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探討氣體渦輪流量計在不同溫度下的計量性能
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探討氣體渦輪流量計在不同溫度下的計量性能

時間:2022-12-05 15:17:18

 天然氣作為一種清潔、低排放的高效能源,已在我國大規模地發展,與之相關的天然氣流量計也在各行各業中得到廣泛應用。氣體渦輪流量計作為天然氣流量計量的一種表具,使用量越來越大,使用環境也是越來越復雜,從炎熱的海南到寒冷的齊齊哈爾都有大量使用。氣體渦輪流量計有較好的穩定性和重復性,但北方地區有用戶反映經過溯源后的儀表開始使用正常,在天氣變冷后渦輪流量計的計量出現了計量不準確的情況。通常情況下,氣體渦輪流量計的工作范圍較寬,一般情況下溫度變化對計量性能的影響較小。但在北方地區冬季的低溫環境的確影響到了氣體渦輪流量計的計量性能,從而容易在使用的過程中產生計量、貿易結算的糾紛。N25壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
1 驗證氣體渦輪流量計在不同溫度下的計量性能
為了更好地了解氣體渦輪流量計在不同環境下的計量性能,為能夠通過歐盟認證,依據 EN12261 的標準,市面上出現了一套可以檢定渦輪流量在不同溫度和濕度下的計量性能的標準表法氣體流量檢定裝置。該裝置的基本原理為:
①將被檢流量計放置在可調整溫度和濕度的實驗艙中,而標準流量計放置在恒溫恒濕車間,溫度在 20℃左右,再通過管道和熱交換器與被檢流量計相連接 ;②流量計的瞬時流量通過變頻器控制,實現穩定流量的運行 ;③通過采集系統分別采集被檢流量計和標準流量的脈沖信號、壓力值、溫度值 ;④#后,通過中心控制系統進行統一控制、計算,從而輸出檢定結果 ;⑤設備的準確度等級通過標準表、壓變、溫變等計量相關的設備溯源以及傳遞表的比對,驗證該裝置滿足試驗的要求。不同溫度氣體渦輪流量計的計量性能試驗方法 :選擇 3 臺 DN80 的氣體渦輪流量計在 -25℃、-10℃、5℃、30℃、55℃溫度下進行測試。
 
3 臺流量計檢定數據轉化為線性如圖 1。從以上數據的線性圖看,得出結論 :
1)氣體渦輪流量計計量性能受環境溫度的影響。
2)同臺流量計在相同的流量點下,隨著溫度越低,流量計量示值誤差負偏就越大 ;溫度越高,流量計示值誤差正偏就越大。
3)高溫下的示值誤差影響小于低溫下的示值誤差影響。
4)流量計在大流量條件下,影響比較小,基本滿足計量性能。
 
2 影響因素分析
2.1 氣體渦輪流量計的工作原理
氣體渦輪流量計由整流器、葉輪、計量芯組件、油泵、磁耦合、機械計數器、低頻脈沖發生器、殼體及體積修正儀組成,如圖 2 為機械結構圖。工作原理 :當氣流進入流量計時,shou先經過好立機芯的前導流體并加速。在流體的作用下,由于渦輪葉片與流體流向成一定角度,此時渦輪產生轉動力矩,在渦輪克服阻力矩和摩擦力矩后開始轉動。
氣體渦輪流量計機械結構圖
當諸力矩達到平衡時,轉速穩定。渦輪轉動角速度與氣體工況流速成線性關系,并由高頻信號模塊輸出與工況體積流量成正比的脈沖信號,與壓力、溫度傳感器所檢測的壓力、溫度信號一起輸出給體積修正儀進行計算處理,可實現瞬時流量和累積總量的計量,加溫度和壓力補償時可實現標準狀態的瞬時流量和累積總量的計量。
 
2.2 計量性能的影響因素
根據氣體渦輪流量計的計量原理、計算公式,分析在不同溫度下,影響計量性能的變量有哪些,以便更好地找到根本原因。詳細的公式和分析如下 :
1)流量與頻率的方程 :
公式1
式(1)中 :q v ——瞬時流量,m 3 /h ;f——脈沖頻率,Hz ;K——儀表系數,m -3 。
2)渦輪流量計的數學模型 :
公式2
式(2)中 :Z——渦輪葉片數 ;θ——流體流動方向與葉片的夾角 ;r——葉片的平均半徑 ;A——流通截面積 ;ρ——流體密度 ;T rm ——機械摩擦阻力矩 ;T rf ——流體對渦輪的阻力矩。
 
由公式(1)與公式(2)得到 :
公式3
 
當理想狀態時,T rm =0,T rf =0,計量性能僅與儀表結構參數有關,與流量變化無關,儀表系數為一常數。
 
當低溫條件下,計量準確度出現偏移,儀表系數產生變化,說明 T rm ,T rf 不為零,所以低溫性能的主要影響因素是摩擦阻力矩。而摩擦阻力矩主要有 :軸承、軸、軸承的潤滑油等在高低溫情況下的機械形變及性能的變化。因此,主要研究內容如下 :
a)通過選擇同一種軸承,在不同溫度下,對有油與無油軸承性能的變化給渦輪流量計帶來的計量性能影響進行研究。
b)通過采用同一種軸承,在不同的溫度下,對不同潤滑油性能的變化給渦輪流量計帶來的計量性能影響進行研究。
 
3 試驗比對
3.1 試驗一
3.1.1 方案
該方案的目的是為驗證氣體渦輪流量計中的軸承有無油的條件下的不同溫度下的計量性能。采用目前性能較穩定的、精選性能一致的軸承,以消除軸承間性能差別所帶來的影響,對 1 號潤滑油進行以下兩組比對試驗,每組兩臺 :
1)常油 :即對軸承的油脂不做任何處理,試驗該流量計在 -25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計量示值誤差及重復性。
2)無油 :清洗軸承使其沒有油脂,試驗該流量計在 -25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計量示值誤差及重復性。
 05常油與無油-示值誤差
3.1.2 測試數據
結論 :從圖 3 無油與常油的比對測試中發現 :
1)無油時,低溫對計量影響較小,計量示值誤差滿足設計要求。
2)常油的流量計測試結果,小流量負偏嚴重,影響較大。
3)軸承中的油是導致低溫性能負偏的重要因素。
 
3.2 試驗二
3.2.1 方案
該方案的目的是為驗證氣體渦輪流量計采用 2 號和 3號油后,不同溫度下的計量性能。
 
采用目前性能較穩定的、精選性能一致的軸承,以消除軸承間性能差別所帶來的影響,通過對 2 號和 3 號潤滑油進行以下兩組比對試驗,每組兩臺 :
 
1)清洗軸承使其沒有油脂,再添加 2 號潤滑油,在常溫下運行 2h,保證加油后的軸承性能滿足要求,試驗該流量計在 -25℃、-10℃、+5℃、+20℃、+30℃、+55℃下的計量示值誤差及重復性,結果如圖 4。
2)清洗軸承使其沒有油脂,再添加 3 號潤滑油,在常溫下運行 2h,保證加油后的軸承性能滿足要求,試驗該流量計在 -25℃、-10℃、+20℃、+55℃下的計量示值誤差及重復性,結果如圖 4。
 2號和3號油-示值誤差
3.2.2 測試數據
結論,從圖 4 的比對測試中發現 :
1)不同特性的油對氣體渦輪流量計的計量示值誤差不同。
2)通過使用 3 號油來潤滑,基本滿足設計要求。
 
4 總結
通過以上試驗結果分析,發現氣體渦輪流量計受溫度影響的程度不盡相同,主要表現為 :相同低溫下流量越小,負誤差就越大 ;相同流量下溫度越低,負誤差越大 ;高溫下相同流量下,溫度越高,正誤差就越大,但整體在合格范圍之內。通過試驗分析,氣體渦輪流量計需要潤滑劑潤滑才能長時間的正常工作,在低溫下會出現渦輪潤滑油低溫性能不好,導致黏度變化較大,阻力增強,降低低溫下渦輪軸承的旋轉速率,從而引起小流量受溫度影響較大的情況。從圖 4 的數據看,使用抗低溫潤滑油可以從一定程度上解決此類問題的發生,保證氣體渦輪流量計的誤差在合格范圍之內。
 
在實際低溫極限條件下的影響 :①會對氣體渦輪流量計的機械性能產生一定的影響,這是不能忽略的。儀表生產企業應當充分考慮到這種極限條件,在機械結構設計時降低低溫對機械部件的影響 ;②管道會產生冰渣、冰顆粒,對渦輪流量計造成沖擊、卡死等。建議 :①廠家應提供適當的抗低溫潤滑油,用戶在使用時也應當按時加注符合要求的專業潤滑油 ;②在 0℃以下的管道應該增加一些伴熱設備,保證管道溫度不會太低,#好不要低于 0℃。
 
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