气体涡轮流量计在不同温度下的计量性能研究

王荣晓，张守阳，章宦辉，李 杰，许小慧

（天信仪表集团有限公司，浙江 苍南 325800）

天然气作为一种清洁、低排放的高效能源，已在我国大规模地发展，与之相关的天然气流量计也在各行各业中得到广泛应用。气体涡轮流量计作为天然气流量计量的一种表具，使用量越来越大，使用环境也是越来越复杂，从炎热的海南到寒冷的齐齐哈尔都有大量使用。气体涡轮流量计有较好的稳定性和重复性，但北方地区有用户反映经过溯源后的仪表开始使用正常，在天气变冷后涡轮流量计的计量出现了计量不准确的情况。通常情况下，气体涡轮流量计的工作范围较宽，一般情况下温度变化对计量性能的影响较小。但在北方地区冬季的低温环境的确影响到了气体涡轮流量计的计量性能，从而容易在使用的过程中产生计量、贸易结算的纠纷。

1 验证气体涡轮流量计在不同温度下的计量性能

为了更好地了解气体涡轮流量计在不同环境下的计量性能，为能够通过欧盟认证，依据EN12261的标准，本司制作了一套可以检定涡轮流量在不同温度和湿度下的计量性能的标准表法气体流量检定装置。该装置的基本原理为：①将被检流量计放置在可调整温度和湿度的实验舱中，而标准流量计放置在恒温恒湿车间，温度在20℃左右，再通过管道和热交换器与被检流量计相连接；②流量计的瞬时流量通过变频器控制，实现稳定流量的运行；③通过采集系统分别采集被检流量计和标准流量的脉冲信号、压力值、温度值；④最后，通过中心控制系统进行统一控制、计算，从而输出检定结果；⑤设备的准确度等级通过标准表、压变、温变等计量相关的设备溯源以及传递表的比对，验证该装置满足试验的要求。

不同温度气体涡轮流量计的计量性能试验方法：选择3台DN80的气体涡轮流量计在-25℃、-10℃、5℃、30℃、55℃温度下进行测试。

3台流量计检定数据转化为线性如图1。

图1 不同温度下的示值误差Fig.1 Indication error at different temperatures

从以上数据的线性图看，得出结论：

1）气体涡轮流量计计量性能受环境温度的影响。

2）同台流量计在相同的流量点下，随着温度越低，流量计量示值误差负偏就越大；温度越高，流量计示值误差正偏就越大。

3）高温下的示值误差影响小于低温下的示值误差影响。

4）流量计在大流量条件下，影响比较小，基本满足计量性能。

2 影响因素分析

2.1 气体涡轮流量计的工作原理

气体涡轮流量计由整流器、叶轮、计量芯组件、油泵、磁耦合、机械计数器、低频脉冲发生器、壳体及体积修正仪组成，如图2为机械结构图。工作原理：当气流进入流量计时，首先经过独立机芯的前导流体并加速。在流体的作用下，由于涡轮叶片与流体流向成一定角度，此时涡轮产生转动力矩，在涡轮克服阻力矩和摩擦力矩后开始转动。当诸力矩达到平衡时，转速稳定。涡轮转动角速度与气体工况流速成线性关系，并由高频信号模块输出与工况体积流量成正比的脉冲信号，与压力、温度传感器所检测的压力、温度信号一起输出给体积修正仪进行计算处理，可实现瞬时流量和累积总量的计量，加温度和压力补偿时可实现标准状态的瞬时流量和累积总量的计量。

图2 气体涡轮流量计机械结构图Fig.2 Mechanical structure diagram of gas turbine flowmeter

2.2 计量性能的影响因素

根据气体涡轮流量计的计量原理、计算公式，分析在不同温度下，影响计量性能的变量有哪些，以便更好地找到根本原因。详细的公式和分析如下：

1）流量与频率的方程：

式（1）中：qv——瞬时流量，m3/h；f——脉冲频率，Hz；K——仪表系数，m-3。

2）涡轮流量计的数学模型：

式（2）中：Z——涡轮叶片数；θ——流体流动方向与叶片的夹角；r——叶片的平均半径；A——流通截面积；ρ——流体密度；Trm——机械摩擦阻力矩；Trf——流体对涡轮的阻力矩。

由公式（1）与公式（2）得到：

当理想状态时，Trm=0，Trf=0，计量性能仅与仪表结构参数有关，与流量变化无关，仪表系数为一常数。

当低温条件下，计量准确度出现偏移，仪表系数产生变化，说明Trm，Trf不为零，所以低温性能的主要影响因素是摩擦阻力矩。而摩擦阻力矩主要有：轴承、轴、轴承的润滑油等在高低温情况下的机械形变及性能的变化。因此，主要研究内容如下：

a）通过选择同一种轴承，在不同温度下，对有油与无油轴承性能的变化给涡轮流量计带来的计量性能影响进行研究。

b）通过采用同一种轴承，在不同的温度下，对不同润滑油性能的变化给涡轮流量计带来的计量性能影响进行研究。

3 试验比对

3.1 试验一

3.1.1 方案

该方案的目的是为验证气体涡轮流量计中的轴承有无油的条件下的不同温度下的计量性能。

采用目前性能较稳定的、精选性能一致的轴承，以消除轴承间性能差别所带来的影响，对1号润滑油进行以下两组比对试验，每组两台：

1）常油：即对轴承的油脂不做任何处理，试验该流量计在-25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的计量示值误差及重复性。

2）无油：清洗轴承使其没有油脂，试验该流量计在-25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的计量示值误差及重复性。

3.1.2 测试数据

结论：从图3无油与常油的比对测试中发现：

图3 05常油与无油-示值误差Fig.3 05 Normal oil and no oil-indication error

1）无油时，低温对计量影响较小，计量示值误差满足设计要求。

2）常油的流量计测试结果，小流量负偏严重，影响较大。

3）轴承中的油是导致低温性能负偏的重要因素。

3.2 试验二

3.2.1 方案

该方案的目的是为验证气体涡轮流量计采用2号和3号油后，不同温度下的计量性能。

采用目前性能较稳定的、精选性能一致的轴承，以消除轴承间性能差别所带来的影响，通过对2号和3号润滑油进行以下两组比对试验，每组两台：

1）清洗轴承使其没有油脂，再添加2号润滑油，在常温下运行2h，保证加油后的轴承性能满足要求，试验该流量计在-25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的计量示值误差及重复性，结果如图4。

2）清洗轴承使其没有油脂，再添加3号润滑油，在常温下运行2h，保证加油后的轴承性能满足要求，试验该流量计在-25℃、-10℃、+20℃、+55℃下的计量示值误差及重复性，结果如图4。

3.2.2 测试数据

结论，从图4的比对测试中发现：

1）不同特性的油对气体涡轮流量计的计量示值误差不同。

2）通过使用3号油来润滑，基本满足设计要求。

4 总结

通过以上试验结果分析，发现气体涡轮流量计受温度影响的程度不尽相同，主要表现为：相同低温下流量越小，负误差就越大；相同流量下温度越低，负误差越大；高温下相同流量下，温度越高，正误差就越大，但整体在合格范围之内。通过试验分析，气体涡轮流量计需要润滑剂润滑才能长时间的正常工作，在低温下会出现涡轮润滑油低温性能不好，导致黏度变化较大，阻力增强，降低低温下涡轮轴承的旋转速率，从而引起小流量受温度影响较大的情况。从图4的数据看，使用抗低温润滑油可以从一定程度上解决此类问题的发生，保证气体涡轮流量计的误差在合格范围之内。

图4 2号和3号油-示值误差Fig.4 No.2 and No.3 oil-indication error

在实际低温极限条件下的影响：①会对气体涡轮流量计的机械性能产生一定的影响，这是不能忽略的。仪表生产企业应当充分考虑到这种极限条件，在机械结构设计时降低低温对机械部件的影响；②管道会产生冰渣、冰颗粒，对涡轮流量计造成冲击、卡死等。建议：①厂家应提供适当的抗低温润滑油，用户在使用时也应当按时加注符合要求的专业润滑油；②在0℃以下的管道应该增加一些伴热设备，保证管道温度不会太低，最好不要低于0℃。