行以下兩組比對(duì)試驗(yàn)，每組兩臺(tái)：

1）清洗軸承使其沒(méi)有油脂，再添加2號(hào)潤(rùn)滑油，在常溫下運(yùn)行2h，保證加油后的軸承性能滿足要求，試驗(yàn)該流量計(jì)在-25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計(jì)量示值誤差及重復(fù)性，結(jié)果如圖4。

2）清洗軸承使其沒(méi)有油脂，再添加3號(hào)潤(rùn)滑油，在常溫下運(yùn)行2h，保證加油后的軸承性能滿足要求，試驗(yàn)該流量計(jì)在-25℃、-10℃、+20℃、+55℃下的計(jì)量示值誤差及重復(fù)性，結(jié)果如圖4。

3.2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)論，從圖4的比對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：

1）不同特性的油對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的計(jì)量示值誤差不同。

2）通過(guò)使用3號(hào)油來(lái)潤(rùn)滑，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)氣體渦輪流量計(jì)受溫度影響的程度不盡相同，主要表現(xiàn)為：相同低溫下流量越小，負(fù)誤差就越大；相同流量下溫度越低，負(fù)誤差越大；高溫下相同流量下，溫度越高，正誤差就越大，但整體在合格范圍之內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)分析，氣體渦輪流量計(jì)需要潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑才能長(zhǎng)時(shí)間的正常工作，在低溫下會(huì)出現(xiàn)渦輪潤(rùn)滑油低溫性能不好，導(dǎo)致黏度變化較大，阻力增強(qiáng)，降低低溫下渦輪軸承的旋轉(zhuǎn)速率，從而引起小流量受溫度影響較大的情況。從圖4的數(shù)據(jù)看，使用抗低溫潤(rùn)滑油可以從一定程度上解決此類問(wèn)題的發(fā)生，保證氣體渦輪流量計(jì)的誤差在合格范圍之內(nèi)。

圖4 2號(hào)和3號(hào)油-示值誤差Fig.4 No.2 and No.3 oil-indication error

在實(shí)際低溫極限條件下的影響：①會(huì)對(duì)氣體渦輪流量計(jì)的機(jī)械性能產(chǎn)生一定的影響，這是不能忽略的。儀表生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)充分考慮到這種極限條件，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)降低低溫對(duì)機(jī)械部件的影響；②管道會(huì)產(chǎn)生冰渣、冰顆粒，對(duì)渦輪流量計(jì)造成沖擊、卡死等。建議：①?gòu)S家應(yīng)提供適當(dāng)?shù)目沟蜏貪?rùn)滑油，用戶在使用時(shí)也應(yīng)當(dāng)按時(shí)加注符合要求的專業(yè)潤(rùn)滑油；②在0℃以下的管道應(yīng)該增加一些伴熱設(shè)備，保證管道溫度不會(huì)太低，最好不要低于0℃。