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论文精选 高压气体涡轮流量计的研制

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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:涡轮流量计;高压;性能测试;线性;偏移

中图分类号:TH 文献标识码:A 文章编号:1671-1041(2015)04-0029-04


0 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以中低压为主,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。与此同时,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。


1 涡轮流量计的工作原理与流量特性

1.1 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: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

Fig.1 Schematic diagram of high-pressure turbine flowmeter

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 与涡轮转速存在下列关系[2]



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q成如下关系,即

将(1)代入(2)中,可得出

式中:K—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,1/m3 ;

          q—工况体积流量m3 s 。

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。


1.2 流量特性介绍

K—q关系曲线称为涡轮流量计的流量特性曲线。理论上, K—q关系应是一条水平直线,但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。



图2 流量特性曲线

Fig.2 Flow characteristic curve

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Qmin 时,仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量的平方成正比关系。通常线性段约为工作段的2/3,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,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Qt(0.2Qmax)为分界流量点,将计量线性分为两段,其中一段的最大允许误差为±2%,而另一段的最大允许误差为±1% 。按图2 所示,通常每台涡轮流量计均有较为相似特性曲线,若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。


2 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。


2.1 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ts 计算公式:


式中 ts—计算厚度(mm);

        P—设计压力(MPa);

        Do—管子外径(mm);

—在设计温度下材料的许用应力(MPa);

Ej —焊接接头系数;

Y—计算系数。

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, 安全系数s取≥ 3 , 设计壁厚 才能满足设计要求。

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]:




式中  P—当量动载荷,N;

         —径向载荷,N;

         —轴向载荷,N;

         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。


2.2 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油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;


2.3 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2000Hz,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3 500 Hz 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