天然氣作為一種高效清潔能源，其需求量隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展呈現(xiàn)快速增長趨勢，預(yù)計 2020 年國內(nèi)天然氣需求量將達(dá) 3 000×108m3[1-4]。進(jìn)口渦輪流量計一直占據(jù)著高壓管道貿(mào)易計量市場，而國產(chǎn)渦輪流量計通常應(yīng)用于低壓管道，用戶主要為城市燃?xì)獾墓I(yè)用戶。
　　隨著工業(yè)過程控制自動化的實施及輸氣管道的大量建設(shè)，對貿(mào)易計量所需的渦輪流量計和具有強(qiáng)大功能的流量計算機(jī)的需求量也不斷增大[5]，因此，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與流量計算機(jī)，對實現(xiàn)管道設(shè)備的國產(chǎn)化，打破國外技術(shù)壟斷，保障管道安全、經(jīng)濟(jì)、高效運行，具有十分重要的意義[6]。為了評價國產(chǎn)化流量計在實際運行過程中的準(zhǔn)確度、可重復(fù)性、穩(wěn)定性及安全性等指標(biāo)，為后續(xù)新建管道的推廣應(yīng)用及流量計的制造、改進(jìn)提供依據(jù)，對 4 臺國產(chǎn)氣體高壓渦輪流量計和FC 型流量計算機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。
1　TBQM 型高壓氣體渦輪流量計 
1.1　工作原理 
　　高壓氣體渦輪流量計是一種帶機(jī)械計數(shù)器并用于測量氣體流量的流量計，其工作原理：當(dāng)高壓氣流進(jìn)入流量計時，首先經(jīng)過整流器整流并加速，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；磁耦合聯(lián)接驅(qū)動字輪計數(shù)器轉(zhuǎn)動，直接累積氣體的工況體積總量。因為通過渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，所以高頻信號脈沖輸出頻率與渦輪轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系[7]：
f=nZ （1） 
式中：f 為脈沖頻率，Hz；n 為渦輪轉(zhuǎn)速，r/s；Z 為渦輪 
葉片數(shù)。 
　　為了使高壓渦輪流量計在一定的流量范圍內(nèi)正常工作，其儀表系數(shù)K 應(yīng)為常數(shù)，但實際上儀表系數(shù)K與體積流量q 成一定的函數(shù)關(guān)系，即： 
q=f/K （2） 
將式（1）代入式（2），可得： 
K=nZ/q （3） 
　　式中：K 為儀表系數(shù)，為工況條件下每立方米天然氣通過流量傳感器時輸出的脈沖數(shù)，1/m3；q 為工況體積流量，m3/s。
綜上所述，儀表系數(shù)K 除與渦輪導(dǎo)程、葉片數(shù)、葉片寬度、螺旋升角、流量計流體通道等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外，還與介質(zhì)流體黏性、軸承本身阻尼、軸承潤滑油黏度等有關(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 也會相應(yīng)改變，因此流量計應(yīng)通過線性檢定等試驗方式進(jìn)行***終設(shè)計確認(rèn)。
1.2　性能測試 
　　以 EN 12261-2002《Gas meters – Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流量計》作為流量計產(chǎn)品的研制依據(jù)，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試，主要包括：耐久性試驗、彎矩與扭矩試驗、短時過載試驗、擾動試驗以及高低溫性能測試等。
1.2.1　耐久性測試 
　　渦輪流量計進(jìn)行耐久性測試的目的在于確認(rèn)流量計在指定條件下的計量性能是否符合分段要求[9]，即：

　　式中：δ為計量相對誤差；Qmax為工況***大流量，m3/h；Qmin為工況***小流量，m3/h；Qt為分界流量點，其值等于 20％Qmax，m3/h。
　　確認(rèn)各種安裝位置是否影響測試樣機(jī)的計量性能，安裝位置可分為水平方向、垂直向上與垂直向下。在不同安裝位置情況下，樣機(jī)在耐久性測試前后指示誤差的變化量不得超過式（4）要求值的 1/3。
以 DN80-G100 樣機(jī)為例，進(jìn)行耐久性測試說明。首先將 3 臺樣機(jī)分別安裝在同一管道的不同位置，管道內(nèi) 0.8 MPa 壓縮氣體以樣機(jī)***大流量進(jìn)行循環(huán)運行，以每 1 000 h 為運行單位，將樣機(jī)拆卸并在標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置上進(jìn)行相應(yīng)性能測試，得到 7 000 h 運行測試數(shù)據(jù)（圖 1）。

　　結(jié)果表明：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；軸承經(jīng)過長時間運行磨合更趨于穩(wěn)定，長期運行后非線性段更趨于理想特性曲線。
1.2.2　彎扭矩測試 
　　對于高壓渦輪流量計，應(yīng)該詳細(xì)說明流量計所需的彎曲與扭力力矩的保護(hù)水平[2]。該數(shù)據(jù)可以通過試驗直接獲得（圖 2，其中直管段 1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，圖 2a 中在直管段 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；圖 2b 中在直管段 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入口與出口法蘭處）。由于該項測試主要是針對流量計強(qiáng)度的校核，為了使測試結(jié)果更具說服力，并且提高其可靠性，將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計 DN80-G100 用于此次測試。測試過程中按照 EN 12261-2002 表 10中要求施加 1 倍、2 倍直至 4 倍（即力矩為 3 040 N·m）的砝碼F，未發(fā)現(xiàn)流量計殼體有任何異常變化。施加砝碼F 時及卸下砝碼之后得到的指示誤差與施加砝碼F 之前的指示誤差無明顯變化，實際變化量均在***大允許誤差的 1/3 以內(nèi)。

1.2.3　常壓與高壓試驗對比 
　　為了確認(rèn)高壓渦輪流量計在高壓氣體介質(zhì)中計量性能是否滿足工業(yè)貿(mào)易計量要求，將多臺 DN80-G160樣機(jī)發(fā)往石油天然氣大流量計量站南京分站進(jìn)行 6 MPa 實流檢定。使用小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對編號為131228041 的 DN80 渦輪流量計進(jìn)行了檢定（圖 3）。流量計的儀表系數(shù)K 的計算公式[10]：

　　式中（Ki）max、（Ki）min分別為流量計在qt～qmax流量范圍各流量檢定點得到的Ki中的***大值和***小值。

2 　FC 型流量計算機(jī) 
　　流量計算機(jī)是一種可對多個流量測量點集中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、高精度補(bǔ)償運算、數(shù)據(jù)顯示存儲及運用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信功能的新一代以工業(yè)微型計算機(jī)為內(nèi)核的計量儀表。與體積修正儀相比，其數(shù)據(jù)采集頻率高，運算速度快且準(zhǔn)確，可以同時對多臺流量計進(jìn)行溫度壓力修正和計量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、城市燃?xì)饧肮岬刃袠I(yè)的重要貿(mào)易計量場合和工廠計量管理網(wǎng)絡(luò)。
　　FC 型流量計算機(jī)***多可以連接 4 路流量計，可以與渦輪流量計、腰輪流量計、孔板流量計等配套使用。當(dāng)流量輸入為脈沖信號時，其體積流量為：
Qv=3 600 f/K ?????????????????（6）
式中：Qv為未經(jīng)修正的體積流量，m3/h。
當(dāng)連接孔板流量計時，體積流量為[11]：

　　式中：qv為工作狀態(tài)下體積流量，m3/h；d 為工作條件下孔板開孔直徑，mm；C 為流出系數(shù)，對于孔板，按標(biāo)準(zhǔn)計算；? 為可膨脹系數(shù)；? 為節(jié)流件等效直徑比；Δp為介質(zhì)流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的壓差，kPa；?1為介質(zhì)在工作狀態(tài)下的密度，kg/m3。
此外，F(xiàn)C 型流量計算機(jī)還具有能量計量功能，可以直接通過配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結(jié)果，也可以在流量計算機(jī)手動輸入天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)后，計算發(fā)熱量，再根據(jù)所計量的標(biāo)準(zhǔn)體積量計算天然氣能量[12]：
E=∑VnHs???????????????? （8）
　　式中：E 為天然氣的能量，kW·h；Vn為天然氣基準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，m3；Hs為天然氣基準(zhǔn)狀態(tài)下的單位發(fā)熱量，MJ/m3。
FC 型流量計算機(jī)內(nèi)置多種壓縮因子計算模型，且含有多種通信接口，可以使用 RS485 接口與上位機(jī)或色譜儀通信，也可以通過 RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信協(xié)議與上位機(jī)通信。
　　為了滿足流量計算機(jī)對多通道數(shù)據(jù)快速處理的要求，同時，考慮到流量計算機(jī)硬件配置的靈活性，F(xiàn)C型流量計算機(jī)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，數(shù)據(jù)采集模塊采用可插拔的板卡形式，每張板卡均配有單獨的微處理器，由該處理器負(fù)責(zé)接收處理輸入到該數(shù)據(jù)采集模塊的與流量、溫度和壓力相關(guān)的電信號，同時，數(shù)據(jù)采集模塊可以根據(jù)輸入信號的不同進(jìn)行相應(yīng)的配置（圖 4）。

4　結(jié)論 
　　通過超過半年的現(xiàn)場工業(yè)性試驗，高壓渦輪氣體流量計和配套流量計算機(jī)精度符合設(shè)計要求，具有較高的可靠性，各項指標(biāo)和技術(shù)性能完全滿足工業(yè)貿(mào)易計量的要求，打破了國外高壓長輸管道領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，積累了一定試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為今后高壓長輸管道長期運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著我國工業(yè)計量事業(yè)和城市燃?xì)獾陌l(fā)展，以及能量計量的逐步實施，國產(chǎn)化流量計具有很強(qiáng)的市場競爭力和較大的市場潛力，也為天然氣的計量管理提供了技術(shù)保障。