天然氣流量計

一、天然氣流量計概述

①技術(shù)特點(diǎn)

1.無(wú)可動(dòng)件,結構簡(jiǎn)單、牢固,壽命長(cháng).

2.測量范圍寬.在測量范圍內,儀表常數的精確不受介質(zhì)溫度、壓力、粘度、密度的影響，所以,儀表適應的介質(zhì)種類(lèi)多.

3.壓力損失小。適合于測量中高流速范圍的液體、氣體及蒸汽。不適于在低流速范圍內使用，不適于高粘度液體。

②天然氣流量計包括以下不同功能產(chǎn)品

1.現場(chǎng)顯示天然氣流量計

2.天然氣流量傳感器

3.兩線(xiàn)制天然氣流量計

4.插入式大口徑天然氣流量計/傳感器

5.智能流量顯示儀、熱量顯示儀

③天然氣流量計各功能產(chǎn)品構成如下

1.DN15～DN250為管道夾裝系列.

2.DN300以上為插入式天然氣流量計(系列)。

3.現場(chǎng)顯示天然氣流量計.有電池供電、12V外供電和12V外供電帶累計量脈沖輸出三種.（不帶溫壓補償)

4.天然氣流量傳感器與智能流量顯示儀配套組成天然氣流量計.同時(shí)配套壓力變送器和溫度變送器,可對介質(zhì)進(jìn)行溫度壓力補償,與熱量顯示儀配套,還可以進(jìn)行熱量計量.

5.兩線(xiàn)制天然氣流量計,輸出4～20mA電流信號。須配套具有24V直流饋電的儀表,然后電流信號串聯(lián)進(jìn)入儀表(或計算機、記錄儀等)的電流信號輸入端.

二、天然氣流量計測量原理

①力矩分析

作用在渦輪上的力矩有:

a.流體流過(guò)渦輪時(shí)對葉片產(chǎn)生的轉動(dòng)力矩Tr，它是主動(dòng)力矩。

b.渦輪軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機械摩擦力矩Trm 。

c.流體流經(jīng)渦輪時(shí)對渦輪產(chǎn)生的流動(dòng)阻力力矩Trf。

d.電磁轉換器對渦輪產(chǎn)生的電磁阻力力矩Tre。

因此，渦輪的旋轉角速度?？杀硎緸?

  式中，J是渦輪的轉動(dòng)慣量。一般情況下，電磁阻力力矩Tre很小。渦輪以恒定的旋車(chē)轉角速度旋轉，因此，旋轉角速度w對時(shí)間的微分為零。即有:

  O=Tr-Trm-Trf

    如圖所示，旋翼的導流片與軸線(xiàn)之間夾角為θ，流體的入口和出口流速為u1和u2。它們與圓周方向的夾角分別是α1和α2。流體對旋翼作用產(chǎn)生的旋轉力是圓周方向的。根據動(dòng)量原理，其圓周方向的力fr等于單位質(zhì)量流體量在圓周方向的動(dòng)量變化，即:

                            fr=gvρ(u1cosα1-u1cosα2)                                     

式中，qv和ρ是流體的體積流量和密度。

因入口和出口圓周運動(dòng)速度相等，有:ur1=ur2=ur=wr。

流體離開(kāi)葉片的相對速度與圓周運動(dòng)方向夾角等于葉片傾角θ，因此，有:β2 =90°-θ。

因流體流速的軸向分量沒(méi)有變化，有:u1=u2sinα2

經(jīng)化簡(jiǎn)，得：fr=qvρ(u1tanθ-wr)。因此，主推力力矩為：Tr=frr=rqvρ(u1tanθ-wr)

考慮u1-qv/A。 A是流通截面積。則有：

用儀表系數K表示，即：

式中，z是渦輪葉片數;f是渦輪產(chǎn)生的脈沖率。

根據上述，有下列結論:

a.當與Tr比較，Trm,和Trf可忽略時(shí)，即可近似認為它們的值為零，這時(shí)，天然氣流量計的體積流量qv與渦輪產(chǎn)生的脈沖頻率了成正比。

葉片數Z增加，則K增加，同樣脈沖頻率下流體體積流量減小，換言之，同樣體積流量時(shí)的脈沖數增加。

傾角θ增加，則K增加，同樣脈沖頻率下流體體積流量減小，換言之，同樣體積流量時(shí)的脈沖數增加。

葉片半徑r減小或流通截面積A減小，則K增加，同樣體積流量時(shí)的脈沖數增加。

考慮實(shí)際應用時(shí)，渦輪需要先克服靜摩擦力矩后才能轉動(dòng)，因此，Trm不為零.仍假設流體阻力力矩Trf忽略。則剛開(kāi)始旋轉時(shí)的流量稱(chēng)為始動(dòng)流量，這時(shí)，輸出脈沖頻率仍為零，即有：

因此，始動(dòng)流量qvmin為：

始動(dòng)流量與渦輪軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機械摩擦力矩Trm有關(guān)，該力矩大則始動(dòng)流量也大。

傾角θ增加，從上式可知，一方面它使始動(dòng)流量減小;另一方面，它增加了機械摩擦力矩，使始動(dòng)流量增大。因此，傾角θ有一個(gè)優(yōu)化值。

葉片半徑r增大或流通截面積A減小，可減小始動(dòng)流量。但也對儀表系數K有影響。

流體密度大，則始動(dòng)流量小。因此，當流體溫度變化引起其密度變化時(shí)，始動(dòng)流量變化。

當流體流量大于始動(dòng)流量后，流體主推力力矩主要克服流體阻力力矩，可忽略動(dòng)摩擦力矩。因此，可根據流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

層流流動(dòng)。流體層流流動(dòng)的阻力力矩可表示為流體體積流量的線(xiàn)性函數:Trf=C2μqv

式中，C1是阻力系數;μ是流體黏度。

紊流流動(dòng)。流體紊流流動(dòng)的阻力力矩可表示為流體體積流量的二次方函數:Trf=C2ρqv

式中，C2是阻力系數。ρ是流體密度。

儀表系數K。根據上述，繪制如圖所示儀表系數與流體流量之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

從圖可見(jiàn)。

A處的流率對應于始動(dòng)流率。b-d段的流動(dòng)狀態(tài)處于層流狀態(tài),c和d分別對應線(xiàn)性最小和流率。e是誤差范圍.天然氣流量計的范圍度可達20:1或更高。

通常，流體流率大于c點(diǎn)流率就進(jìn)人線(xiàn)性操作區，即可認為K是常數。

圖中，根據伯努利方程確定差壓△p，它隨流量的增加而以其平方關(guān)系變化。

②流體性能的影響

a.流體黏度的影響。天然氣流量計的重要特性是它的高復現性，典型值可達0.02%，而精度達0.25級。根據式(2-102)，流體黏度對儀表系數有影響，因此，對高黏度流體，例如，石油化工的流體結算，應考慮黏度的影響。

平直葉片.圖2-51(a)是平直葉片時(shí)，流體黏度對儀表系數的影響.可以看到，隨黏度的增加，靜摩擦力矩增加。因此，層流區段增大，線(xiàn)性范圍區段減小，儀表系數也有所提高。

螺旋葉片.圖2-51(b)是螺旋葉片時(shí)，流體黏度對儀表系數的影響?？梢钥吹?，隨黏度的增加，靜摩擦力矩增加不明顯，因此，層流區段增大不多，線(xiàn)性范圍區段減小較少，而儀表系數可基本保持不變。

儀表口徑。通常，儀表口徑越小(<50mm)，它受流體黏度的影響越大。

流體密度的影響。流體密度對儀表系數有影響。

氣體密度的影響。氣體密度隨溫度壓力變化而變化，由于其值是液體密度的千分之幾，因此，為獲得同樣的轉動(dòng)力矩，氣體的流速要增大幾十倍.這就造成軸承摩擦力矩隨位用時(shí)間的增加而激烈增大。為此，除了要進(jìn)行密度補償外，設計時(shí)氣體天然氣流量計的傾角要小些，以降低葉輪旋轉速度。

③其他影響

流體流動(dòng)狀態(tài)的影響。流體進(jìn)入流量計的流動(dòng)狀態(tài)影響儀表系數。為此，應有足夠直管段長(cháng)度，以使流體充分發(fā)展，消除進(jìn)口處流體流速分布的不均勻和不穩定。

安裝方式的影響。水平和垂直方向的安裝會(huì )影響流量計的儀表系數。要求現場(chǎng)安裝方式與標定時(shí)安裝方式一致，安裝偏差不超過(guò)5°。

④天然氣流量計的壓損

    天然氣流量計的壓權來(lái)自渦輪轉子對流體動(dòng)能產(chǎn)生的機械阻力和流體a滯引起的黏滯阻力。轉速越高，機械阻力越大;流體黏度越大，黏滯阻力越大。根據伯努利方程可知，天然氣流量計的壓損與流體在葉片前平均流速的平方成正比，與流體密度成正比。

⑤天然氣流量計結構參數對性能的影響

    a.葉片平均傾角θ。傾角θ小，同樣大小流量下，葉輪轉速提高，儀表靈敏度提高。但轉速提高使軸承磨損增大，使用壽命縮短.通常對液體，傾角為30°-45°。氣體為10°-150°。

    b.葉片數Z。葉片數Z增加，摩擦阻力矩增大，葉輪慣性力矩也增大;同時(shí)，Z的增加使儀表讀數準確度提高。一般D=10mm, Z=2; D=15mm, Z=3; 25mm≤D<50mm,Z=6;50mm≤D<100mm，Z=8;D≥100mm, Z=100。

    c.葉輪頂徑與流量計導管內壁間隙δ.間隙δ過(guò)大，流體動(dòng)能不能充分利用;δ過(guò)小，流體黏度影響增大.通常D≤10mm, δ=(0.05,0.07)D; 10mm

d.葉輪根徑與流量計導管內徑之比k, k越大，儀轟靈敏度越高;但引起葉輪轉速提高，磨損增大，壓損增大。

E.葉片重疊度P。P過(guò)大，不僅使葉輪重量增大，磨損加劇，也使壓損增大。過(guò)小則易漏過(guò)流體，降低一般靈敏度。一般P=0.9~1.2。

二、天然氣流量計技術(shù)參數

附表( 二) 常溫、常壓空氣工況適用流量范圍表（管道式）

三、天然氣流量計安裝及外形尺寸

“L ”為兩個(gè)安裝法蘭之間給流量計留出的安裝空間.

圖中:L-插入桿長(cháng)度,L1-備用檢查尺寸,S-定位桿中心到管道外壁點(diǎn)的距離,h-插入深度,δ-管道厚,DS-用戶(hù)管道實(shí)際內徑.