涡轮气体流量计

涡轮气体流量计（精选8篇）

涡轮气体流量计 第1篇

关键词：气体涡轮流量计,效率,模块化设计

1 概述

近二十年来, 随着我国的天然气行业的快速发展, 国内的各种燃气计量技术也得以不断更新进步, 作为一种速度式流量计——气体涡轮流量计 (下面简称涡轮表) , 因具有精度高、重复性好、压损小和量程比宽等优点而得到广泛地应用。目前, 涡轮表在市场上使用主要以两种形式, 一个是电子式 (或称智能型) , 是通过电磁感应原理提取内部涡轮的旋转信号, 经集成电路处理输出, 并由液晶屏显示流量等值;另一种是机械式, 是通过齿轮传动的方式将内部涡轮的转动传递到机械计数器的字轮上, 显示流量累积值;苍南仪表相应的产品如图1、图2。

在工程的实际应用中, 要根据管道的大小与用气量多少来选择合适规格的涡轮表, 这是决定气体准确计量工作与否的基础, 也就说涡轮表本身是一个系列化的产品在工业中使用, 而且规格众多。按相关标准, 较常用的产品规格如表1。

由表1可知, 就按较常用的规格来算, 不考虑产品压力等级的变量, 这个系列产品至少就有21种。即如果一个公司要生产销售这种产品给市场, 包含电子式与机械式, 就必须完成开发40多种以上的规格产品。作为一种质检部门严控的计量仪表, 产品的系列化研发工作需要投入大量的人力和物力, 企业多要通过不断的研发, 结合市场的订单需要, 历时多年时间才能逐步完成一个比较齐全的系列产品, 这项研发工作, 对于一般的企业而言都会是个不小的考验。

另外, 目前行业中涡轮表的生产厂家, 还普遍面临着涡轮表产品在生产上效率不高的问题, 即便是国内的领先企业也很少能年产销该系列产品超过万台。由于产品本身的固有结构特点, 零部件具有较多的模具制造和精加工要求, 又加上规格的多样化与差异性, 以当前的市场需求容积, 又要结合实际订单进行具体生产安排, 在这样的生产模式下, 很难能发挥出现代先进机械加工制造和专业化生产的应有效率。

同时, 涡轮表是属于计量器具, 按计量法规的要求, 产品发到市场上, 不管是首次使用, 还是日后每两年一次的周检, 必须要通过当地质检部门标准装置的验证。因质检部门与生产企业的标准往往会存在一定的差异, 这造成产品的仪表系数时常需要调整, 尤其是机械式涡轮表, 必须通过调整齿轮传动比来实现, 而很多因为产品本身设计结构的限制而使质检员难于操作, 这就给送检工作带来了较大的麻烦, 生产企业常要派遣服务人员, 上门提供技术支持, 这也增加了产品的销售成本。

2 模块化设计

上面分析了涡轮表产品的生产现状和使用特点, 为了有效提高产品各环节的效率问题, 这里将从研发设计的角度提出探讨方案, 即采用模块化设计, 从整体出发, 对产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 通过模块的选择和组合构成不同规格的产品, 以满足市场的不同需求。

2.1 原理与结构

可以对产品各结构按功能进行分析, 并独立分解出相应模块, 举例机械式涡轮表, 示意结构图如图3。气体流进涡轮表入口, 经整流器整流加速后, 带动计量机芯中具有螺旋叶片的涡轮旋转, 安装涡轮同速运转的主轴经蜗轮蜗杆和齿轮多级传动进行减速, 并通过磁耦合隔离, 同步将转动输出承压壳体, 再经进一步多级齿轮调节传动, 最后将与气体流速近似成正比的涡轮转速传输到机械计数器上, 显示工况流量累积值。同时, 仪表可配备高、低频信号输出, 作为日常检定、体积转换或远距离监控连接使用, 以及针对内部轴承润滑功能的加油泵。

2.2 功能模块划分

根据涡轮表的结构原理, 设计上可从整体出发, 划分功能模块, 级别由大到小分别为跨系列级模块、系列级模块、口径级模块和规格专用模块。

跨系列级模块:是指能在电子式系列和机械式系列之间通用;

系列级模块:是指在本系列 (如机械式) 中通用;

口径级模块:是指具体口径 (比如DN100) 中通用;

规格专用模块:是指具体的某一规格产品的专用, 比如是机械式DN100 G250规格用。

可将图3中的功能模块按级别归类为: (1) 规格专用模块; (2) 口径级模块; (3) 系列级模块; (4) 跨系列级模块。

2.3 设计分析

从设计原则上, 应当结合涡轮表整体的研发产品要做到:

第一、争取尽量多的大级别的模块, 像图4中越往下层, 模块级别越大, 相应的零部件加工装配批量也就会越大, 生产效率自然会越高。

第二、小级别的功能模块, 应争取尽量少的专用零件和加工要求, 如计量表芯中涡轮一般只能专用, 但其中的主轴、支座等零件是可以设计在口径中通用, 以提高其利用率。

另外, 关于传动比调节功能的模块化, 其意义非同寻常, 它能很好地解决涡轮表送检中出现偏差而检验员难于操作调整的问题, 这一点, 目前市场上只有苍南仪表的TM型涡轮表有这样做。

3 模块化意义

模块化设计对于涡轮表厂家带来的综合利益主要就是效率。具体的体现主要在以下几个方面。

第一、在涡轮表系列产品的研发上, 模块的相对独立性和设计重用, 这有利于研发团队成员的分工合作, 大大缩短设计研发的周期, 以尽量少的设计, 通过模块的不同组合来满足用户的多样性需求。并且对模块本身的研究可更加专业与深入, 可以不断通过升级模块性能来提高产品的整体性能和可靠性。

第二、在多样规格、小批量的销售状况下, 模块化设计很大程度地提升了企业的涡轮表产品生产加工、物资采购的批量化, 提高了产品装配检验和生产管理便利性, 降低制造的经营成本。

第三、涡轮表的结构模块化, 对产品今后在市场上售后维修带来的极大效率。模块接口安装的普遍相对简便和容易操作, 方便了用户的自我检修或更换工作, 大大减少了产品的使用成本。

4 结语

浅析涡轮流量计 第2篇

（1）流量计本体最好选区用316不锈钢材料以防腐，如是防爆区还必须是防爆结果。

（2）轴承一般有炭化钨，聚四氟乙烯，碳石墨三种规格：碳化钨的精度最高，它作为工业控制的标准件；聚四氟乙烯，碳石墨能防腐，一般在化工场所优先考虑。轴承的寿命流速的平方成正反比，故流速最好的在最大流速的1/3速度比较好。

（3）感应探头是检测转动体的运动并把它转化为脉冲数字电信号，它电磁线圈电压输出值接近正弦曲线，脉冲信号的频率范围随测量的流量大小成线性变化，典型的范围为10:1，25:1 和100:1三种规格。电磁线圈的电阻一般小于Ω，大于该值可能损坏。

涡轮气体流量计 第3篇

关键词：涡轮流量计,计量检定,不确定度

1 气体涡轮流量计原理

涡轮流量计是速度式流量计的一种, 由涡轮、导流器、前置放大器、感应线圈和壳体等部件组成。如图1所示。当气体进入安装在管道上的气体流量计时, 流量计的叶轮受力旋转, 在一定的流量范围内, 涡轮的旋转角速度与气体流速成正比。由此, 可通过涡轮的旋转角速度得到气体流速, 从而可以计算得到通过管道的气体流量。涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。根据电磁感应原理, 涡轮叶片切割壳体内永久磁钢引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器, 对信号进行放大、整形, 产生与流速成正比的脉冲信号, 送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值;同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路, 将脉冲信号转换成模拟电流量, 进而指示瞬时流量值。

近年来, 由于其具有精度高、结构简单、运动部件少、耐压高、温度范围宽、维修方便、重量轻、体积小、压力损失小、量程比大、安装维护方便、前后直管段要求较低等优点, 被广泛应用于天然气贸易结算计量, 逐步成为我国城镇燃气商业贸易和交接计量的首选仪表之一。

1-紧固件;2-壳体;3-前导向件;4-止推片;5-叶轮;6-电磁感应信号检出器;7-轴承;8-后导向件

2 气体涡轮流量计精度影响因素

在涡轮流量计的检定工作中, 我们发现除了流量计本身结构造成的系统正常计量偏差之外, 绝大多数送检涡轮流量计在其检定有效期内均出现了不同程度的磨损、腐蚀和阻塞等现象, 严重影响了流量计的正常工作, 是导致计量误差增大的主要原因。

2.1 磨损

由于气体涡轮流量计对介质的要求较高。通过流量计的检测气体如果不清洁, 就会导致细小固体杂质颗粒粘附在流量计轴承上, 致使轴承运转不灵, 叶轮旋转不正常, 产生机械磨损;此外由于叶轮长期高速旋转, 仍会有磨损产生。磨损后的气体涡轮流量计, 检测精度下降。

2.2 腐蚀

若被测介质中含有腐蚀性气体, 当气体流经流量计时, 会对流量计的转子部分产生腐蚀, 造成转子腐蚀变形、表层脱落, 这样就会引起转子质量的变化, 从而改变流量计的计量参数, 影响转子的正常运转和计量的准确性。

2.3 阻塞

我们在检定中还发现, 部分流量计叶轮上缠绕有废弃螺纹密封胶带等纤维状污物, 阻塞转子, 减小通过转子的有效流动断面, 引起流速剖面的显著改变, 导致计量数据失真。

2.4 油污

现场油气分离不彻底, 导致多数流量计内壁和叶轮上附着有黑色原油, 阻碍叶轮转动, 部分原油随气流进入涡轮流量计, 并在叶轮高速旋转离心力的作用下, 滞留在壳体内, 引起计量误差。

综上所述, 这些影响因素的存在, 使一些气体涡轮流量计在检定后很短的时间内即出现计量不准的问题, 严重影响天然气的准确计量和油气田开发数据的可靠录取, 必须加以消除。

3 气体涡轮流量计检定项目与检定方法

根据气体涡轮流量计检定规程的要求, 计量部门应该对气体涡轮流量计的外观、随机文件、示值误差、重复性等进行检定。目前计量部门一般都使用气体流量标准表法标定气体涡轮流量计。这种检定装置由于使用方便, 校验费用低, 逐步业内的认可, 成为检定气体流量计的常用装置。我们将被检流量计安装到试验管路中, 利用气体在相同时间间隔内连续通过标准表和被检表, 试验时可以采用1台标准表与1台被检表进行比较;也可以用两台以上并联的标准表与1台被检表进行比较。比较两者的输出瞬时流量值, 或比较一段时间内的累积流量值, 用比较的方法得到被检流量计的试验结果。

首先, 确保流量计在最大检定流量的70%-100%范围内运行5分钟以上, 待流体温度、压力、流量稳定后开始进行检定校验。其次, 选定流量检定点, Qmin、Qmax、0.40Qmax, 若流量计等级较高, 还需要增加几个流量检测点, 如0.1Qmax、0.25Qmax、0.70Qmax等。将流量调到规定的流量值, 流量稳定后启动装置和被检流量计, 记录标准装置和被检流量计的初始示值, 运行一段时间后, 同时停止标准专职和被检流量计, 记录最终示值, 计算流量计和标准装置的累积流量值和瞬时流量值。在瞬时流量检定过程中, 各个检测点实际流量与测定流量的误差要低于±5%。每个检测点的检验次数不得低于3次。最后, 检定人员根据公式计算出被检定气体流量计的示值误差。对检验合格的流量计下发检定证书, 对检定不合格的流量计下发检定结果通知, 注明不合格的项目。

4 提高气体流量计精度的方法

通过总结检定涡轮气体流量计的工作经验, 在平时使用过程中, 有如下几种方法可提高流量计的使用精度。

(1) 气体涡轮流量计的使用条件检定精度是在检定条件下确定的, 只有在使用条件与检定条件满足计量学相同性原则时, 使用仪表常数的精度才可以等同于其检定精度, 反之将低于检定精度。这就要求流量计的使用与检定的流体的流动特性 (流量计进口的速度分布) 相同;流体的物理性质 (密度等) 也相同;检定过程相同, 并且在流量计的检定流量范围内使用仪表常数, 那么在对介质密度压力修正后, 其使用精度便等同于其检定精度。

(2) 防止流量计长时间超量运行, 加强气体流量计日常运行维护。

超流量运行会严重影响气体流量计的使用寿命, 降低计量精度, 导致误差增大。在日常仪表的使用维护中还要加强仪表的运行检查, 监测叶轮旋转情况, 如声音有异常应及时卸下检查传感器内部零件。若发现涡轮轴承磨损严重或叶片打坏的, 必须维修更换, 并重新检定。在工艺管道检修时, 检修人员要及时拆下流量计, 用干净的布把两端包好, 防止污物、铁霄等落入流量计将涡轮叶片损坏。

参考文献

天然气涡轮流量计的工作原理 第4篇

天然气涡轮流量计保险性能高,而且计量禁绝确会给企业以误导，纪录仪表每次上电，使小流量具有逊色的稳定性。得多选型的失利便是因为供应参数不许确所致。采纳新型旗帜灯号处置惩罚缩小器与独特的滤波妙技，公元前1000年摆布古埃及用堰法丈量尼罗河的流量。面对如此浩繁品种的人造气流量计，可永久性生涯。对于企业进行节能降耗的技术改造及美满管理，具备精采的高压与高压计量苦守，其利益是核算数据技术冲弱，选型能否成功很大水平上取决于选型职员对仪表屈服质量与丈量对象共性切实切相识。

国际大大都的发作炉煤气站选用孔板式流量计，应特别注明被测介质的最高工况温度；投人的资金及科技力量较大，内置式压力、温度、流量传感器，固然近几年才起源受到器重Substantially all of the episodes of the international gas station selection orifice plate flow meter, should be particularly noted the maximum working temperature of the measured medium;larger inputs of capital and technological capability, built-in pressure, temperature, flow sensors, although in recent years was originated by the attention, sure17.com状态都雅。致使皮相计量错误增大，具有紧要的领导意义。除遵循型号说明技俩填写外，当温度传感器、压力传感器发生发火阴碍时，在决议低温型流量计时，构造联络，特有光阴显现及实时数据存储之死守，停电时间，由于煤气净度弗成形陋习范孔板外面太脏，造成动力的浪费。用户重要特殊丈量管材质，为自己找到一种恰到所长的流量计，我国闻名的都江堰水利项目应用宝瓶口的水位察看水量大小等等。但运行一段时间后，供给积累流量日报表、月报表和年报表。其差压式流量计不经算定就可使用。对于企业能源的管束相等需要，关于一样平常用户选型成了一个坚苦。压力合计弥补量。

涡轮气体流量计 第5篇

关键词：涡轮流量计,叶片螺旋角,CFD数值模拟,性能分析

0 引言

气体涡轮流量计是计量天然气、液化气、煤气等介质的速度式仪表[1,2]。为了改善气体涡轮流量计的性能, 为设计提供指导和方向, 近年来一些学者利用CFD技术对其内部流场进行了研究。Lavante E V等[3]利用FLUENT对气体涡轮流量计内部流场进行数值模拟, 并根据仿真结果解释实验过程中的现象。刘正先等[4,5]对前导流器引起的流量计压力损失进行数值计算和实验测量, 从流动机理上解释了结构和压损之间的关系。LI Zhifei等[6]利用数值模拟得到了导流器内部的速度场和压力场, 并以减小压力损失为目标优化了导流器的结构。林景殿等[7]通过对气体涡轮流量计进行CFD仿真, 研究不同流量下的压损值, 并通过实验证明了数值模拟的有效性。郑丹丹等[8]对涡轮传感器内部的速度场和压力场进行了数值仿真, 提出对前后导流器、叶轮叶片形状和页顶间隙的改进。

上述研究中未涉及针对不同螺旋升角涡轮内流场的数值模拟, 以及涡轮叶片螺旋升角的改变对仪表性能影响的研究。本文对安装35°和45°叶片螺旋升角涡轮的DN150 型气体涡轮流量计的内流场进行数值模拟, 通过模拟结果预测仪表的始动流量和压力损失, 并利用实验证明预测的正确性, 为涡轮叶片螺旋升角的进一步优选提供数值方法。

1 数学模型及边界条件

利用FLUENT软件对涡轮内流场进行数值模拟时, 忽略天然气的密度变化, 在0~1200m3/h内, 介质流动速度远远小于声速 (即马赫数远小于0.3) , 认为流体不可压缩, 且假设流动中无热量交换, 不考虑能量守恒方程。

1.1 微分控制方程

气体涡轮流量计内部流动为湍流黏性流动, 满足连续性方程和黏性流体运动方程。

基本微分方程[9]:

连续性方程:

雷诺时均N-S运动方程:

式中:ρ 为流体密度, kg/m3;ui、uj为xi、xj方向的速度分量, m/s;p为流体热力学压强, Pa;-ρu'iu'j为雷诺应力项;ηt为湍流黏性系数。

1.2 湍流模型选择

由于雷诺应力项的加入使时均N-S方程不封闭, 为了求解引入k-ε 两方程湍流模型。两方程湍流模型有标准k-ε 模型, Renormalization-group (RNG) k-ε 模型, 和可实现的k-ε 模型。其中, RNG k-ε 模型主要应用于旋转机械的流动问题, 在大范围的湍流模拟中有较高的精度。该模型能够比较准确地模拟各种复杂流动, 其中湍流黏度由下式确定:

式中:Cη为常数;k为湍流动能, J;ε 为湍流动能耗散率。

k湍流动能输运方程:

ε 湍流动能耗散率输运方程:

式中:Gk为层流速度梯度产生的湍流动能, η=η0+ηt, η0为流体的运动黏度, 其余各系数取值如表1 所示。

1.3 网格划分与定解条件

根据流量计的实际工况分别在介质入口和出口处添加10倍管径的直管段, 并把整个模型剖分为3个区域:入口管道, 旋转区, 出口管道。旋转区域又细分为涡轮转子和支架定子两个区域, 定子和转子之间的耦合采用多参考系MRF (Multiple Reference Frame) 模型。利用GAMBIT前处理模块对进、出口直管段采用结构化网格, 而对旋转区采用非结构化网格进行划分以满足对叶轮内部复杂区域的网格描述, 各块网格通过块之间的交界面拼接在一起。网格总数为30 多万个四面体非结构化网格和100 多万个六面体结构化网格, 旋转区网格如图1所示。

定解条件包括介质入口、出口和固壁边界的设置。入口处给定相应流量 (1200m3/h) 下的主流速度值;出口采用压力出口边界条件, 出口压力相对大气压为0;进、出口管道内壁, 支架均取无滑移固壁边界条件。叶轮部分采用旋转坐标系, 给定相应流量下的叶轮转速, 将叶片的吸力面和压力面以及轮毂定义为旋转壁面条件, 在旋转壁面条件的定义中, 按照MRF的要求, 将旋转壁面的旋转速度定义为相对速度, 并且相对周围流体速度为0。

2 计算结果分析

2.1 压力场分析

流量计全压定义为入口全压与出口全压之差, 通过全压分析能够直接反映仪表压损的大小。全压越大表明流体经过流量计后产生的压损越大, 压损过大会导致流量计不能正常使用。进口全压一定时, 出口全压Pout越大, 则流量计的全压△P越小, 压力损失越小。如图2 (a) 和图3 (a) 所示, 35°涡轮出口全压要明显小于45°涡轮出口处的全压, 这说明相同的工况下45°涡轮所产生的压损较小。

涡轮叶片动压的分布和大小直接影响涡轮驱动力矩的大小, 35°叶片所受动压明显小于45°叶片所受动压, 说明在相同工况下45°螺旋升角涡轮能获得较大的驱动力矩, 如图2 (b) 和图3 (b) 所示, 与35°涡轮相比, 较小的流量就可推动涡轮稳定旋转, 从而使仪表进入线性工作区。由此可预测安装45°螺旋角涡轮的仪表能获得较小的始动流量。

2.2 速度场分析

当气体介质以充分发展的湍流经过涡轮时, 35°涡轮的速度矢量方向变化较大且向壁面集中, 使得与叶片直接作用产生推动力矩的速度矢量减少, 如图 (4a) 所示, 且在出口处速度衰减较大, 间接说明介质流经涡轮后压损的增加, 如图4 (b) 所示。而45°涡轮内部的速度矢量分布比较均匀, 过流性较好, 与叶片直接作用的速度矢量较多, 产生较大的驱动力矩, 如图 (5a) 所示, 且在出口处速度衰减较小, 如图 (5b) 所示。

3 实验对比

气体涡轮流量计的检定采用负压检测方法, 如图6所示, 由标准吸风装置产生负压使标准罗茨流量计和被检定的气体涡轮流量计同时测量, 安装在被测仪表两端取压口处的U型管可以测量流量计进、出口处的压力, 从而得到仪表的压力损失。

利用黄金分割法选取0~1200 m3/h范围8 个流量点, 在每一个流量点随机采集3组不同时刻的数据, 包括标准罗茨流量计和被检定流量计的累积流量及其输出脉冲数, 对每组数据进行算术平均得到流量点处的平均仪表系数。通过采集U型管压差装置的指示值记录每个流量点处的压力损失, 检定结果如表2所示。

说明:大气压力为102.40k Pa, 环境湿度为45.0%。

利用多项式插值对表2 中的数据进行密化, 得到20 组插值数据, 通过3 次B样条拟合得到仪表系数曲线和压力损失曲线。

始动流量以仪表系数进入线性区的最小流量来确定, 在小流量区内安装45°螺旋升角涡轮的流量计在流量20 m3/h左右即进入线性工作区;而安装35°螺旋升角涡轮的流量计则在流量150 m3/h左右时才进入线性工作区, 而且在线性工作区内也存在着明显的波动, 如图7 所示。

35°涡轮流量计在各工况点处的压损明显大于45°涡轮流量计, 最大压损达到3500Pa以上, 如图8 所示。上述分析表明安装45°螺旋升角涡轮的流量计与安装35°螺旋升角涡轮的流量计相比具有较小的始动流量, 较小的压力损失, 而且仪表计量的线性度较好。

4 结论

对螺旋升角为35°和45°的气体涡轮流量计旋转部件内流场进行数值模拟, 分析描述其内部流动的压力场和速度场, 预测出安装45°螺旋升角涡轮的流量计比安装35°螺旋升角涡轮的流量计具有较小的始动流量和压力损失。

利用黄金分割法选取仪表流量范围内的检定点, 通过仪表负压检定平台获得了仪表系数曲线和压力损失曲线, 实验结果与数值仿真中的预测相吻合, 表明数值模拟在流量计性能预测中的有效性。

涡轮叶片的螺旋升角是影响仪表性能的关键参数, 合理选择涡轮的叶片螺旋升角, 优化结构可进一步改善仪表的性能。

参考文献

[1]张永红.天然气流量计量[M].2版.北京:石油工业出版社, 2001.

[2]王俊芳.气体涡轮流量计结构型式分析[J].机械工程师, 2007 (12) :112-113.

[3]LAVANTE E V, BANASZAK U, T.KETTNER, et al.Numerical Simulation of Reynolds Number Effects in a Turbine Flow Meter[C]//Proceedings of the 12th International Conference on Flow Measurement.Beijing:Chinese Society for Measurement Press, 2004:575-582.

[4]刘正先, 徐莲环.涡轮流量计前导流器的结构与性能[J].机械工程学报, 2008, 44 (1) :233-237.

[5]刘正先, 孟庆国, 梁永超, 等.气体涡轮流量计的改进及实验测量[J].流体机械, 2003, 31 (5) :8-10.

[6]LI Zhifei, ZHANG Kai, et al.Design and Analysis of Flow Rectifier of Gas Turbine Flowmeter[J].Thermal Science, 2013, 17 (5) :1504-1507.

[7]林景殿, 苏中地, 肖云巩, 等.涡轮流量计内部流动的数值模拟[J].石油化工自动化, 2011, 47 (4) :60-62.

[8]郑丹丹, 张涛.对涡轮流量传感器的仿真研究[J].自动化与仪表, 2005 (7) :29-33.

如何提高涡轮流量计的计量准确性 第6篇

一、涡轮流量计的原理

涡轮流量计是一种速度式流量计,利用气体推动流量计叶轮转动,叶轮旋转的速度与流体体积流量成正比,根据电磁感应原理,利用磁敏传感器从同步转动的叶轮上感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号,经运算处理得出体积流量。其 测量精度较高,准确度等级可达到1.0级、1.5级;量程比宽 ,一般为1:20测量范围宽;结构紧凑轻巧,装维护方便前后直管段要求较低 ,可用于中、高压计量。

二、误差产生的原因

涡轮流量计同样存在以下缺点:有可动部件,易于损坏,关键件轴承易磨损, 抗脏污能力差,对介质的干净程度要求较高,难以长期保持校准特性,需要定期校验。造成误差的原因有:计量表自身质量问题,设计选型不合理,安装不到位,运行中维护保养不当等。

三、如何控制误差

(一)正确确定流量计使用的场所及规格。

由于涡轮流量计涡轮惯性的存在,在流量波动频繁的场合不宜使用,否则会降低计量精度。要比较准确地估计用气量的峰谷值和介质的压力情况,正确确定流量计的规格。从涡轮流量计误差特性曲线可以看出,应使流量计的工作流量范围20%Qmax-80%Qmax(Qmax为流量计的最大流量)

(二)涡轮流量计安装要求

1.气体涡轮流量计前必须安装过滤器;应保持过滤器畅通,若发现过滤器堵塞(可凭过滤器进出压差来判断)时,应及时对过滤器进行清洗,若未配差压计的每月清洗一次。

2.要保证直管段的要求,尤其是表前有缩径或半开阀门的情况。

3.安装时,密封垫不得突入管道中,流量计与管路轴线目测不得有明显偏差,不得产生安装应力。

4.安装时一定要清扫干净管道内的所有杂质,以防轴承和涡轮卡死。

(三)涡轮流量计运行管理及维护要求

1.涡轮流量计的通气和停气要求。 通气顺序:保证流量计后端的阀门处于关闭状态;再缓慢开启流量计前端的阀门,确保升压速度≤35KPa/S ;最后缓慢开启流量计后端的阀门,使其从小流量下运行直至调节至需要值。整个过程保持有压启动。 停气顺序:先缓慢关闭流量计后端阀门;再缓慢关闭流量计前端阀门。

2.防止长时间超量运行。超流量运行会严重影响使用寿命 ,降低计量精度,导致误差增大; (注意观察表头工况流量百分比不宜长时间超百分百)瞬时流量:从瞬时流量的观察,结合用户当时用气情况判断是否有小火不走,大火超量程现象。仪表运行时流量范围应在20%-70%之间。如果长期低限运行或高限运行都会对计量有影响;是否是用户用气负荷或用气设备发生了改变,应及时解决。

3.注意温度、压力的数值。

根据气态方程式:undefined

方程式中: V0 — 标准状态下的体积量(m3)

V — 工作状态下的体积量(m3)

Zg — 工作状态下的气体压缩系数

P=Pa+Pg — 流量计压力检测点处的绝对压力(kPa)

Pa — 当地大气压(kPa)

Pg— 流量计压力检测点的表压力(kPa)

P0—标准大气压(101.325 kPa)

T0 — 标准状态下的绝对温度(293.15K)

T— 介质工况条件下的绝对温度(273.15+t)K

t — 被测介质摄氏温度(℃)

FZ— 气体压缩因子

从公式可以看出,误差主要集中在压力、温度的检测精度两方面,在发现流量、温度、压力值与实际偏差较大或示值不稳定时,或与以前经验数值存在较大偏差时,要及时处理。

4.在日常维护中或抄表检查时,应查看显示仪表上是否有异常符号。如有电池符号的闪烁,表示电池快没电了,应及时更换电池;如有异常报警、异常警告的符号出现,要及时发现,有助于处理和发现用户的违规用气行为。

5.对于有机械读数带修正仪的进口涡轮表,除抄取标况体积值之外,同时应该及时比对基表读数与修正仪上的工况流量是否一致,两者正常情况下应该是相差不大的。

6.工艺管道检修时应拆下流量计,然后用干净的布把两端包好,防止污物、铁霄等落入流量计将涡轮叶片损坏。

7.为保证涡轮流量计长期正常工作,应加强仪表的运行检查,监测叶轮旋转情况,如声音异常应及时卸下检查传感器内部零件。涡轮轴承磨损严重或叶片打坏的,必须维修更换,并重新检定。

8.有润滑油或清洗液注入口的传感器,应按要求定期注入润滑油或清洗液,保证叶轮良好运行。 在无润滑油情况下长期连续运行,势必造成致命磨损,阻尼力增加而导致运行变慢,计量结果产生负差并且影响使用寿命;

四、做好涡轮流量计的周检工作

每只流量传感器均应有一经标准装置检定给出的仪表系数,且其精度和流量范围等必须满足流量计技术规范的要求,正确的仪表系数值是保证流量计计量精度的最基本保证。要保证流量计计量准确,其首要方法是通过检定将仪表系数和规格型号输入到温压补偿仪里,并通过周检和使用中的维护保养保证流量传感器不超差。注意周期维护和检定:要按相关标准对使用中的流量计进行周期检定和校准,一般应两年检定一次,这是保证流量计保持精度的必要措施;JJG198《速度式流量计检定规程》:准确度为0.1,0.2,0.5级的流量计,其检定周期为半年。对于准确度低于0.5级流量计按其工作原理确定检定周期:分流旋翼式流量计为1年;涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、电磁流量计为2年;超声波流量计、激光多普勒流量计为3年;插入式流量计按照与其测量头工作原理相同的流量计的检定周期执行。

五、实际常见问题判断及处理。

(一)未作减小流量操作(节流减负),但流量显示却逐渐下降,可能发生的情况:

1.过滤器堵塞。

若过滤器前后端压损较大,说明杂物已堵塞,就应清洗过滤器。

2.传感器叶轮受杂物阻碍或轴承间隙进入异物,阻力增加而减速减慢。

应卸下叶轮、传感器,对其进行清洗。

(二)流体正常流动时无显示,总量计数器字数不增加。应检查:

1.叶轮是否有无异物卡住,轴和轴承有无杂物卡住或断裂现象。去除异物,并清洗或更换损坏零件,复原后气吹或手拨动叶轮,应无摩擦声。

2.传感器接头是否有松动的情况

(三)显示仪示值与经验评估值差异显著,应进行如下检查。

1.管道流动方面的原因,如未装止回阀,出现逆向流动。

2.旁通阀是否关严,有无泄漏。

摘要：气体涡轮流量计已广泛用于燃气的贸易结算。本文将从涡轮流量计的设计选型、安装、运行管理等方面说明如何在实际的运用中减小涡轮流量计的误差。

涡轮气体流量计 第7篇

离心式压气机广泛应用于各工业领域,被公认为是提高内燃机性能、降低排放的有效设备[1]。随着排放法规日益严格,内燃机尺寸不断减小,加上废气再循环的需要,提高压气机工作性能势在必行。由于压气机内部结构及气体流动的复杂性,难以开展试验测量,主要借助CFD分析软件进行数值模拟,分析研究压气机正常运转状态中的工作特性。

在压气机内部流动特性研究方面,文献[2]对不考虑蜗壳影响时不同的湍流算法的仿真与试验结果进行了比较;文献[3-4]对压气机蜗壳进行了不同工作条件的流场分析;文献[5]研究表明具有导流壳泄放系统优化的叶轮空气流动会提升压气机特性线图的宽度,且不会导致效率的降低;文献[6-7]分别研究了扩压器及蜗壳内的流动特性对离心式增压器性能的影响。扩压器设计的优化可以极大地提升扩压器的性能,而压气机的内部流场的分析是气动噪声分析研究的前提[8]。本文中对涡轮增压器压气机内部流动特性进行了较为系统的研究,为离心压气机的优化设计及气动噪声分析提供了基础。

1 压气机模型简介

研究用模型为某型船用废气涡轮增压器压气机,由进口管、叶轮、扩压器、蜗壳组成,如图1所示。该型压气机采用半开式叶轮,前倾后弯型叶片,包含10组主流叶片和10组分流叶片,此种叶型的压气机效率高,且高效率区宽广。扩压器包含19只机翼型叶片,蜗壳形状为单出口圆形变截面。

本文中模拟的五种工况下压气机的特征参数来自增压器试验台实测数据,见表1。

2 三维流动的数值模拟方法

2.1 坐标系模型

对旋转参考坐标系中的流动可使用旋转单元区域进行求解,但是扩压器、蜗壳等存在静止流体区域,需要考虑到定子对流场的影响,所以选择多参考坐标系模型(MRF)。MRF模型是一种简化处理模式,其在界面处进行插值和通量交换,以运动的坐标系来模拟旋转流场,是快速有效的定常流动计算方法。

2.2 数学模型

假设压气机内部为理想可压缩气体。采用CFD软件进行三维雷诺平均可压缩纳维-斯托克斯方程与Realizable k-ε 双方程湍流模型的求解。该模型已有效应用于各种不同类型的流动模拟,包括旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流,都有很好的表现[9]。

2.2.1 连续性方程

式中,ρ为流体密度,kg/m3;u为速度,m/s。

2.2.2 动量守恒方程

式中,p为压力,Pa;k为湍流动能,m2/s2;μ为层流黏度,Pa·s;μt为湍流黏度,Pa·s;下标i、j、k代表方向x、y、z;δij为克罗内克变量,只有在x=y时为1,其余为0。

2.2.3 能量守恒方程

式中,T为温度,K;E为总能量,m2/s2,,其中h为焓值,kJ/kg;Jj,为组分j的扩散流量;Sh包含了化学反应及其他的体积热源项;keff为有效热传导系数,如式(4)所示;(τij)eff为黏性散热项,kg/(m·s2),其定义如式(5)所示。

式中,k为气体热导率,W/(m·K);cp为气体比热容,J/(kg·K);Prt为普朗特数常数,取值为定压0.85。

本文中,Realizable k-ε 湍流模型被用来预测离心叶轮内黏性湍流流动。关于湍动能及湍动耗散率的输运方程如式(6)和式(7)所示。

式中,ε为湍动耗散率,m2/s3;,Sij为平均应变张量;C2=1.9;ν为分子运动黏性系数,m2/s;σk、σε分别为湍动能及其耗散率的湍流普朗特数,取常数分别为1.0和1.2;Gk为由平均速度梯度引起的湍动能产生项,kg/(m·s3);YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响,kg/(m·s3)。

2.3 边界条件设置

以垂直于叶轮入口的质量流量作为入口边界条件,并定义入口处气体的温度、湍流强度、水力直径。蜗壳出口采用压力出口边界。固壁为绝热无滑移。在压气机内部旋转和静止区域结合交接面处,采用interior边界条件,以提高计算速度和精度。

2.4 网格模型

由于压气机内部流场的曲面形状复杂,数量较多,采用适应性较强的四面体网格。对流动变化剧烈的部位,采用网格细化以充分捕捉局部详细流动特性。压气机流场整体划分了110万单元,其中叶轮区域划分了76 万单元,以提高数值计算的准确性。

3 气体流动数值模拟结果分析

等熵效率是压气机的重要性能,在五个不同工况下,利用仿真得到的压气机进出口的总温(Ttotal)和总压(ptotal),可计算压比(πc)和等熵效率(ηc),如式(8)和式(9)所示。

图2为压气机在五个工况下的压比和等熵效率计算结果。从图2可以看出,压气机的压比随着压气机流量的提高而近似线性增加;效率先随着流量的增加而提高,在流量为3.75m3/s时达到最大值79%,之后在最大流量3.95m3/s时效率下降到约77%。这是因为流量的继续上升,使得压气机出口温度迅速增加,而压比增加缓慢,由式(9)可知,此时效率下降,但其根本原因是高流量工况下,压气机内流动损失的增加导致了效率的降低。

3.1 转子区域流动特性

叶轮作为旋转区域,是压气机流场数值分析的关注重点。在主流叶片前缘、尾缘的叶尖和中点部位分别设置四个监测点,如图3所示。计算得到不同工况下的速度和压力结果,如图4和图5所示。

计算结果显示:压气机叶片前缘叶尖与中点位置的速度与压力的数值相差较大,而叶片尾缘叶尖与中点位置的数值相近。这表明叶片前缘部分流场分布不均,变化剧烈,随着在叶轮通道内气体流动的发展,流场特性逐渐趋于稳定。

在不同工况下,转子区域速度与压力的变化存在明显差别,四个监测点的速度随着转速的上升和流量的增加呈单调增加的趋势。静压的变化则存在波动,尤其是叶片前缘监测点,随着流量的增加,静压波动较大。这主要是因为在叶片的前缘叶中和叶尖随着转速的上升,回流区经历了收缩、发展过程,导致监测点部位速度数值及方向的改变,最终形成了压力的波动。

为了更加深入地分析叶轮内的气流流动,需要从叶片表面速度分布入手,获得更加详细的流动信息。图6和图7分别为在工况4时的主流叶片压力面表面速度分布云图和矢量图。

研究结果显示:在叶片前端,沿着翼展方向的速度分布梯度较大,而沿着气流流动方向的速度变化较小;在叶片尾部,沿着气流流动方向速度分布梯度较大,而沿着翼展方向速度变化很小,从而使图4中叶片前缘叶尖与中点位置的速度差异较大而在尾缘的速度差异较小。对于前缘与尾缘流动差异的原因,可以通过压气机结构所造成的流动形态进行分析。由于压气机的气流是轴向流入径向流出,因此叶片前端的轴向速度变化缓慢而沿翼展方向的速度变化较大。随着气体的流动,气流被径向甩出,加之下游扩压器的阻塞作用,导致叶片尾部的速度变化与前缘有所不同。

从叶片表面速度分布矢量图可知,流动可大致分为叶轮入口部位的紊流区、叶轮中部叶尖部位回流区及沿叶轮流道方向流动的主流区三大部分。导风轮是叶轮入口的轴向部分,叶轮入口向旋转方向前倾,最先受到进气气流的冲击,因此在叶片吸力面前端极易形成紊流区,产生能量损失。沿着气流的流动方向,在叶轮中部叶尖部位的逆压梯度过大,导致气流发生分离产生回流。

用回流面积占叶轮面积的相对大小表示回流面积比。图8为五种工况下的回流面积比与流量的变化关系。从图8可以看出,工况1~工况4的回流面积比随着流量的增加而下降,在工况5时再次上升。由于回流的气流会导致进气损失,回流面积越小,进气效率就越高,所以图8中回流面积比随着流量的变化关系与图2中压气机效率随着流量的变化关系正好相反。同时,回流区与主流区交界处压力、速度的剧烈变化对于叶片的使用寿命产生不利影响,严重时回流的高压气体会使高速旋转的叶片发生逆转并折断,造成涡轮增压故障。由此可知,在叶轮机壳上设计进气回流系统是必要的,可有效扩大压气机的流量而不会导致效率的降低。

在工况4时对叶轮不同高度处横截面的流动特性进行分析发现,在距离叶轮入口约15mm处出现流道涡旋运动(图9)。随着流道内气体的流动,涡旋运动逐渐减弱,约在轴向距离叶轮入口约100mm的横向截面处涡旋消失。分析认为,叶轮流道内部受到的离心力相对叶轮机壳壁面处的离心力较小,内部主流方向沿着流道延伸,而在机壳壁面附近由于固壁的摩擦及高速旋转离心力的作用,使得机壳附近流动呈周向流动,二者的相互作用导致了涡旋的产生。在不同工况下,随着转子转速的增加,叶轮流道内部主流的流动强度增大,机壳壁面附近的圆周运动区域被挤压,使得流道内的涡旋运动向机壳壁面发展。

在叶顶间隙处,随着转速的增加,圆周方向比主流方向的流动速度增加得更快,导致流动角发生变化,使得流动角趋于向周向发展,易造成二次流损失和叶尖间隙噪声,增加叶片高度和减少叶顶间隙可以减小效率损失和控制叶尖间隙噪声。

由动量方程(2)可知,速度的改变离不开压力的变化,叶轮内流场的速度改变必然与压力波动有关。图10为工况4下主流叶片的压力面与吸力面的静压分布云图。叶片的压力面上有一个相对低压区,其位置与图7中速度分布矢量的回流区、主流区的交接区域相同。叶片的吸力面上入口处有一低压流动区域,从而产生了图7中入口处紊流区。计算结果表明:随着转子转速的上升和流量的增加,主流叶片吸力面低压区的面积随之扩大。

图11为转子出口截面的平均速度、压力随着流量的变化情况。从图11可以看出,转子出口的速度与压力均随着流量的增加而增加,转子出口速度随着流量的变化趋势比压力明显,这对于内燃机与压气机的匹配设计具有参考价值。

3.2 扩压器区域的流场特性

图12为扩压器体中部横截面的速度矢量图。从图12可以看出,受蜗壳对流动的干涉作用,流场呈明显的不对称性,部分扩压器叶片的首部产生涡旋运动,且尾部出现尾迹涡流。这些部位的涡流对气流的速度、压力及熵的影响明显,容易造成气流的能量损失。叶片首部的漩涡是由于转子出口的高速气流冲击前缘引起,为了减小气流撞击产生的脱流损失,可将叶片进口部分加工成圆头,并调整扩压器的叶片入口角。对叶片尾迹产生的涡流,可通过对叶片尾部的形状优化设计加以改善。

3.3 总体流动特征分析

为了从宏观上对压气机的流场特性进行分析,图13为模拟得到的压气机中气流的压力(p)、速度(v)、温度(T)和密度(D)等状态参数随着流动的变化过程。从图13可以看出,气流从进气管入口到叶轮入口压力降低,原因是叶轮高速旋转导致气流做离心运动,在入口处形成负压区,从而将新鲜空气不断压入叶轮;从叶轮入口到蜗壳出口,压力增加。速度的变化总体趋势是先增再减:从叶轮入口到转子出口处速度增加,原因是叶轮不断做旋转运动,将机械能转变为气体的动能;在进入有叶扩压器后,利用扩压器叶片阻抑气流的旋转以缩短流动路径,扩压器的无叶区则减少流动的不稳定性,通过减小叶片前缘的马赫数来避免冲击波,最终将速度能转化为压力能;进入蜗壳后,由于本模型是渐扩式蜗壳,速度不断降低,压力继续增加。在气流流动过程中,密度不断增加,最终在内燃机进气口以高密度高压力进入,可达到主机进气的需求,提高输出功率。

图14为蜗壳出口的气流密度、压力随着流量的变化曲线。从图14可以看出,出口压力与密度随着流量的增加而增加,其中密度的增加较为陡峭,而压力的增加相对平缓。

4 结论

(1)所研究的压气机在28 200r/min转速时效率达到最大值79%,在柴油机匹配时应尽量将该转速范围设计为常用工作状态。

(2)在转子区域,主流叶片叶面回流的程度直接影响压气机的效率,在小流量工况下的回流面积较大,可通过对机壳进行进气回流改造加以改善。

(3)主流叶片前缘的压力、速度沿着翼展方向变化剧烈,在尾部相对均匀,加厚叶片前缘,可提高叶片的使用寿命。

(4)扩压器叶片入口处容易引起涡流损失,出口处容易导致尾迹涡流,可通过调整入口角及修改叶片入口与出口的形状加以改善。

摘要：基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程与Realizable k-ε双方程湍流模型,利用CFD软件建立了某型涡轮增压器离心式压气机内部气体的可压缩流动仿真模型。分析了不同工况下压气机的压比和效率随着流量的变化关系,深入研究了转子区域和扩压区域的气体流动速度与压力的分布、形成过程及相互影响。研究结果表明:增压器在28 200r/min时工作效率最高,叶轮主流叶片压力面中部靠近叶尖区域出现低压区引起的气体回流现象及叶片吸力面出现低压区引起的气体紊流现象是影响压气机效率变化的原因;叶片前缘及尾部流场特性存在较大差异;扩压器叶片入口处极易出现涡流损失。

涡轮气体流量计 第8篇

1 涡轮流量计、超声波流量的简介

1.1涡轮流量计

涡轮流量计按显示方式的不同可分为就地显示式和电远传式两种。

就地显示式的工作原理是:流量计传感器内的涡轮在流体作用下产生旋转使信号检测器的磁场产生变化, 因此在信号检测器的线圈中, 感应出交变电压, 在经过放大器放大、滤波、整形输出方波信号。此信号电压的频率与叶轮的转速成正比, 即与流体的流量 (流速) 成正比。

涡轮流量计的选型

由于涡轮流量计体积小、精度高、重复性好, 非常适用于天燃气的精确计量。它的主要涡轮流量计的选型应从以下几方面考虑:

(1) 精度等级。涡轮流量计其精确度高, 使用者也是看中其这个特点, 但是流量计精度愈高, 对现场使用条件就越挑剔。

(2) 流量范围对涡流流量计精确度和使用年限有很大影响, 也是流量计口径选择的标准。选择流量范围的原则是:Q max ≥ Q ≥ Q min , Qmin—仪表允许的最小流量, Qmax—仪表允许的最大流量, Q—实际流量。

(3) 气体的密度。在小流量区域时, 气体密度对仪表系数的影响较大。如果气体密度变动频繁, 要对流量计的流量系数采取修正措施。

(4) 压力损失。涡轮流量计压力损失越小, 则气体由输入到输出管道所消耗的能耗就少, 即可大大节约能源, 降低输送成本。

(5) 轴承。天然气计量仪表轴承应选用碳化钨材料。

1.2超声波流量

由于超声波流量计具有数据自动存储、节约能源、特别适合大口径流量测量、安装维修方便、通用性好等特点, 在天然气管道输送行业得到了广泛运用, 尤其是在新建的管道工程中。它的原理是:超声波流量计时利用超声脉冲在气流中传播的速度与气流的速度有对应的关系, 即顺流是的超声脉冲传播速度比逆流时传播的速度要快, 这两种超声流量计传播的时间差越大, 则流量也越大的原理。如下图所示:

1.2.1超声波流量计的缺点

(1) 抗干扰能力差, 噪声、气质干净度都会影响其测量精度。

(2) 温度测量范围不高。只能测量温度<200°C的流体。

(3) 对管道前后直管段要求严格, 要求前20D, 后5D (D指管径) 。

(4) 对安装要求比较高, 要正确安装, 否则测量的流量误差较大。

(5) 可靠性、精度等级不高, 重复性差。

(6) 价格较昂贵。

1.2.2气体超声波流量计应用中应注意的问题

(1) 正确选型。每种流量计有它的测量范围, 气体超声波流量计也不例外, 它的测量范围很宽, 一般说来最大流量和最小流量比为30:1。气体超声波流量计是利用测量天然气的流速来求得天然气的流量。其理想的工作流速范围为 (2.7~27) m/s。所以, 在选型时应该考虑天然气在管道中的流速在工作流速范围内。同时, 还要考虑是否在超声波流量计周围有产生超声波信号的各种设备, 如高速度、大压差的减压设备和消音设备等, 这些有可能产生超声波对流量计产生干扰。

(2) 正确安装。气体超声波流量计应水平安装。上下游直管段应该满足要求, 若不满足要求应加装流动调整器。此外, 如果天然气含液较多, 气体超声波流量计及其计量管段的安装位置要高于其上下游管道, 这样天然气中析出的液体就能随气流被带走, 减少对超声波流量计造成的计量故障。对如果天然气中含粉尘较多, 于应在流量计上游直管段前段加装过滤器, 以减少超声波流量计的为换能器表面沉积物堆积出现故障。

2结语

流量计在天然气工业中担当着重要的角色, 要正确的选型和使用它, 才能使计量准确, 达到优质、高效的为社会和人民服务。尤其是在选型时, 面对具体的气质特征要选择相应的流量计, 因为天然气虽然经过了多层处理, 但是里面还是含有很多杂质, 所以还要定期清理和检定流量计的准确度, 以确保计量准确。

参考文献

[1]丁巧.气体涡轮流量计的选型和使用.中国计量.2005年1月刊.