淺談渦輪流量計特性的影響因素

段修全

濟寧市計量測試所 山東濟寧 272000

目前國內實流標定流量計主要有兩種方式：①以天然氣為工作介質的直排方案，利用輸氣管線上游的自身壓力和氣量，在正壓下標定流量計，之后工作介質進入低壓管線或下游低壓區；②以空氣為工作介質在常壓下標定。為了盡可能接近天然氣流量計的實際工況，我國建立了9 個國家石油天然氣大流量計量站(截至2019 年7 月)用于解決高壓天然氣流量計的實流標定與量傳溯源問題。然而，隨著天然氣供求的高速增長，上述國家級天然氣實流檢定站的產能無法滿足城市管網和地區輸配氣干線上中高壓天然氣流量計的周期性檢定需求。因此，渦輪流量計在不同介質、不同工況條件下的準確度差異受到了天然氣工業和流量測量學術界的關注。特別是使用常壓空氣標定的數據結果或檢定結論是否適用于天然氣渦輪流量計存在爭議[1]。

1 流量測量原理

渦輪流量計是利用被測流體的流量與渦輪旋轉角速度成正比的原理實現流量測量的。渦輪傳感器可將渦輪旋轉的角速度轉化成脈沖信號輸出，該脈沖信號經過適當處理即可被單片機捕獲，經過計算后可得到被測流體的瞬時流量和累積流量。

2 實況分析

2015--2018 年，某研究院對兩家生產商共32 臺進口天然氣渦輪流量計實施檢定，流量計入關前都在德國國家高壓天然氣流量標準裝置（Pigsar）進行了實流標定，其中制造商A 提供了8 臺DN200mm 流量計（標定壓力為2．1MPa），制造商B 提供了10 臺DNl50mm（標定壓力為5MPa）和14 臺DN250mm流量計（其中7 臺在2．4MPa 壓力下標定，另7 臺在5MPa 壓力下標定）。Pigsar 的主標準器是9 臺渦輪流量計，量程介于3 ～6500m3／h，裝置的擴展不確定度（Unel 為0．12%（包含因子k 為2），流量標準值是荷蘭一法國一德國統一參考值（HarmonizedReferenceValue）。盡管測量期較長，兩個標準裝置的工作介質和工況均比較穩定，當工作壓力介于2．3 ～2．4MPa時，天然氣動力黏度（u）為1．18×10-5Pa·S；當工作壓力介于4．8 ～5．0MPa 時，u 為1．28×10-5Pa·s。常壓空氣裝置的溫度介于19 ～21℃，實驗室壓力介于0．1003 ～0．1013MPa 時，u 為1．81×10-5Pa·S。鑒于同一制造商相同口徑流量計的型號規格相同，篩選出具有代表性的標定數據，繪制成體積流量一誤差曲線。同一流量計在高壓天然氣裝置與常壓空氣裝置下的誤差曲線存在差異，在分界流量點（qt）為0．2g 以下時，常壓空氣下出現“駝峰區”，導致差異較大。大口徑（DN250mm）渦輪流量計在空氣裝置下的駝峰效應減弱，駝峰點處的差異減小。渦輪流量計在高壓天然氣下的體積流量一誤差曲線基本呈現良好的線性趨勢。然而在常壓空氣工況下，某一類型的DN250mm 流量計在駝峰點以下的誤差隨流量的減小急劇下降，導致高壓天然氣與常壓空氣的誤差最大差異出現在最小流量點及其附近的始動流量區，最大相差1．4%。從點對點誤差對比來看，不同的流量計規格、不同工作壓力下展現出來的兩條誤差曲線差異各不相同，有的差異并不大，有的差異超過1%，誤差曲線的形狀也完全不同。

3 于雷諾數的誤差對比與分析

渦輪流量計基于雷諾數的誤差雷諾數對比，兩條誤差線分別處于兩個不同的流動特征區域，并不具有可比性，而是反映了該流量計的準確度隨雷諾數變化的情況。此外，由于流量計的體積流量量程范圍一定而工況壓力不同，常壓雷諾數上限與高壓雷諾數的下限存在間隔，且工況壓力相差越小，間隔越小。隨著間隔差距縮小，誤差越來越接近，DN200mm 和DIN250mmm（2．4MPa 天然氣）流量計的誤差隨雷諾數呈現幾乎連續的變化，符合表征的物理意義，即：流體阻力項在分界流量以上的區域起主要作用，流量計示值誤差僅與雷諾數有關。若上述間隔的雷諾數差距在可接受的范圍內，則可以進行常壓空氣與高壓天然氣之間點對點的誤差比較，但是受當前實驗條件所限，數據并不支持這樣的對比。因此，增加了高壓空氣下的標定實驗。一臺經過常壓空氣標定的DNl00ITLrn 渦輪流量計分別在德國一家企業的高壓空氣（1．6MPa、2．6MPa）環道（2 ～1600m3／h，Unel=0．20%，k=2）和德國國家高壓天然氣流量標準裝置（Pigsar，5．1MPa）進行標定。0．1MPa 常壓空氣的上限和2．6MPa 高壓空氣的下限雷諾數差距為2．72×104，兩者對應的誤差相差0．24%，小于兩套裝置的合成擴展不確定度0．25%。3 個空氣（0．1MPa、1．6MPa 和2．6MPa）的測量結果出現兩段雷諾數重疊，重疊區內誤差僅有不到0．2%的差異。高壓空氣（2．6MPa）和高壓天然氣（5．1MPa）的部分誤差數據在點對點比較中差異小于0．1%。 與之相較，不同工作介質引起的差異很小[2]。

4 結語

影響渦輪流量計準確度的相關特性是工作介質的運動黏度，由于運動黏度的密度依賴性，氣體渦輪流量計的性能主要受到工況壓力的影響。如果兩個工況壓力相差大于4 倍，那么渦輪流量計在相應工況下的誤差數據不具有可比性，所以常壓下的標定結果不能反映該流量計在0．4MPa 以上工況的計量性能，標定的數據也不能用于流量計的校準。在分界流量以上區域，渦輪流量計的誤差僅隨雷諾數變化，工況壓力增加所對應的誤差數據可以認為是對流量計準確度性能的連續延拓[3]。因此，基于雷諾數重疊可以估計其他相近壓力(或其他工作介質)的誤差。