天然氣流量計

一、天然氣流量計概述

①技術(shù)特點

1.無可動件,結(jié)構(gòu)簡單、牢固,壽命長.

2.測量范圍寬.在測量范圍內(nèi),儀表常數(shù)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(yīng)的介質(zhì)種類多.

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(nèi)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(xiàn)場顯示天然氣流量計

2.天然氣流量傳感器

3.兩線制天然氣流量計

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(gòu)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(xiàn)場顯示天然氣流量計.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(jī)、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.流體流過渦輪時對葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩Tr，它是主動力矩。

b.渦輪軸與軸承之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械摩擦力矩Trm 。

c.流體流經(jīng)渦輪時對渦輪產(chǎn)生的流動阻力力矩Trf。

d.電磁轉(zhuǎn)換器對渦輪產(chǎn)生的電磁阻力力矩Tre。

因此，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度?？杀硎緸?

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

  O=Tr-Trm-Trf

    如圖所示，旋翼的導(dǎo)流片與軸線之間夾角為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(zhuǎn)力是圓周方向的。根據(jù)動量原理，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速度相等，有:ur1=ur2=ur=wr。

流體離開葉片的相對速度與圓周運動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有變化，有:u1=u2sinα2

經(jīng)化簡，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(shù)K表示，即：

式中，z是渦輪葉片數(shù);f是渦輪產(chǎn)生的脈沖率。

根據(jù)上述，有下列結(jié)論:

a.當(dāng)與Tr比較，Trm,和Trf可忽略時，即可近似認(rèn)為它們的值為零，這時，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(shù)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，同樣體積流量時的脈沖數(shù)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，同樣體積流量時的脈沖數(shù)增加。

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

考慮實際應(yīng)用時，渦輪需要先克服靜摩擦力矩后才能轉(zhuǎn)動，因此，Trm不為零.仍假設(shè)流體阻力力矩Trf忽略。則剛開始旋轉(zhuǎn)時的流量稱為始動流量，這時，輸出脈沖頻率仍為零，即有：

因此，始動流量qvmin為：

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

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

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

流體密度大，則始動流量小。因此，當(dāng)流體溫度變化引起其密度變化時，始動流量變化。

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

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

式中，C1是阻力系數(shù);μ是流體黏度。

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

式中，C2是阻力系數(shù)。ρ是流體密度。

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

從圖可見。

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

通常，流體流率大于c點流率就進(jìn)人線性操作區(qū)，即可認(rèn)為K是常數(shù)。

圖中，根據(jù)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(fù)現(xiàn)性，典型值可達(dá)0.02%，而精度達(dá)0.25級。根據(jù)式(2-102)，流體黏度對儀表系數(shù)有影響，因此，對高黏度流體，例如，石油化工的流體結(jié)算，應(yīng)考慮黏度的影響。

平直葉片.圖2-51(a)是平直葉片時，流體黏度對儀表系數(shù)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(qū)段增大，線性范圍區(qū)段減小，儀表系數(shù)也有所提高。

螺旋葉片.圖2-51(b)是螺旋葉片時，流體黏度對儀表系數(shù)的影響。可以看到，隨黏度的增加，靜摩擦力矩增加不明顯，因此，層流區(qū)段增大不多，線性范圍區(qū)段減小較少，而儀表系數(shù)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(shù)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(zhuǎn)動力矩，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間的增加而激烈增大。為此，除了要進(jìn)行密度補償外，設(shè)計時氣體天然氣流量計的傾角要小些，以降低葉輪旋轉(zhuǎn)速度。

③其他影響

流體流動狀態(tài)的影響。流體進(jìn)入流量計的流動狀態(tài)影響儀表系數(shù)。為此，應(yīng)有足夠直管段長度，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(wěn)定。

安裝方式的影響。水平和垂直方向的安裝會影響流量計的儀表系數(shù)。要求現(xiàn)場安裝方式與標(biāo)定時安裝方式一致，安裝偏差不超過5°。

④天然氣流量計的壓損

    天然氣流量計的壓權(quán)來自渦輪轉(zhuǎn)子對流體動能產(chǎn)生的機(jī)械阻力和流體a滯引起的黏滯阻力。轉(zhuǎn)速越高，機(jī)械阻力越大;流體黏度越大，黏滯阻力越大。根據(jù)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(zhuǎn)速提高，儀表靈敏度提高。但轉(zhuǎn)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(shù)Z。葉片數(shù)Z增加，摩擦阻力矩增大，葉輪慣性力矩也增大;同時，Z的增加使儀表讀數(shù)準(zhǔn)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(dǎo)管內(nèi)壁間隙δ.間隙δ過大，流體動能不能充分利用;δ過小，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(dǎo)管內(nèi)徑之比k, k越大，儀轟靈敏度越高;但引起葉輪轉(zhuǎn)速提高，磨損增大，壓損增大。

E.葉片重疊度P。P過大，不僅使葉輪重量增大，磨損加劇，也使壓損增大。過小則易漏過流體，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(shù)

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 ”為兩個安裝法蘭之間給流量計留出的安裝空間.

圖中:L-插入桿長度,L1-備用檢查尺寸,S-定位桿中心到管道外壁點的距離,h-插入深度,δ-管道厚,DS-用戶管道實際內(nèi)徑.