摘要：闡述高壓智能一體化氣體渦輪流量計(jì)研制的意義和設(shè)計(jì)依據(jù)；并介紹高壓渦輪流量計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能測試、計(jì)量特性等，以此證明研制的高壓智能一體化氣體渦輪流量計(jì)可以作為貿(mào)易計(jì)量應(yīng)用在高壓管線上。
天然氣作為重要的潔凈能源，近幾年在城市中的應(yīng)用迅猛發(fā)展。在當(dāng)今市場經(jīng)濟(jì)的體制下，人們對經(jīng)濟(jì)效益的日益重視，作為供氣、用氣雙方進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算依據(jù)的計(jì)量問題日益突顯起來，特別對高壓天然氣的計(jì)量形勢尤為嚴(yán)峻，“計(jì)量就是計(jì)錢”的觀念深入人心。而**能源供求日益緊張，人們都十分關(guān)心并尋求一種精度高，適應(yīng)性強(qiáng)的流量計(jì)來測量天然氣流量，以減少、避免天然氣貿(mào)易糾紛。目前國內(nèi)渦輪流量計(jì)生產(chǎn)廠家均是以中低壓為主，對高壓的涉及較少，規(guī)格種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。供油系統(tǒng)、防沖擊結(jié)構(gòu)等因素均是直接影響流量計(jì)使用壽命。與此同時，我司為了順應(yīng)**能源安全的戰(zhàn)略部署，保證**能源輸運(yùn)安全，響應(yīng)建設(shè)“創(chuàng)新型”**的發(fā)展戰(zhàn)略，開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)且滿足工業(yè)性應(yīng)用要求的高精度高壓渦輪流量計(jì)。
1 渦輪流量計(jì)的工作原理與流量特性
1.1 工作原理
智能一體化氣體渦輪流量計(jì)是一種帶機(jī)械計(jì)數(shù)器并用于精確測量氣體流量的流量計(jì)，其工作原理如圖1 所示：當(dāng)氣流進(jìn)入流量計(jì)時，*先經(jīng)過特殊整流器整流并加速，在流體的作用下，渦輪克服阻力矩開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)力矩達(dá)到平衡時渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，此時其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比，并通過齒輪減速傳動以及磁耦合聯(lián)接驅(qū)動字輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動，直接累積氣體的工況體積總量。

因通過渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，高頻信號脈沖輸出頻率 與渦輪轉(zhuǎn)速存在下列
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對一定精度的流量計(jì)而言，在一定的流量范圍內(nèi)，其儀表系數(shù)K 應(yīng)接近常數(shù)。理論上儀表系數(shù)K 與體積流量q成如下關(guān)系，即

式中：K—儀表系數(shù)，為工況條件下每立方米通過流量傳感器時輸出的脈沖數(shù)，1/m3 ；
q—工況體積流量m3 s 。
綜上所述，儀表系數(shù)K 在實(shí)際上除渦輪導(dǎo)程、葉片數(shù)、葉片寬度、螺旋升角、流量計(jì)流體通道等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外，還與介質(zhì)流體粘性、軸承本身阻尼、軸承潤滑油粘度等有關(guān)，若以上其中一種或幾種相關(guān)因素發(fā)生改變，則儀表系數(shù)K就會相應(yīng)改變。故每臺流量計(jì)均應(yīng)通過檢定得出儀表系數(shù)。
1.2 流量特性介紹
K—q關(guān)系曲線稱為渦輪流量計(jì)的流量特性曲線。理論上， K—q關(guān)系應(yīng)是一條水平直線，但實(shí)際上由于在不同的流動狀態(tài)下，流體產(chǎn)生阻力機(jī)理不同，效果也不同，所以使特性曲線成為曲線形狀。 以DN50 為例，如圖2 所示。

由圖2 可見，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。在非線性段， 實(shí)際特性受軸承摩擦力、流體粘性阻力影響較大。當(dāng)流量低于Qmin 時，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流量的平方成正比關(guān)系。通常線性段約為工作段的2/3，其特性與渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及流體粘性有關(guān)。隨流量的變化其儀表系數(shù)K 也會有一定的變化，但變化不大，通常將其變化幅度稱為流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，期望能將線性段的流量范圍拓展，一臺流量計(jì)能覆蓋同口徑的不同流量范圍，使得產(chǎn)品量程比變寬從而降低生產(chǎn)管理與生產(chǎn)批量加工成本。對于1.0 級的高壓智能一體化氣體渦輪流量計(jì)，以Qt（0.2Qmax）為分界流量點(diǎn)，將計(jì)量線性分為兩段，其中一段的*大允許誤差為±2%，而另一段的*大允許誤差為±1% 。按圖2 所示，通常每臺渦輪流量計(jì)均有較為相似特性曲線，若將可測量流量范圍做寬，就能在同口徑不同流量范圍進(jìn)行分段截取，以實(shí)現(xiàn)一臺流量計(jì)能覆蓋同口徑的不同流量范圍。
2 高壓渦輪流量計(jì)研制
高壓智能一體化氣體渦輪流量計(jì)主要是由鍛鋼殼體、表芯總成、機(jī)械顯示計(jì)數(shù)器、高壓油泵、高低頻信號輸出（按客戶要求選配）等組成；根據(jù)EN12261 要求，設(shè)計(jì)高壓渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀等并對殼體與軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；研究高壓供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免軸承潤滑油回流等不良現(xiàn)象；研究渦輪防沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緩沖因流量波動引起瞬間沖擊力；研究雙向增計(jì)數(shù)的新型機(jī)械計(jì)數(shù)器，主要解決了流量計(jì)由于其單向計(jì)數(shù)的特性，而導(dǎo)致倒置安裝時出現(xiàn)計(jì)數(shù)不增反減的問題。
2.1 殼體與軸承設(shè)計(jì)計(jì)算
高壓智能一體化氣體渦輪流量計(jì)殼體作為主要的承壓零部件，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。并可將其視為鋼管，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB50316 與GB150 中相關(guān)規(guī)定，計(jì)算壁厚ts 計(jì)算公式：

式中 ts—計(jì)算厚度（mm）；
P—設(shè)計(jì)壓力（MPa）；
Do—管子外徑（mm）；
—在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力（MPa）；
Ej —焊接接頭系數(shù)；
Y—計(jì)算系數(shù)。
以DN50-PN100 為例，將殼體設(shè)計(jì)參數(shù)代入（4）中直

而對于轉(zhuǎn)速較高的軸承，軸承可靠度為90%，軸承材料為常規(guī)材料，其基本額定動載荷計(jì)算公式如下[3]：

將選型軸承的參數(shù)代入（5）、（6）中直接得出基本額定動載荷C，而選型軸承的動載荷Cr 必須大于基本額定動載荷C 才能滿足設(shè)計(jì)要求。
2.2 高壓供油系統(tǒng)
流量計(jì)所需軸承潤滑油必須在內(nèi)部密封、持久、免維護(hù)或者采用外部注入的方式。高壓渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取外部注入方式進(jìn)行潤滑軸承。該方式必須克服高壓氣體對潤滑油管反作用力，壓力越高，反作用力越強(qiáng)。對供油系統(tǒng)提出更高的要求，目前行業(yè)內(nèi)的中低壓供油結(jié)構(gòu)已不適用，可能會引起潤滑油回流或密封圈提前失效等問題。
應(yīng)研制一種高壓供油系統(tǒng)，其主要是通過手動油泵將潤滑油從油杯注入注油腔中，而注油腔中的潤滑油是通過兩只阻回流單向閥以及內(nèi)置供油管路將潤滑油直接注入需潤滑軸承附近的儲油區(qū)內(nèi)；而手動油泵是由手柄、油泵座、油杯、
活塞、O 型密封圈等組成；該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于采用兩只單向閥其一內(nèi)置油泵，另一嵌入管道，實(shí)現(xiàn)雙重阻回流功能，并提高高壓管道供油可靠性；而且將所有油管內(nèi)置，該供油管路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，實(shí)現(xiàn)一體化潤滑，順利解決生產(chǎn)過程與搬運(yùn)物流對外部引油管路造成傷害；
2.3 渦輪防沖擊與高頻信號檢測系統(tǒng)
為了減緩流量波動、管道震動對渦輪生產(chǎn)瞬間沖擊力，研究計(jì)量芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常計(jì)量芯中前后軸承均是徑向旋轉(zhuǎn)作用，對瞬間沖擊力的承受能力有限，若操作不當(dāng)，對流量計(jì)壽命與精度影響甚大?？紤]以上因素，對計(jì)量芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將主軸的前后軸承作用力分開，前軸承為徑向旋轉(zhuǎn)作用，后軸承為軸向推力作用，后軸承也可與推力軸承或波紋墊圈配合使用。能有效的抑制流體瞬間沖擊力，并配合渦輪形成反向推力，能較快將渦輪調(diào)整至平衡狀態(tài)，從而改善渦輪流量計(jì)的壽命與精度。
目前國內(nèi)外取高頻信號傳感器頻率*高大概為2000Hz，而且大部分制造商采取穿過流體通道的方式插入計(jì)量芯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信號采取。此方式會引起高、低頻檢定的示值誤差不一致。而我司目前使用的新型高頻旋轉(zhuǎn)檢測傳感器是通過專業(yè)生產(chǎn)廠家特殊定制，所采集的信號是通過渦輪的葉片放大的，對流體通道無任何影響，其頻率*高能達(dá)到3 500 Hz 或者更高。通過該傳感技術(shù)的應(yīng)用，并采用新型信號處理放大技術(shù)和獨(dú)特的濾波技術(shù)，有效地剔除壓力波動和管道振動所產(chǎn)生的干擾信號，提高流量計(jì)的抗干擾能力。從而克服了因頻率高而丟失信號的難題，提高產(chǎn)品對小流量的靈敏度和精度，更便于用戶高頻檢定操作等。
2.4 雙向增計(jì)數(shù)的新型機(jī)械計(jì)數(shù)器
目前市場上的機(jī)械計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)均為正向進(jìn)氣時計(jì)數(shù)器正向計(jì)數(shù)，反向進(jìn)氣時計(jì)數(shù)器反走。而帶單向計(jì)數(shù)功能的渦輪流量計(jì)是一種能夠在渦輪流量計(jì)左進(jìn)右出進(jìn)氣、垂直安裝、水平安裝條件下均能滿足單向計(jì)數(shù)（單向計(jì)數(shù)可分為正向計(jì)數(shù)與反向計(jì)數(shù)；按目前市場需求，此單向計(jì)數(shù)便是通常所說的正向計(jì)數(shù)）。然而，在燃?xì)庥?jì)量市場中有部分投機(jī)分子為了盜氣等原因?qū)?strong>渦輪流量計(jì)倒置安裝，使得單向計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)不增反退。為了避免上述問題再次出現(xiàn)，設(shè)計(jì)具有自主知識產(chǎn)權(quán)帶雙向增計(jì)數(shù)功能的新型渦輪流量計(jì)，其中包括渦輪流量計(jì)基表、上磁耦合組件、主軸、主錐齒輪、錐齒輪組件和計(jì)數(shù)字輪組件等。雙向增計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)如圖3 所示，主要是通過增加單向軸承的數(shù)量，并對稱分布在主錐齒輪的兩側(cè)，通過單向軸承與錐齒輪的緊配合，實(shí)現(xiàn)正反進(jìn)氣情況下始終有一只單向軸承通過其單向特性帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，并由驅(qū)動軸帶動另一只因反向而發(fā)生自鎖的單向軸承轉(zhuǎn)動，保證驅(qū)動軸始終沿一個方向轉(zhuǎn)動，從而保證即使倒置安裝，機(jī)械計(jì)數(shù)也會只增不減。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能有效解決因管道震動、齒輪反向間隙而引起機(jī)械顯示不整齊等問題。

3 高壓渦輪流量計(jì)的性能測試
該流量計(jì)的研制以歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 12261：2002（Measurement of natural gas flow by turbine meters) 與OIMLR137-1 作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)依據(jù)并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試，該性能測試包括：耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)、短時過載試驗(yàn)、擾動試驗(yàn)、高低溫性能測試等；本文詳細(xì)介紹耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)
3.1 耐久性測試
渦輪流量計(jì)進(jìn)行耐久性測試的目的在于確認(rèn)流量計(jì)在指定條件下、額定的使用壽命里的計(jì)量性能是否符合上述的分段要求，即。

還需確認(rèn)各種安裝位置是否影響測試樣機(jī)的計(jì)量性能，安裝位置可分為：水平方向、垂直向上與垂直向下；而且不同安裝位置樣機(jī)在耐久性測試前后的指示誤差的變化量不得超過*大允許誤差的1/3。
整個耐久性測試以DN80-G100 樣機(jī)為例進(jìn)行說明，*先是將三臺樣機(jī)分別安裝在不同安裝位置的同一管道中，其管道是由0.8 MPa 壓縮氣體為介質(zhì)以樣機(jī)*大流量進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，以每1 000 h 為運(yùn)行周期將樣機(jī)拆卸并在標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置做相應(yīng)性能測試，經(jīng)過7 000 h 運(yùn)行如圖4 所示。

從圖4 分析可知：
①該測試樣機(jī)滿足耐久性測試要求，指示誤差的變化量未超過*大允許誤差的1/3。
②軸承經(jīng)過長時間運(yùn)行磨合更趨于穩(wěn)定，長期運(yùn)行后非線性段更趨于理想特性曲線。
3.2 彎矩與扭矩測試
對于高壓智能一體化氣體渦輪流量計(jì)來說，還應(yīng)當(dāng)詳細(xì)說明流量計(jì)所需求的彎曲與扭力力矩的保護(hù)水平。此數(shù)據(jù)是通過試驗(yàn)直接獲得，彎矩測試裝置如圖5-a 所示，直管段1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在直管段2 預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成彎矩M；扭矩測試裝置如圖5-b 所示，直管段1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在直管段2 側(cè)面預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成扭矩T。而彎矩與扭矩均是作用于流量計(jì)入口與出口法蘭處。由于此項(xiàng)測試主要針對流量計(jì)強(qiáng)度的校核，為了更有說服力、提高可靠性，故將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計(jì)DN80-G100用于此次測試。而整個測試過程是將砝碼F 按EN12261 表10 中要求1 倍、2 倍直至做到4 倍（即力矩為3 040 N·m），未發(fā)現(xiàn)流量計(jì)殼體有任何異常變化。而測試結(jié)果表明在施加砝碼F 之前、過后得到的指示誤差與施加砝碼F 之前的指示誤差未有明顯變化。

3.3 *三方高壓實(shí)流檢定測試
為了確認(rèn)高壓渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhì)中計(jì)量性能是否滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量要求，將多臺DN80-G160 樣機(jī)發(fā)往*三方檢測機(jī)構(gòu)**石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站進(jìn)行6 MPa 實(shí)流檢定；檢定合格，準(zhǔn)確度等級為1.0 級，相對于常壓檢定數(shù)據(jù)樣機(jī)的儀表系數(shù)K 有所偏移，但仍在允許誤差范圍內(nèi)。其中南京分站使用小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對編號為131228041 的DN80 渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定，該樣機(jī)在常壓與高壓檢定比對數(shù)據(jù)如圖6 所示。而流量計(jì)的儀表系數(shù)K 的計(jì)算如下：



根據(jù)上式(7)、(8) 并結(jié)合圖6 可得出。
①該樣機(jī)完全滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量的指示誤差要求。
②高壓相對于常壓整體線性會向正向偏移+0.65%。
③高壓相對于常壓整體線性較為平穩(wěn)，而且線性誤差有向理想誤差曲線靠攏的趨勢。
根據(jù)實(shí)際流量計(jì)的所測得儀表系數(shù)K 更換對應(yīng)齒輪傳動比，使機(jī)械表頭顯示部分和齒輪轉(zhuǎn)動發(fā)出低頻脈沖輸出均與高頻脈沖輸出匹配，實(shí)際三者關(guān)系如下：

在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了降低齒輪模具的投入成本，應(yīng)通過試驗(yàn)確認(rèn)流量計(jì)K與i ，以控制i在不同口徑不同流量范圍內(nèi)的可調(diào)區(qū)間均是一致的。
4 結(jié)束語
研制成功的高壓渦輪流量計(jì)順利通過浙江省技術(shù)監(jiān)督檢測研究院各種性能測試并獲得相應(yīng)型式批準(zhǔn)**，該流量計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)和技術(shù)性能完全滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量的要求，而且打破國外高壓長輸管線領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，為以后積累高壓長輸管線長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。