渦輪流量計在天然氣計量中的應(yīng)用

天然氣作為一種清潔能源在我國的能源戰(zhàn)略中占據(jù)著重要的地位，隨著國家西氣東輸管道的建成和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的不斷完善，科學(xué)準(zhǔn)確的天然氣貿(mào)易結(jié)算重要性凸顯。因?yàn)樵跍?zhǔn)確度、重復(fù)性、零點(diǎn)漂移、量程比等方面具備顯著的優(yōu)勢，渦輪流量計成為一種被廣泛使用的速度式流量計。其軸承制作精良、導(dǎo)流片經(jīng)過特殊設(shè)計，能降低磨損，在極端條件下保證測量的可靠性;其輸出信號為脈沖，易于數(shù)字化;渦輪流量計的儀表系數(shù)和線性度都受壓力變化影響較小，如與帶特殊功能的二次儀表配套，還可以進(jìn)行定量控制，超量報警等，因此在石油、液化氣、天然氣領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，本文主要從特點(diǎn)、原理類型、應(yīng)用以及不足等 5 個方面介紹氣體渦輪流量計在天然氣計量中的應(yīng)用。

1 氣體渦輪流量計的特點(diǎn)

氣體渦輪式流量計安裝簡單、方便，具備在線和巡檢式計量已廣泛應(yīng)用于天然氣計量中。

1. 1 智能測量與補(bǔ)償

氣體渦輪流量可直接測量氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積或飽和蒸汽的質(zhì)量流量并且獲得介質(zhì)溫度與壓力的測量數(shù)據(jù)，對流量進(jìn)行自動補(bǔ)償和壓縮因子自動修正。

1. 2 制造工藝先進(jìn)

氣體渦輪流量計采用先進(jìn)的微機(jī)技術(shù)與高性能的集成芯片，利用先進(jìn)的微功耗高新技術(shù)，整機(jī)功耗低，既可憑內(nèi)電池長期供電運(yùn)行，又可由外電源供電運(yùn)行，采用 LCD 顯示屏方便讀數(shù)，輸出脈沖信號，也可輸出(4 ～ 20)mA 的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號。

1. 3 自動化程度高

具備通訊接口能夠與上位機(jī)進(jìn)行通訊，一臺上位機(jī)可與多臺流量計進(jìn)行通訊，便于集中管理。

2 氣體渦輪流量計工作原理

氣體渦輪流量計的基本原理是:當(dāng)沿軸線流動的流體進(jìn)入流量傳感器時，葉片迫使流體旋轉(zhuǎn)，然后在旋渦蔓生體的中心產(chǎn)生渦流。渦流在文丘里管中流動，到達(dá)收縮段后突然節(jié)流，從而加速。當(dāng)渦旋進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)時，回流迫使其進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)。此時，渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)的速度成線性正比。壓電傳感器檢測到的弱電荷信號被前置放大器放大，濾波和整形，然后轉(zhuǎn)換為脈沖信號，其頻率與流速成正比。非常后，信號被發(fā)送到積分器進(jìn)行計數(shù)和處理。流量積算儀由溫度和壓力計量模擬通道以及微處理單元組成，流量計中的微處理器可根據(jù)溫度測量值對應(yīng)得到介質(zhì)密度和壓力，完成介質(zhì)的體積流量和質(zhì)量流量的計算;還可按照氣態(tài)方程進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，并自動進(jìn)行壓縮因子修正。對于機(jī)械計數(shù)器式渦輪流量計，計數(shù)器通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)并計數(shù)。對于使用電子流量積分器的流量計，代表渦輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號通過旋轉(zhuǎn)的發(fā)訊盤或信號傳感器和放大電路輸出，脈沖信號的頻率與流體的體積流量成正比。

3 氣體渦輪流量計類型

3. 1 基本型渦輪流量計

傳感器本身不具備現(xiàn)場顯示功能，僅將流量信號遠(yuǎn)傳輸出。流量信號可分為脈沖信號或電流信號。價格低廉、集成度高、體積小巧，特別適用于與二次顯示儀、PLC、DCS 等計算機(jī)控制系統(tǒng)配合使用。

3. 2 智能渦輪流量計

智能渦輪流量計結(jié)合了渦輪流量傳感器和先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)開發(fā)的顯示集成儀表，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、抗外部電源干擾、防雷擊、成本低等優(yōu)點(diǎn)?？涩F(xiàn)場進(jìn)行儀表系數(shù)三點(diǎn)修正，智能補(bǔ)償儀表系數(shù)非線性，同時顯示瞬時流量、累積流量以及溫度、壓力等計量參數(shù)，具備數(shù)據(jù)實(shí)時存儲功能和防爆功能，特別適用于與 PLC、DCS 等計算機(jī)控制系統(tǒng)配合使用。

4 氣體渦輪流量計的使用

氣體渦輪流量計具有靈敏度高、重復(fù)性好、量程比大、精度高特點(diǎn)，因此廣泛用于天然氣流量測量中。當(dāng)流量變化很大時，氣體渦輪流量計比差壓流量計更合適。氣體渦輪流量計的量程比寬，中大口徑可以達(dá)到 40∶ 1 到10∶ 1，小口徑為 6∶ 1 或 5∶ 1。隨著天然氣計量技術(shù)的發(fā)展以及對天然氣貿(mào)易和交接計量要求的提高，氣體渦輪流量計既可以滿足貿(mào)易計量的要求，又可以滿足較寬的測量范圍。另外，它的設(shè)備成本比孔板流量計和氣體超聲流量計低。因 此，氣體渦輪流量計被越來越廣泛地使用，尤其中國天然氣市場用量增幅明顯，但是普遍存在下游市場前期用量較低，天然氣管道往往在初期采取低壓運(yùn)行，在運(yùn)行一段時間后逐步提高壓力，增大供應(yīng)量，渦輪流量計以其較寬的量程比能降低測量管直

徑，從而較少投資。氣體渦輪流量計準(zhǔn)確度高，普通流量計的準(zhǔn)確度為( ±1 ～ ±1. 5)%，特殊專用型為( ± 0. 5 ～ ± 0. 2)%，但其準(zhǔn)確度

越高，對現(xiàn)場條件的要求越苛刻。渦輪流量計具有良好的重復(fù)性，短期重復(fù)性可達(dá)(0. 05 ～ 0. 2)%。如果定期校準(zhǔn)，則可以獲得很高的準(zhǔn)確度。

氣體渦輪流量計結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、安裝維護(hù)方便、流通能力大，適用高壓測量。儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表，可以滿足管道的升壓要求。正因?yàn)榫邆湟陨蟽?yōu)點(diǎn)，因此在天然氣貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計之一。

5 氣體渦輪流量計的缺陷

由于氣體渦輪流量計難以長期保持穩(wěn)定的計量特性，需要定期檢定或者校準(zhǔn)。對于貿(mào)易儲運(yùn)和高準(zhǔn)確度測量的要求，需要經(jīng)常對流量計進(jìn)行在線實(shí)流檢定以保持其特性，同時氣體密度對儀表準(zhǔn)確度有較大影響，由于密度與溫度和壓力密切相關(guān)，現(xiàn)場溫度和壓力的波動是不可避免的，應(yīng)根據(jù)其對流量計計量特性的影響程度采取補(bǔ)償措施，以保持高精度。因此保持渦輪流量計準(zhǔn)確度的同時，需要對現(xiàn)場溫度、壓力進(jìn)行定期校準(zhǔn)和補(bǔ)償，從而確保天然氣管道貿(mào)易計量的準(zhǔn)確性。流量計受速度分布和旋轉(zhuǎn)流的畸變影響很大。傳感器的上下兩側(cè)需要設(shè)置長直管段。如果安裝空間有限，可以安裝整流器以縮短直管段的長度，這不適合測量脈動流和混溶流。被測氣體的清潔度要求很高。如果氣體變臟，可以安裝過濾器，但同時也會帶來壓力損失增大、維護(hù)增加。

6 小結(jié)

氣體渦輪流量計是一種速度流量計，具有精度高、重復(fù)性好、無零漂移、量程比大等優(yōu)點(diǎn)。采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)研制的渦輪流量計，特別適合與計算機(jī)控制系統(tǒng)(如 PLC 和 DCS)來配套使用改善天然氣自動化流量計量水平，其量程比寬非常適合流量變化幅度較大的場合，可降低測量管直徑，從而較少投資;短期重復(fù)性可達(dá)(0. 05 ～ 0. 2)% ，如經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)可得極高的準(zhǔn)確度;安裝維護(hù)方便，流通能力大適用高壓測量，在天然氣管道貿(mào)易結(jié)算中是優(yōu)先選用的流量計;然而氣體密度對流量計準(zhǔn)確度有較大影響，需要定期校準(zhǔn)。