唐立龙，张乃禄

（西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065）

0 引言

随着城市化进程的不断加快，人口越来越集中，人民收入越来越高，天然气作为一种高效的清洁能源已经走进了城市和乡村，有望和电力一样走进每家每户。此外人们对空气质量越来越重视，因此在工业领域煤改气项目实施的越来越多。再者作为传统清洁能源的核能，由于日本福岛事件的影响，现在核电厂在欧洲处于不断关停的趋势；风能和太阳能虽然都是最清洁的能源但是由于自身分布太广且利用率低和上网困难等问题也很难发展壮大；水能虽然较为理想，但是适合建坝的地方并不多。所以从长远来看，天然气在能源中的消耗占比也将不断增加。反映到地方企业上某天然气股份有限公司的天然气场站每年冬运的输气量确实在不断增长，很多天然气场站在冬季都是满负荷运行。因此给工作人员和设备设施运行带来了压力。而作为天然气场站关键的计量设备之一的涡轮流量计在计量中发挥着重要作用。它因为计量准确、易于安装、占地面积小、维护保养简单、事故少。越来越受到天然气输气场站青睐。而且在油气田、化工企业、天然气门站等发挥着越来越重要的角色。

1 涡轮流量计的原理

当天然气通过涡轮流量计的涡轮时，气体分子通过碰撞涡轮叶片，将动能和势能传递给涡轮，使涡轮做圆周运动产生旋转，在一定的流量范围内，对一定的气体介质，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。因此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，并通过机械传动传给机械表头通过计数器从而得到气体的工况流量。涡轮的旋转角速度通过安装在流量计外面的信号检测放大器用电磁感应的原理来测量[1-2]。当涡轮旋转时，涡轮上螺旋形叶片依次接近和远离处于管壁外的磁电感应线圈，周期性的改变感应线圈磁回路磁阻，使通过线圈的磁通量发生周期性的变化而产生与流量成正比的信号。由于刚感应出的信号还很微弱，因此需要通过级联的多个放大电路放大后再输出；此时的信号中由于存在诸多干扰和噪音，为了去除干扰信号得到有用信号，就要对信号进行滤波。这时的信号由于不是规整的脉冲信号，因此就需要通过电压比较器转化为标准的磁脉冲信号再通过表头的计数器来得出，可以得到瞬时流量和累计流量，再上传到PLC柜就可以显示在工控机上，并且通过卫星通信或以太网就可以传到调控中心。

2 影响计量的原因

众所周知，影响计量的原因很多。除了天然气的一些原因，也有设备设施的原因和在管理上的一些原因。下面我们就从日常工作中逐一分析。

（1）因为天然气刚开采出来时本身含有硫化氢，如果净化厂除硫除不干净，就会有残留气体存到长输管网中。硫化氢气体与水汽结合会形成酸性气体，而酸性气体不仅会腐蚀流量计金属主体，而且会腐蚀涡轮，使涡轮变脆，影响涡轮流量计的使用寿命和计量准确性。

（2）在冬季由于采暖原因晚上输气量较大，且在陕北地区气温在夜间有时甚至会达到零下二十度左右，当温度低于露点时就会有水汽在管线中析出形成水珠，由于温度低于零下所以水就会在涡轮中结冰造成涡轮冰堵现象，使得供气出现停输。

（3）气体中的粉尘[3]会给叶片旋转时带来阻力，粉尘多时就会导致气体通道被堵，影响叶片旋转，进而影响计量，产生粉尘的原因是管线在施工完成后没有清理干净，还有就是管道内壁在气体的冲击下会生成铁粉。

（4）在天然气开采过程中，会伴随着一定的油分子带出，如果太多的话还会产生凝析油，如果在净化过程中处理不干净，则会沾到涡轮叶片或者叶轮的内壁上，并在涡轮高速旋转下做离心运动，影响涡轮做圆周运动。

（5）压力传感器和温变信号[4]的传输也会影响涡轮流量计的计量，因为检测的信号都有可能因为各种原因导致减小或者增大，因此确保涡轮流量计的压变和温变、流量计算机每半年按时效验一次。

（6）因为天然气中除过甲烷，还会有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等。所以用色谱分析仪定期对气体组分进行标定，确定气体的具体组分，可以使得计量更加精准。

（7）因为用气有高低峰，当气体流量大于额定量程的百分之八十或者低于百分之二十时就会计量不准确，所以选定合适量程涡轮流量计确保流量范围在百分之二十到百分之八十之间，如果流量太低或者太高应根据实际情况切换到备用支路或者更合适量程的涡轮流量计来计量。

3 涡轮流量计在天然气场站中使用的技术

（1）SCADA(数据采集与监视控制系统）[5]，以计算机为核心的控制系统。在铁路、电力、化工、石油行业中具有极其重要的作用。在天然气长输管网公司中，调控中心SCADA系统控制主机，通过路由器将数据传到卫星主站和DNN/PSTN公网，通过卫星天线将数据传到卫星再传到各个场站的卫星天线再经过卫星通讯设备到场站PLC控制柜。公网数据通过光纤将传给场站交换机再到场站PLC柜。而PLC连接了天然气场站的机组数据，快速截断阀，电动球阀，超声波流量计，压变，温变，涡轮流量计，辅助设备设施等数据。涡轮流量计在运行过程中将采集的压力、温度、和涡轮数据，传到涡轮流量计表头（流量积算仪）。以爱拓力流量计为例，表头具有流量计算、数据采集、参数设置、时钟设置、数据通讯、数据存储、故障诊断等功能。利用Modbus协议将采集的流量信号上传到PLC(可编程逻辑控制器）的计量模块，再传到工控机就可以在电脑桌面上显示瞬时流量、累计流量。然后PLC根据TCP/IP协议可以将数据上传到以太网，通过通讯设备传到调控中心，调控中心根据输气计划就可以随时给场站下达指令或者自己对用户进行输气计划调整。其原理图见图1。

图1 涡轮流量计信号传递原理图

（2）涡轮流量计采用先进的集成芯片和微机技术，表头功耗低，内部电池可以使用两年左右，不仅可以读取累计瞬时气量、昨日累计气量、今日累计流量、历史流量数据，可输出标准的模拟信号，将信号远传和上位机进行通讯，方便数据记录。

（3）涡轮流量计采用RS485通讯，接口组成半双工网络采用两线制，用屏蔽的双绞线传输，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。RS485较之RS232不容易损坏接口电路芯片，且该电平与TTL电路兼容，可方便与TTL电路连接。数据传输效率高，速度可以到10Mbps，抗共模能力增强，抗噪声干扰好，传输距离可以到3KM。

4 涡轮流量计的维护保养

4.1 日维护保养

对涡轮流量计进行巡检，观察读数显示及电池电量显示是否清晰、真实、准确。检查涡轮流量计各密封点有无泄漏现象，如有泄漏现象应及时处理；

保持涡轮流量计外观及其附件的清洁状态；

检查仪表检定标识是否清晰、有效，铅封是否良好。

4.2 月维护保养

检查涡轮流量计本体及附件是否完整、是否有锈蚀或损坏，铭牌是否清晰，接插件是否接触良好，端子接线等是否牢固；

检查防爆挠性管连接是否可靠，若有松动应及时紧固；

检查防雷接地是否可靠，确保防雷接地线各连接处无松动、无锈蚀。

4.3 季维护保养

春秋检时对所配用的过滤除尘器进行拆解检查并清洁；

春秋检时对涡轮流量计的叶轮及轴承进行清洁和润滑保养，并经检定合格后方可恢复正常使用；

春秋检时根据电池电量提示及时更换液晶显示屏电池；

春秋检检查防爆挠性管是否老化、龟裂，对影响防爆性能的及时更换。

4.4 年维护保养

每半年效验一次。

5 涡轮流量计的安装注意事项

确保完好的涡轮流量计上有箭头方向表明流体方向不能装反；

安装的管道必须吹扫干净里面的残渣；

涡轮流量计必须水平安装，表头朝上；

涡轮流量计上游必须安装带有差压表的过滤器，且过滤器距离涡轮有一段较长的直管段，以确保流体正常平稳的流动。

6 涡轮流量计的使用的优缺点

优点：

（1）结构简易，使用范围广

涡轮流量计以德国爱拓利流量计为例主要部件有：流量计主体、稳流器、涡轮的测量单元、轴承、累加器、磁耦合装置，校正仪。该流量计适用于低，中，高压气体都可以计量。管道公称直径从DN50～DN500范围都有，温度范围从-20℃～+60℃。因此计量范围广，大流量、小流量都可以，既能适应寒冷地区，也适应高温地区。

（2）使用方便，量程宽

以S省场站应用最多的涡轮流量计，正在逐渐取代孔板流量计。因为涡轮流量计量程宽，在一次更换后基本可以满足全年高低峰的使用要求。不需要再频繁更换孔板流量计的孔板和效验压变。该流量计量程一般量程是1:30，最大甚至可扩展至1:50。而孔板流量计标准量程比1:13，最大可拓展至1:30，比涡轮流量计少了很多。

（3）计量精度准确

以爱托利流量计为例最大允许误差为最小流量的+/-2%，最大流量的0.2。

缺点：

对气质要求高，测量气体必须纯度高，杂质少。

7 涡轮流量计常见问题及故障处理（见表1）

表1 涡轮流量计常见问题及故障处理

8 结语

目前天然气场站现行的例行工作和工艺条件不能有效降低天然气气质中的杂质。所以为了提高涡轮流量计计量的准确性，应该从以下几点得到加强。

第一是从日常工作方面加强沿线天然气场站卧分和过滤器的层层排污，目的是在天然气进入流量计之前设置层层屏障，在杂质进入流量计之前就把它清理干净。第二定期采取清管作业，当管输效率降低到90%以下时对管道里的污物定期清理干净。第三根据在场站排污时所排的杂质的多少，判断是否要进行多次排污，以确定是否已经达标。第四个是流量计的使用说明书、合格证书、检定证书都应该具备且在有效期内，及备品备件原则上按使用总数的3%储备。场站应该应该有专门的计量管理人员负责计量器具及资料的管理，保证计量器具资料的完整。从技术方面在做好平时涡轮流量计的维护保养和每年的检定，确保流量计的运行在检定周期内。第五加强公司对日常工作的考核力度，确保每项工作都顺利完成。