天然气计量技术―涡轮流量计

天然气计量技术讲座气体涡轮流量计2020/2/252概述气体涡轮流量计具有灵敏度高，重复性好，量程比宽，准确度高的特点，从而在欧、美国家的天然气流量计量中被广泛采用。在欧洲，目前天然气流量测量中使用气体涡轮流量计的比例已达到流量仪表的40~60%；在美国，仅阿卡拉公司从80年代末至90年代初，就有超过3500台气体涡轮流量计经过在线实流检定的应用报导；美国哥伦比亚气体公司已有670台气体涡轮流量计使用在大型计量站。2020/2/253概述气体涡轮流量计较差压式流量计更适合流量变化幅度较大的场合，其较宽的量程比，在某种程度上又可降低测量管直径，降低投资。随着天然气计量技术的发展和对天然气贸易、交接计量要求的提高，气体涡轮流量计将会逐步使用于天然气流量计量中。2020/2/2541工作原理涡轮流量计是属于速度式流量计。如图5.1所示，其工作原理是在管道中安装一个自由转动、轴与管道同心的叶轮。当被测气体流过传感器时，在气流作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。管道中流体的流速大小与叶轮转速成正比。在实际应用中，涡轮是要求进行实流校准的，流量计算公式如下：式中：qf——工况体积流量,m3/s;N——流量计每秒的脉冲数；k——流量计仪表系数，1/m3。kNfq2020/2/2551工作原理1—叶轮2—轴承3—磁铁4—感应线圈5—壳体6—导向件图1涡轮流量结构图2020/2/2562计量特性2020/2/2572计量特性从特性曲线可以看出，当天然气从零开始增大流量时，叶轮必须先克服轴与轴承间产生的静磨擦力矩后才开始旋转，极小量的气体通过气体涡轮流量计时，涡轮并不转动，只有当流量大于某一最小值时，克服了起动磨擦力矩，涡轮才开始转动。这一最小流量值与气体的密度成平方根关系，所以它对密度较大的流体灵敏度较好，在流量较小时，流量特性变化很大，主要受粘滞性磨擦力矩影响。2020/2/2582计量特性当流量大于某一数值后，流量与转数才近似为线性关系，这就是气体涡轮流量计的工作区域。当然，由于轴承寿命，叶轮的强度和压损等条件的限制，涡轮也不能转得太快，所以气体涡轮流量计和其它流量计一样，也有测量上、下限的限制。2020/2/2593主要特性1）准确度高，普通流量计的准确度为±1％~±1.5％，特殊专用型为±0.5％~±0.2％。2）重复性好，短期重复性可达0.05％~0.2％，正是由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得极高的精确度，在贸易结算中是优先选用的流量计。3）输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。4）可获得很高的频率信号（3-4kHz），信号分辨力强。5）量程比宽，中大口径可达40：1至10：1，小口径为6：1或5：1。2020/2/25103主要特性6）结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。7）适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。8）难以长期保持校准特性，需要定期检定。对于贸易储运和高准确度测量的要求，最好对流量计进行在线实流检定以保持其特性。9）气体密度对仪表特性有较大影响。气体流量计易受密度影响，由于密度与温度、压力关系密切，在现场温度、压力波动是难免的，要根据它们对准确度影响的程度采取补偿措施，才能保持较高的计量准确度。2020/2/25113主要特性10）流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大，传感器上下游侧需设置较长的直管段，如安装空间有限制，可加装流动调整器（整流器）以缩短直管段长度。11）不适于脉动流和混相流的测量。12）对被测气体的清洁度要求较高，若气质较脏，可安装过滤器，但亦带来压损增大、维护量增加等副作用。2020/2/25124改进产品为了提高涡轮流量计的计量性能和适应性，不同厂家都对涡轮进行了改进，目前有如下产品。双叶轮，提高涡轮的可靠性。铝合金叶轮，提高涡轮的灵敏度和抗冲击能力。一体化整流器，提高涡轮的准确度和和抗冲击能力。密封式轴承，提高涡轮的抗脏污能力。2020/2/25134改进产品图5.2涡轮一体化整流器2020/2/25145标准化针对气体涡轮流量计ISO制定了ISO9951标准，美国制定了AGA7号报告。我国亦参照ISO9951制定了涡轮流量计的国家标准GB/T18940-2003《密封管道中气体流量的测量—涡轮流量计》。2020/2/25156涡轮流量计的计算AGA7号报告规定了涡轮流量计的安装要求，规定了涡轮流量计取压和测温元件的位置；给出了涡轮流量计用于天然气流量的计算方法。其计算公式如下：Qb=Qf（Pf/Pb）（Tb/Tf）（Zb/Zf）2020/2/25166涡轮流量计的计算式中：Qb—标准条件下的流量；Qf—工况条件下的流量；Pb—标准状态下压力；Pf—工况条件下绝对气体静压；Tb—标准状态下温度；Tf—工况条件下气体温度；Zb—标准状态下气体的压缩因子；Zf—工况条件下气体的压缩因子。2020/2/25177计算公式推推导根据状态方程:在标准状态下:PbVb=(R/M)TbZb在流动状态下:PfVf=(R/M)TfZf则:Vb/Vf=PfTbZb/(PbTfZf)除以时间△t得:Qb=Qf（Pf/Pb）（Tb/Tf）（Zb/Zf）Qf=N/K代替得:Qb=N/K（Pf/Pb）（Tb/Tf）（Zb/Zf）2020/2/25188涡轮流量计的安装与使用具有转动部件的速度式涡轮流量计的安装与使用，总体上讲，应满足其计量特性、性能不受影响；在规定的流量范围内维持其准确性，不缩短其使用寿命。1.安装要求(a)一般要求水平安装，避免垂直安装。(b)气体涡轮流量计推荐上游至少10D，当有整流器时，整流器出口到涡轮流量计入口端面至少为5D的直管段（分别从流量计的上、下游端面算起）。其内径与流量计公称内径DN之差，一般应不超过DN的±1%，并不超过5mm。2020/2/25198涡轮流量计的安装与使用(c)用于静压补偿的取压孔应位于气体涡轮流量计叶片相对应的位置处。如有多个静压取压孔，在气体密度为1.2kg/m3的最大流速下，其不同取压孔的静压差应小于100Pa。静压取压孔一般在流量计本体上，由制造厂商确定，其直径一般在3mm—12mm。(d)测温元件的位置测温元件应安装在流量计下游，在叶轮下游的5D内，尽可能靠近流量计。2020/2/25208涡轮流量计的安装与使用(e)过滤器的安装当气体涡轮流量计安装于可能存在各种机械杂质的天然气管道中，必须安装过滤器，过滤器的尺寸可参考表1。流量计口径(mm)筛网号筛网孔的尺寸（mm）12、201000.1525、50、75800.18100、150600.25200、250、300400.422020/2/25218涡轮流量计的安装与使用（f）限流元件为避免气体涡轮流量计受到超高速天然气气流的冲击，可在其下游安装限流元件。通常气体涡轮流量计超速上限为额定上限值的150%，对于高压天然气，宜为120%。(g)放空管的位置放空管应放在气体涡轮流量计的下游，且放空阀的口径应小于流量计口径的1/6。2020/2/25228涡轮流量计的安装与使用(h)旁通的设置对于重要的计量管路，应设置旁通管，旁通管应是零泄漏且可检漏，以便流量计的维修。(i)对于没有安装限流元件或旁通管的大口径测量管路（DN≥300）时，应在其上游截断阀处安装小型截止旁通阀，以便对测量管路缓慢升压或降压，防止压力突然变化，避免高流速冲击流量计。（j）其它安装要求：除按产品使用说明书，可参见GB/T18940标准。2020/2/25239使用注意事项（a）投表操作步骤：（a.1）打开旁路截止阀；（a.2）打开流量计上游截止阀；（a.3）缓慢打开流量计下游截止阀；（a.4）缓慢关闭旁路截止阀。（b）停表操作步骤：（b.1）打开旁路截止阀；（b.2）关闭流量计下游截止阀；（b.3）关闭流量计上游截止阀。2020/2/25249使用注意事项（c）新安装或修理后的管路必须进行吹扫。吹扫计量管路时，必须拆下流量计，用相应短节代替流量计进行吹扫。（d）流量计管路投产时，应缓慢升压，逐步增加流速。停产时，应缓慢降压。（e）运行中检查气体涡轮流量计运转的声音或壳体振动来判断涡轮叶片及轴承是否工作正常。低流速下应关注其声音变化情况，高流速下观察其壳体振动的变化。