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渦輪流量計在天然氣計量中的應用

來源: 常德中石油昆侖燃氣有限公司,湖南省計量檢測研究院 作者:向偉君、曾 麟 發布日期:2020-05-13

 摘要: 渦輪流量計是一種具備溫度和壓力補償功能的速度式流量計量器具,具有準確度高、重復性好、量程比高、維修方便等優點,從而在石油、化工、冶金等領域應用廣泛。本文從渦輪流量計的特點、原理、類型、使用以及缺陷等 5 個方面介紹其在天然氣計量中的應用。

 
前言
       天然氣作為一種清潔能源在我國的能源戰略中占據著重要的地位,隨著國家西氣東輸管道的建成和城市燃氣管網的不斷完善,科學準確的天然氣貿易結算重要性凸顯。因為在準確度、重復性、零點漂移、量程比等方面具備顯著的優勢,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、導流片經過特殊設計,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,易于數字化;渦輪流量計的儀表系數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,還可以進行定量控制,超量報警等,因此在石油、液化氣、天然氣領域取得了廣泛的應用,本文主要從特點、原理、類型、應用以及不足等 5 個方面介紹氣體渦輪流量計在天然氣計量中的應用。 
 
1 氣體渦輪流量計的特點
       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用于天然氣計量中。
 
 1. 1 智能測量與補償
       氣體渦輪流量可直接測量氣體的標準體積或飽和蒸汽的質量流量并且獲得介質溫度與壓力的測量數據,對流量進行自動補償和壓縮因子自動修正。 
 
1. 2 制造工藝先進
       氣體渦輪流量計采用先進的微機技術與高性能的集成芯片,利用先進的微功耗高新技術,整機功耗低,既可憑內電池長期供電運行,又可由外電源供電運行,采用 LCD 顯示屏方便讀數,輸出脈沖信號,也可輸出(4 ~ 20)mA 的標準模擬信號。
 
 1. 3 自動化程度高
       具備通訊接口能夠與上位機進行通訊,一臺上位機可與多臺流量計進行通訊,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:當沿軸線流動的流體進入流量傳感器時,葉片迫使流體旋轉,然后在旋渦蔓生體的中心產生渦流。渦流在文丘里管中流動,到達收縮段后突然節流,從而加速。當渦旋進入擴散區時,回流迫使其進行二次旋轉。此時,渦流的旋轉頻率與介質的速度成線性正比。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,然后轉換為脈沖信號,其頻率與流速成正比。非常后,信號被發送到積分器進行計數和處理。
 
       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溫度測量值對應得到介質密度和壓力,完成介質的體積流量和質量流量的計算;還可按照氣態方程進行溫壓補償,并自動進行壓縮因子修正。
 
       對于機械計數器式渦輪流量計,計數器通過驅動機構旋轉并計數。對于使用電子流量積分器的流量計,代表渦輪轉速的脈沖信號通過旋轉的發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場顯示功能,僅將流量信號遠傳輸出。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 等計算機控制系統配合使用。
 
 3. 2 智能渦輪流量計
       智能渦輪流量計結合了渦輪流量傳感器和先進的超低功耗單片微機技術開發的顯示集成儀表,具有結構緊湊、可靠性高、抗外部電源干擾、防雷擊、成本低等優點。可現場進行儀表系數三點修正,智能補償儀表系數非線性,同時顯示瞬時流量、累積流量以及溫度、壓力等計量參數,具備數據實時存儲功能和防爆功能,特別適用于與 PLC、DCS 等計算機控制系統配合使用。
 
 4 氣體渦輪流量計的使用
       氣體渦輪流量計具有靈敏度高、重復性好、量程比大、精度高特點,因此廣泛用于天然氣流量測量中。
 
       當流量變化很大時,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,中大口徑可以達到 40∶ 1 到 10∶ 1,小口徑為 6∶ 1 或 5∶ 1。隨著天然氣計量技術的發展以及對天然氣貿易和交接計量要求的提高,氣體渦輪流量計既可以滿足貿易計量的要求,又可以滿足較寬的測量范圍。另外,它的設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行,在運行一段時間后逐步提高壓力,增大供應量,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。
 
       氣體渦輪流量計準確度高,普通流量計的準確度為( ±1 ~ ±1. 5)%,特殊專用型為( ± 0. 5 ~ ± 0. 2)%,但其準確度越高,對現場條件的要求越苛刻。渦輪流量計具有良好的重復性,短期重復性可達(0. 05 ~ 0. 2)%。如果定期校準,則可以獲得很高的準確度。
 
       氣體渦輪流量計結構緊湊輕巧、安裝維護方便、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。正因為具備以上優點,因此在天然氣貿易結算中是優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定的計量特性,需要定期檢定或者校準。對于貿易儲運和高準確度測量的要求,需要經常對流量計進行在線實流檢定以保持其特性,同時氣體密度對儀表準確度有較大影響,由于密度與溫度和壓力密切相關,現場溫度和壓力的波動是不可避免的,應根據其對流量計計量特性的影響程度采取補償措施,以保持高精度。因此保持渦輪流量計準確度的同時,需要對現場溫度、壓力進行定期校準和補償,從而確保天然氣管道貿易計量的準確性。
 
       流量計受速度分布和旋轉流的畸變影響很大。傳感器的上下兩側需要設置長直管段。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、維護增加。
 
 6 小結
       氣體渦輪流量計是一種速度流量計,具有精度高、重復性好、無零漂移、量程比大等優點。采用先進的超低功耗單片微機技術研制的渦輪流量計,特別適合與計算機控制系統(例如 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;短期重復性可達(0. 05 ~ 0. 2)% ,如經常校準或在線校準可得極高的準確度;安裝維護方便,流通能力大適用高壓測量,在天然氣管道貿易結算中是優先選用的流量計;然而氣體密度對流量計準確度有較大影響,需要定期校準。

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