高压气体涡轮流量计的研制.doc

1 高压气体涡轮流量计的研制高压气体涡轮流量计的研制 潘友艺 1 杨国芬1 林尚喜1 2 潘承泽1 钱月明1 1 天信仪表集团有限公司 浙江 苍南 325800 2 上海理工大学 上海 200930 摘要 摘要 阐述高压气体涡轮流量计研制的意义和设计依据 并介绍高压涡轮流量计 的工作原理 结构特点 性能测试 计量特性等 以此证明研制的高压气体涡轮流量 计可以作为贸易计量应用在高压管线上 关键词关键词 涡轮流量计 高压 性能测试 线性 偏移 Development of High Pressure Gas Turbine Flowmeter Pan Youyi1 Yang Guofen1 Lin Shangxi1 2 Pan Chengze1 Qian Yueming1 1 Tancy Instrument Group CO LTD Cangnan Zhejiang 325800 China 2 University of Shanghai for Science and Technology Shanghai 200930 China Abstract Described the development of high pressure gas turbine flowmeter s meaning and design consideration and introduced the working principle of the high pressure turbine flowmeter structural features performance testing and measurement characteristics etc results indicated that the high pressure gas turbine flowmeter we made can be used in measuring trade on high pressure pipeline Keywords Gas turbine flowmeter High pressure Performance testing Linearity Offset 1 引 言 天然气作为重要的洁净能源 近几年在城市中的应用迅猛发展 在当今市场经济的体制下 人 们对经济效益的日益重视 作为供气 用气双方进行贸易结算依据的计量问题日益突显起来 1 特 别对高压天然气的计量形势尤为严峻 计量就是计钱 的观念深入人心 而世界能源供求日益紧 张 人们都十分关心并寻求一种精度高 适应性强的流量计来测量天然气流量 以减少 避免天然 气贸易纠纷 目前国内涡轮流量计生产厂家均是与中低压为主 对高压的涉及较少 规格种类繁多 结构复杂 供油系统 防冲击结构等因素均是直接影响流量计使用寿命 以此同时 我司为了顺应 国家能源安全的战略部署 保证国家能源输运安全 响应建设 创新型 国家的发展战略 开发拥 有自主知识产权且满足工业性应用要求的高精度高压涡轮流量计 作者简介 潘友艺 1964 男 汉族 浙江苍南人 副总工程师 主要从事工业贸易计量仪器仪表以及配套产品 设计研发 Email panyouyi 2 2 涡轮流量计的工作原理与流量特性 2 1 工作原理工作原理 气体涡轮流量计是一种带机械计数器并用于精确测量气体流量的流量计 其工作原理如图 1 所 示是 当气流进入流量计时 首先经过特殊整流器整流并加速 在流体的作用下 涡轮克服阻力矩 开始转动 当力矩达到平衡时涡轮转速稳定 此时其转速与气体工况流量成正比 并通过齿轮减速 传动以及磁耦合联接驱动字轮计数器转动 直接累积气体的工况体积总量 图 1 高压涡轮流量计工作原理示意图 因通过涡轮的流量与涡轮转速成正比 高频信号脉冲输出频率 f 与涡轮转速存在下列关系 2 1 fnZ 式中 涡轮转速 r s n 涡轮叶片数 Z 脉冲频率 Hz f 对一定精度的流量计而言 在一定的流量范围内 其仪表系数 K 应接近常数 理论上仪表系 数 K 与体积流量成如下关系 即q 2 qfK 将 1 代入 2 中 可得出 3 KfqnZ q 式中 仪表系数 为工况条件下每立方米通过流量传感器时输出的脉冲数 K 3 1 m 工况体积流量 q 3 ms 综上所述 仪表系数 K 在实际上除涡轮导程 叶片数 叶片宽度 螺旋升角 流量计流体通 道等结构因素有关外 还与介质流体粘性 轴承本身阻尼 轴承润滑油粘度等有关 若以上其中一 种或几种相关因素发生改变 则仪表系数 K 就会相应改变 故每台流量计均应通过检定得出仪表 系数 2 2 流量特性介绍流量特性介绍 关系曲线称为涡轮流量计的流量特性曲线 理论上 关系应是一条水平直线 但qK qK 实际上由于在不同的流动状态下 流体产生阻力机理不同 效果也不同 所以使特性曲线成为曲线 形状 以 DN50 为例 如图 2 所示 3 图 2 流量特性曲线 由图 2 可见 仪表系数可分为二段 即线性段和非线性段 在非线性段 实际特性受轴承摩 擦力 流体粘性阻力影响较大 当流量低于时 仪表系数随着流量迅速变化 压力损失与流 min Q 量的平方成正比关系 通常线性段约为工作段的三分之二 其特性与涡轮结构参数及流体粘性有关 随流量的变化其仪表系数 K 也会有一定的变化 但变化不大 通常将其变化幅度称为流量计的计 量准确度 对于产品设计而言 我们期望能将线性段的流量范围拓展 一台流量计能覆盖同口径的 不同流量范围 使得产品量程比变宽从而降低生产管理与生产批量加工成本 对于 1 0 级的高压气 体涡轮流量计 以为分界流量点 将计量线性分为两段 其中一段的最 tmax Q 0 2Q min QQ Qt 大允许误差为 而另一段的最大允许误差为 按图 2 所示 通常每台涡2 max QQQ t 1 轮流量计均有较为相似特性曲线 若可将可测量流量范围做宽 就能在同口径不同流量范围进行分 段截取 以实现一台流量计能覆盖同口径的不同流量范围 3 高压涡轮流量计研制 高压涡轮流量计主要是由锻钢壳体 表芯总成 机械显示计数器 高压油泵 高低频信号输出 按客户要求选配 等组成 根据 EN12261 要求 设计高压涡轮流量计内部结构 外观等并对壳 体与轴承进行设计计算 研究高压供油系统的结构设计 避免轴承润滑油回流等不良现象 研究涡 轮防冲击结构设计 缓冲因流量波动引起瞬间冲击力 研究双向增计数的新型机械计数器 主要解 决了流量计由于其单向计数的特性 而导致倒置安装时出现计数不增反减的问题 3 1 壳体与轴承设计计算壳体与轴承设计计算 壳体作为主要的承压零部件 应进行强度校核计算 并可将其视为钢管 并根据标准 GB50316 与 GB150 中相关规定 计算壁厚计算公式 s t 4 PYE PD t j t o s 2 式中 计算厚度 mm s t 设计压力 MPa P 4 管子外径 mm o D 在设计温度下材料的许用应力 MPa t 焊接接头系数 j E 计算系数Y 以 DN50 PN100 为例 将壳体设计参数代入 4 中直接得出壁厚 故实际设计壁厚8 s tmm 安全系数 设计壁厚才能满足设计要求 sds ts t 3s 取24mm sd t 而对于转速较高的轴承 轴承可靠度为 90 轴承材料为常规材料 其基本额定动载荷计算公 式如下 3 5 P ff fff C Tn dmh 式中 C 基本额定动载荷计算值 N P 当量动载荷 N 寿命因数 h f 速度因数 n f 力矩载荷因数 力矩载荷较小并取值为 1 5 m f 冲击载荷因数 d f 温度因数 T f 其中当量动载荷 P 的计算公式如下 6 ra PXFYF 式中 P 当量动载荷 N 径向载荷 N r F 轴向载荷 N a F X 径向动载荷系数 Y 径向动载荷系数 将选型轴承的参数代入 5 6 中直接得出基本额定动载荷 C 而选型轴承的动载荷Cr 必须大于基本额定动载荷 C 才能满足设计要求 3 2 高压供油系统高压供油系统 流量计所需轴承润滑油必须在内部密封 持久 免维护或者采用外部注入的方式 高压涡轮流 量计结构设计应采取外部注入方式进行润滑轴承 该方式必须克服高压气体对润滑油管反作用力 压力越高 反作用力越强 对供油系统提出更高的要求 目前行业内的中低压供油结构已不适用 可能会引起润滑油回流或密封圈提前失效等问题 应研制一种高压供油系统 其主要是通过手动油 5 泵将润滑油从油杯注入注油腔中 而注油腔中的润滑油是通过两只阻回流单向阀以及内置供油管路 将润滑直接注入需润滑轴承附近的储油区内 而手动油泵是由手柄 油泵座 油杯 活塞 O 型密 封圈等组成 该结构设计的亮点在于采用两只单向阀其一内置油泵 另一嵌入管道 实现双重阻回 流功能 并提高高压管道供油可靠性 而且将所有油管内置 该供油管路设计结构简单 紧凑 实 现一体化润滑 顺利解决生产过程与搬运物流对外部引油管路造成伤害 3 3 涡轮防冲击与高频信号检测系统涡轮防冲击与高频信号检测系统 为了减缓流量波动 管道震动对涡轮生产瞬间冲击力 研究计量芯的内部结构 通常计量芯中 前后轴承均是径向旋转作用 对瞬间冲击力的承受能力有限 若操作不当 对流量计寿命与精度影 响甚大 考虑以上因素 对计量芯内部结构进行改进 将主轴的前后轴承作用力分开 前轴承为径 向旋转作用 后轴承为轴向推力作用 后轴承也可与推力轴承或波纹垫圈配合使用 能有效的抑制 流体瞬间冲击力 并配合涡轮形成反向推力 能较快将涡轮调整至平衡状态 从而改善涡轮流量计 的寿命与精度 目前国内外取高频信号传感器频率最高大概为 2000 赫兹 而且大部分制造商采取穿过流体通 道的方式插入计量芯内部实现信号采取 此方式会引起高 低频检定的示值误差不一致 而我司目 前使用的新型高频旋转检测传感器是通过专业生产厂家特殊定制 所采集的信号是通过涡轮的叶片 放大的 对流体通道无任何影响 其频率最高能达到 3500 赫兹或者更高 通过该传感技术的应用 并采用新型信号处理放大技术和独特的滤波技术 有效地剔除压力波动和管道振动所产生的干扰信 号 提高流量计的抗干扰能力 从而克服了因频率高而丢失信号的难题 提高产品对小流量的灵敏 度和精度 更便于用户高频检定操作等 3 4 双向增计数的新型机械计数器双向增计数的新型机械计数器 目前市场上的机械计数器计数均为正向进气时计数器正向计数 反向进气时计数器反走 而带 单向计数功能的涡轮流量计是一种能够在涡轮流量计左进右出进气 垂直安装 水平安装条件下均 能满足单向计数 单向计数可分为正向计数与反向计数 按目前市场需求 此单向计数便是通常所 说的正向计数 然而 在燃气计量市场中也部分投机分子为了盗气等原因将涡轮流量计倒置安装 使得单向计数器的计数不增反退 为了避免上述问题再次出现 设计具有自主知识产权带双向增计 数功能的新型涡轮流量计 其包括涡轮流量计基表 上磁耦合组件 主轴 主锥齿轮 锥齿轮组件 和计数字轮组件等 双向增计数功能实现如图 3 所示 主要是通过增加单向轴承的数量 并对称分 布在主锥齿轮的两侧 通过单向轴承与锥齿轮的紧配合 实现正反进气情况下始终有一只单向轴承 通过其单向特性带动驱动轴转动 并由驱动轴带动另一只因反向而发生自锁的单向轴承转动 保证 图 3 主轴正反转示意图 6 驱动轴始终沿一个方向转动 从而保证即使倒置安装 机械计数也会只增不减 该结构设计也能有 效解决因管道震动 齿轮反向间隙而引起机械显示不整齐等问题 4 高压涡轮流量计的性能测试 该流量计的研制以欧盟标准 EN 12261 2002 Measurement of natural gas flow by turbine meters 与 OIML R137 1 作为产品设计依据并严格按照标准进行性能测试 该性能测试包括 耐久性试验 弯矩与扭矩试验 短时过载试验 扰动试验 高低温性能测试等 本文详细介绍耐久性试验 弯矩 与扭矩试验 4 1 耐久性测试耐久性测试 涡轮流量计进行耐久性测试的目的在于确认流量计在指定条件下 额定的使用寿命里的计量性 能是否符合上述的分段要求 即 min max QQ Q2 QQQ 1 t t 还需确认各种安装位置是否影响测试样机的计量性能 安装位置可分为 水平方向 垂直向上 与垂直向下 而且不同安装位置样机在耐久性测试前后的指示误差的变化量不得超过最大允许误差 的 1 3 整个耐久性测试以 DN80 G100 样机为例进行说明 首先是将三台样机分别安装在不同安装位 置的同一管道中 其管道是由 0 8MPa 压缩气体为介质以样机最大流量进行循环运行 以每 1000h 为运行周期将样机拆卸并在标准气体流量装置做相应性能测试 经过 7000h 运行如图 4 所示 图 4 耐久性测试数据图表 从图 4 分析可知 该测试样机满足耐久性测试要求 指示误差的变化量未超过最大允许误差的 1 3 轴承经过长时间运行磨合更趋于稳定 长期运行后非线性段更趋于理想特性曲线 4 2 弯矩与扭矩测试弯矩与扭矩测试 7 图 6 常压与高压数据比对 对于高压涡轮流量计来说 还 应当详细说明流量计所需求的弯曲 与扭力力矩的保护水平 此数据是 通过试验直接获得 弯矩测试装置 如图 5 a 所示 直管段 1 连接气体 流量标准装置 在直管段2预先确 定的力臂 L 位置附加垂直方向的 力 F 而形成弯矩 M 扭矩测试装 置如图 5 b 所示 直管段 1 连接气 体流量标准装置 在直管段 2 侧面预先 确定的力臂 L 位置附加垂直方向的力 F 而形成扭矩 T 而弯矩与扭矩均是作用于流量计入口与出口 法兰处 由于此项测试主要针对流量计强度的校核 为了更有说服力 提高可靠性 故将铝合金壳 体的中低压涡轮流量计 DN80 G100 用于此次测试 而整个测试过程是将砝码 F 按 EN12261 表 10 中要求 1 倍 2 倍直至做到 4 倍 即力矩为 3040 未发现流量计壳体有任何异常变化 而N m 测试结果表明在施加砝码 F 之间 过后得到的指示误差与施加砝码 F 之前的指示误差未有明显变化 4 3 第三方高压实流检定测试第三方高压实流检定测试 为了确认高压涡轮流量计在高压气体 介质中计量性能是否满足工业贸易计量要 求 将多台 DN80 G160 样机发往第三方检 测机构国家石油天然气大流量计量站南京 分站进行 6MPa 实流检定 检定合格 准 确度等级为 1 0 级 相对于常压检定数据样 机的仪表系数 K 有所偏移 但仍在允许误 差范围内 其中南京分站使用小流量标准 装置对编号为 131228041 的 DN80 涡轮流量计进行检定 该样机在常压与高压检定比对数据如图 6 所示 而流量计的仪表系数 K 的计算如下 7 maxmin 2 ii KK K 式中 K 流量计的仪