浅谈涡轮流量计特性的影响因素

段修全

济宁市计量测试所 山东济宁 272000

目前国内实流标定流量计主要有两种方式：①以天然气为工作介质的直排方案，利用输气管线上游的自身压力和气量，在正压下标定流量计，之后工作介质进入低压管线或下游低压区；②以空气为工作介质在常压下标定。为了尽可能接近天然气流量计的实际工况，我国建立了9 个国家石油天然气大流量计量站(截至2019 年7 月)用于解决高压天然气流量计的实流标定与量传溯源问题。然而，随着天然气供求的高速增长，上述国家级天然气实流检定站的产能无法满足城市管网和地区输配气干线上中高压天然气流量计的周期性检定需求。因此，涡轮流量计在不同介质、不同工况条件下的准确度差异受到了天然气工业和流量测量学术界的关注。特别是使用常压空气标定的数据结果或检定结论是否适用于天然气涡轮流量计存在争议[1]。

1 流量测量原理

涡轮流量计是利用被测流体的流量与涡轮旋转角速度成正比的原理实现流量测量的。涡轮传感器可将涡轮旋转的角速度转化成脉冲信号输出，该脉冲信号经过适当处理即可被单片机捕获，经过计算后可得到被测流体的瞬时流量和累积流量。

2 实况分析

2015--2018 年，某研究院对两家生产商共32 台进口天然气涡轮流量计实施检定，流量计入关前都在德国国家高压天然气流量标准装置（Pigsar）进行了实流标定，其中制造商A 提供了8 台DN200mm 流量计（标定压力为2．1MPa），制造商B 提供了10 台DNl50mm（标定压力为5MPa）和14 台DN250mm流量计（其中7 台在2．4MPa 压力下标定，另7 台在5MPa 压力下标定）。Pigsar 的主标准器是9 台涡轮流量计，量程介于3 ～6500m3／h，装置的扩展不确定度（Unel 为0．12%（包含因子k 为2），流量标准值是荷兰一法国一德国统一参考值（HarmonizedReferenceValue）。尽管测量期较长，两个标准装置的工作介质和工况均比较稳定，当工作压力介于2．3 ～2．4MPa时，天然气动力黏度（u）为1．18×10-5Pa·S；当工作压力介于4．8 ～5．0MPa 时，u 为1．28×10-5Pa·s。常压空气装置的温度介于19 ～21℃，实验室压力介于0．1003 ～0．1013MPa 时，u 为1．81×10-5Pa·S。鉴于同一制造商相同口径流量计的型号规格相同，筛选出具有代表性的标定数据，绘制成体积流量一误差曲线。同一流量计在高压天然气装置与常压空气装置下的误差曲线存在差异，在分界流量点（qt）为0．2g 以下时，常压空气下出现“驼峰区”，导致差异较大。大口径（DN250mm）涡轮流量计在空气装置下的驼峰效应减弱，驼峰点处的差异减小。涡轮流量计在高压天然气下的体积流量一误差曲线基本呈现良好的线性趋势。然而在常压空气工况下，某一类型的DN250mm 流量计在驼峰点以下的误差随流量的减小急剧下降，导致高压天然气与常压空气的误差最大差异出现在最小流量点及其附近的始动流量区，最大相差1．4%。从点对点误差对比来看，不同的流量计规格、不同工作压力下展现出来的两条误差曲线差异各不相同，有的差异并不大，有的差异超过1%，误差曲线的形状也完全不同。

3 于雷诺数的误差对比与分析

涡轮流量计基于雷诺数的误差雷诺数对比，两条误差线分别处于两个不同的流动特征区域，并不具有可比性，而是反映了该流量计的准确度随雷诺数变化的情况。此外，由于流量计的体积流量量程范围一定而工况压力不同，常压雷诺数上限与高压雷诺数的下限存在间隔，且工况压力相差越小，间隔越小。随着间隔差距缩小，误差越来越接近，DN200mm 和DIN250mmm（2．4MPa 天然气）流量计的误差随雷诺数呈现几乎连续的变化，符合表征的物理意义，即：流体阻力项在分界流量以上的区域起主要作用，流量计示值误差仅与雷诺数有关。若上述间隔的雷诺数差距在可接受的范围内，则可以进行常压空气与高压天然气之间点对点的误差比较，但是受当前实验条件所限，数据并不支持这样的对比。因此，增加了高压空气下的标定实验。一台经过常压空气标定的DNl00ITLrn 涡轮流量计分别在德国一家企业的高压空气（1．6MPa、2．6MPa）环道（2 ～1600m3／h，Unel=0．20%，k=2）和德国国家高压天然气流量标准装置（Pigsar，5．1MPa）进行标定。0．1MPa 常压空气的上限和2．6MPa 高压空气的下限雷诺数差距为2．72×104，两者对应的误差相差0．24%，小于两套装置的合成扩展不确定度0．25%。3 个空气（0．1MPa、1．6MPa 和2．6MPa）的测量结果出现两段雷诺数重叠，重叠区内误差仅有不到0．2%的差异。高压空气（2．6MPa）和高压天然气（5．1MPa）的部分误差数据在点对点比较中差异小于0．1%。 与之相较，不同工作介质引起的差异很小[2]。

4 结语

影响涡轮流量计准确度的相关特性是工作介质的运动黏度，由于运动黏度的密度依赖性，气体涡轮流量计的性能主要受到工况压力的影响。如果两个工况压力相差大于4 倍，那么涡轮流量计在相应工况下的误差数据不具有可比性，所以常压下的标定结果不能反映该流量计在0．4MPa 以上工况的计量性能，标定的数据也不能用于流量计的校准。在分界流量以上区域，涡轮流量计的误差仅随雷诺数变化，工况压力增加所对应的误差数据可以认为是对流量计准确度性能的连续延拓[3]。因此，基于雷诺数重叠可以估计其他相近压力(或其他工作介质)的误差。