天然氣作為一種清潔、低排放的高效能源，已在我國大規(guī)模地發(fā)展，與之相關(guān)的天然氣流量計也在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。氣體渦輪流量計作為天然氣流量計量的一種表具，使用量越來越大，使用環(huán)境也是越來越復(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)過溯源后的儀表開始使用正常，在天氣變冷后渦輪流量計的計量出現(xiàn)了計量不準(zhǔn)確的情況。通常情況下，氣體渦輪流量計的工作范圍較寬，一般情況下溫度變化對計量性能的影響較小。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的計量性能，從而容易在使用的過程中產(chǎn)生計量、貿(mào)易結(jié)算的糾紛。
1 驗(yàn)證氣體渦輪流量計在不同溫度下的計量性能
為了更好地了解氣體渦輪流量計在不同環(huán)境下的計量性能，為能夠通過歐盟認(rèn)證，依據(jù) EN12261 的標(biāo)準(zhǔn)，市面上出現(xiàn)了一套可以檢定渦輪流量在不同溫度和濕度下的計量性能的標(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)流量計放置在恒溫恒濕車間，溫度在 20℃左右，再通過管道和熱交換器與被檢流量計相連接 ；②流量計的瞬時流量通過變頻器控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流量的運(yùn)行 ；③通過采集系統(tǒng)分別采集被檢流量計和標(biāo)準(zhǔn)流量的脈沖信號、壓力值、溫度值 ；④#后，通過中心控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制、計算，從而輸出檢定結(jié)果 ；⑤設(shè)備的準(zhǔn)確度等級通過標(biāo)準(zhǔn)表、壓變、溫變等計量相關(guān)的設(shè)備溯源以及傳遞表的比對，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的計量性能試驗(yàn)方法 ：選擇 3 臺 DN80 的氣體渦輪流量計在 -25℃、-10℃、5℃、30℃、55℃溫度下進(jìn)行測試。
3 臺流量計檢定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線性如圖 1。從以上數(shù)據(jù)的線性圖看，得出結(jié)論 ：
1）氣體渦輪流量計計量性能受環(huán)境溫度的影響。
2）同臺流量計在相同的流量點(diǎn)下，隨著溫度越低，流量計量示值誤差負(fù)偏就越大 ；溫度越高，流量計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）流量計在大流量條件下，影響比較小，基本滿足計量性能。
2 影響因素分析
2.1 氣體渦輪流量計的工作原理
氣體渦輪流量計由整流器、葉輪、計量芯組件、油泵、磁耦合、機(jī)械計數(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)入流量計時，shou先經(jīng)過好立機(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，此時渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，在渦輪克服阻力矩和摩擦力矩后開始轉(zhuǎn)動。
當(dāng)諸力矩達(dá)到平衡時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。渦輪轉(zhuǎn)動角速度與氣體工況流速成線性關(guān)系，并由高頻信號模塊輸出與工況體積流量成正比的脈沖信號，與壓力、溫度傳感器所檢測的壓力、溫度信號一起輸出給體積修正儀進(jìn)行計算處理，可實(shí)現(xiàn)瞬時流量和累積總量的計量，加溫度和壓力補(bǔ)償時可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的瞬時流量和累積總量的計量。
2.2 計量性能的影響因素
根據(jù)氣體渦輪流量計的計量原理、計算公式，分析在不同溫度下，影響計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 ：q v ——瞬時流量，m 3 /h ；f——脈沖頻率，Hz ；K——儀表系數(shù)，m -3 。
2）渦輪流量計的數(shù)學(xué)模型 ：
式（2）中 ：Z——渦輪葉片數(shù) ；θ——流體流動方向與葉片的夾角 ；r——葉片的平均半徑 ；A——流通截面積 ；ρ——流體密度 ；T rm ——機(jī)械摩擦阻力矩 ；T rf ——流體對渦輪的阻力矩。
由公式（1）與公式（2）得到 ：
當(dāng)理想狀態(tài)時，T rm =0，T rf =0，計量性能僅與儀表結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與流量變化無關(guān)，儀表系數(shù)為一常數(shù)。
當(dāng)?shù)蜏貤l件下，計量準(zhǔn)確度出現(xiàn)偏移，儀表系數(shù)產(chǎn)生變化，說明 T rm ，T rf 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，主要研究內(nèi)容如下 ：
a）通過選擇同一種軸承，在不同溫度下，對有油與無油軸承性能的變化給渦輪流量計帶來的計量性能影響進(jìn)行研究。
b）通過采用同一種軸承，在不同的溫度下，對不同潤滑油性能的變化給渦輪流量計帶來的計量性能影響進(jìn)行研究。
3 試驗(yàn)比對
3.1 試驗(yàn)一
3.1.1 方案
該方案的目的是為驗(yàn)證氣體渦輪流量計中的軸承有無油的條件下的不同溫度下的計量性能。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的影響，對 1 號潤滑油進(jìn)行以下兩組比對試驗(yàn)，每組兩臺 ：
1）常油 ：即對軸承的油脂不做任何處理，試驗(yàn)該流量計在 -25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計量示值誤差及重復(fù)性。
2）無油 ：清洗軸承使其沒有油脂，試驗(yàn)該流量計在 -25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計量示值誤差及重復(fù)性。
3.1.2 測試數(shù)據(jù)
結(jié)論 ：從圖 3 無油與常油的比對測試中發(fā)現(xiàn) ：
1）無油時，低溫對計量影響較小，計量示值誤差滿足設(shè)計要求。
2）常油的流量計測試結(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)證氣體渦輪流量計采用 2 號和 3號油后，不同溫度下的計量性能。
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的影響，通過對 2 號和 3 號潤滑油進(jìn)行以下兩組比對試驗(yàn)，每組兩臺 ：
1）清洗軸承使其沒有油脂，再添加 2 號潤滑油，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)該流量計在 -25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計量示值誤差及重復(fù)性，結(jié)果如圖 4。
2）清洗軸承使其沒有油脂，再添加 3 號潤滑油，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)該流量計在 -25℃、-10℃、+20℃、+55℃下的計量示值誤差及重復(fù)性，結(jié)果如圖 4。
3.2.2 測試數(shù)據(jù)
結(jié)論，從圖 4 的比對測試中發(fā)現(xiàn) ：
1）不同特性的油對氣體渦輪流量計的計量示值誤差不同。
2）通過使用 3 號油來潤滑，基本滿足設(shè)計要求。
4 總結(jié)
通過以上試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)氣體渦輪流量計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)。通過試驗(yàn)分析，氣體渦輪流量計需要潤滑劑潤滑才能長時間的正常工作，在低溫下會出現(xiàn)渦輪潤滑油低溫性能不好，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，使用抗低溫潤滑油可以從一定程度上解決此類問題的發(fā)生，保證氣體渦輪流量計的誤差在合格范圍之內(nèi)。
在實(shí)際低溫極限條件下的影響 ：①會對氣體渦輪流量計的機(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)計時降低低溫對機(jī)械部件的影響 ；②管道會產(chǎn)生冰渣、冰顆粒，對渦輪流量計造成沖擊、卡死等。建議 ：①廠家應(yīng)提供適當(dāng)?shù)目沟蜏貪櫥�，用戶在使用時也應(yīng)當(dāng)按時加注符合要求的專業(yè)潤滑油 ；②在 0℃以下的管道應(yīng)該增加一些伴熱設(shè)備，保證管道溫度不會太低，#好不要低于 0℃。
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