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涡轮流量计在线监测研究及设想



  在燃气涡轮流量计在线监测以及故障诊断方面,无论是在国内还是国外都有着不同程度的研究和应用,涡轮流量计首先是在国外得到应用的,因此从在线监测以及故障诊断上来说国内的起步晚,所以说对于国内的情况来说就需要做出更多的努力。 

1、在线监测的目的意义:
  在国际上是否对涡轮流量计进行在线监测,并没有明确规定或者标准,最终是否进行在线监测一般要根据贸易双方的相关商务或技术协议要求确定。在线监测流量计装置可以对计量流量计进行连续或非连续的监测,这样可以减少测试设备、环境、人员、方法等各种因素引起的误差。中国石油燃气集团公司企标 Q/SY1447.2011《输气管道计量导则》中有规定“现场流量计公称直径大于等于 250mm 时,计量系统宜设置现场流量计比对流程” [20]。比对计量就是在贸易计量下游安装一个计量流量计,通过设置两个计量流量计的方式进行在线监测,在贸易计量中,尤其是大流量的情况下,贸易双方对于计量的准确与否都很关心,如果只用一台流量计进行贸易计量容易引起争议,因此比对计量就是必须的了。 

  伴随着大用户的不断增加,也有很多大用户流量计的使用也进入了老化期,在每两年的标定工作中也逐渐的有流量计出现了故障。在检定中发现的故障多是在计量工作当中就存在的,但是由于故障具有隐蔽性不容易被发现,因此并不能准确的推算出故障发生的时间点,贸易双方无法进行准确的贸易补偿。这种情况的故障给贸易双方带来很大的损失,尤其是本文中提到的大用户,影响的贸易计量数量可以达到百万立方米以上,
因此急需要加强对涡轮流量计的在线监测。 

2、在线监测分类:
  计量设备在线监测系统是监测工作状态下的流量计是否正常,在线监测按照其监测是否间断分为:永久性监测和暂时性监测两种。 
2.1、永久性监测:
  永久性监测第一个方法是在工作流量计的管路上串联安装上一台监测用的流量计,在监测流量计原理选择时,监测用流量计的原理应该与工作流量计的原理不一样。如图4-1 所示工作流量计为涡轮流量计,监测流量计为超声波流量计,由于串联管道内燃气流量一样,同时被两台流量计计量的时候,监测流量计的示数应该与工作流量计示数一致。在监测的过程中,一般要求两台流量计读书的偏差小于 0.5%,当示数偏差大于 0.5%时[21],应及时对两台流量计进行检查,如果工作台出现故障那么就进行维修标定等工作。 
图 4-1 串连流量计监测示意图
图 4-1 串连流量计监测示意图 
  在国内最大的贸易计量就是在长输管线末站与城市燃气供应方之间,上游单位与下游企业的贸易计量采取上游末站为贸易计量结算,下游接收门站比对计量进行监测的方法,这就属于在贸易计量的下游串联流量计的方法。在燃气供应方与大用户之间的贸易计算时候也多采取类似的办法,即:用户的炉前流量计和燃气供应方选购的贸易流量计相互比对监测。 
  永久性监测第二个方法是流量计自身监测,例如超声波流量计的自身监测是采用声速核查功能,声速核查是把计算出来的声速与测量的声速进行比对,如果超出设定范围则需要对超声波流量计做进一步的诊断。这种声速核查功能可以判断计量设备是否正常工作,能够精确计量精度,对于超声波流量计的连续正常计量,声速核查起着及其重要的作用,现在声速核查功能在国内大口径超声波流量计上的得到了普遍的应用。 
  自身监测应用到涡轮流量计上则是采用双脉冲输出信号,一个高频信号作为贸易计量计算使用,另一个高频信号则是作为参比。流量计算设备接收这两个高频脉冲信号,将两个信号进行比对,当两个高频脉冲信号不符合时初步判断流量计的脉冲存在故障,需要根据现场进一步的判断才能判断出是否存在故障,可以有效提醒计量工作人员关注涡轮流量计的运行状态。 
图 4-2 涡轮流量计双高频图

图 4-2 涡轮流量计双高频图 
  图 4-2 中的涡轮流量计就是采取了双高频比对计量,图中两个红色圆圈内的为两个高频头,左侧连接了数据线的为工作高频头,右侧圆圈内尚未连接数据线的高频头为参比用的高频头。当采用双高频头比对时,计量时两个高频头可以同时向流量计算设备当中输入脉冲信号,流量计算设备接收到两组信号后分别进行计算,以工作高频头数据为贸易结算量,参比高频头数据作为比对,一旦两组数据计算出的数据出现异常则产生报警。 
  通过对串连流量计监测和流量计自身监测两种办法的比较,两者都能实现二十四小时不间断的监测,发现两者的特点如下:
  串联流量计监测由于是两台流量计同时工作,两台流量计同时工作即便是有一个发生故障仍然能够正常计量,除去能够在线监测外还可以实现更高的可靠性。因为两台流量计串联工作,因此就需要更长的管线长度占据更多的土地,除此外这种监测方式缺点是成本高(包括购置成本、维护成本、标定成本等都有所增加)。流量计自身检测虽然能够降低各种成本、缩减占用空间,但是一旦涡轮流量计本身出现故障就会引起监测不准,甚至是数据丢失等影响计量的故障发生。 
  经过比对发现如果现场条件允许、资金充足并且燃气用气量很大的情况下采取串联流量计监测的方法,相反则可以选择流量计自身监测的方法。 

2.2、暂时性监测:
  暂时性监测常用的有两种方式,一种方式是两路计量线并联供气,其中一路为运行,另一路为备用的模式使用,通过切换流量计,通过比对备用流量计和运行流量计的数据,对两台流量计进行核查;另一种方式是设置移动标定口,用标准设备对流量计进行监测,监测时将标准设备连接在现场接头上。(第一种方式并联流量计时要注意:保持并联线路的水平,并且确保并联几路之间的压力损失没有太大差别。) 
  除了上述两种方法外,国外厂商设计的在线诊断软件不需要额外的空间,只需要专业的工程师携带相应的设备到现场去检测即可完成涡轮流量计的在线监测,但是由于需要专门的设备和专业人员才可以进行现场的操作,因此该方法并不能实现二十四小时实时的监测;另外这个软件和工程师的每天诊断费用就高达数万元,无论是用户还是燃气供应方都是无法承受的经济负担。 
图 4-3  计量管线 2 开 1 备设计图
图 4-3  计量管线 2 开 1 备设计图 
  图 4-3 是北京市燃气集团重点计量站点的计量管线设计图,计量设备都是采取并联流量计的方法,计量设计为计量线前后汇管,流量计采取多开 1 备方案,确保在其中某一在用流量计出现故障后立刻开启备用路,确保下游正常用气的同时也能保持计量工作的正常运行;当同时开启两路或多路流量计时,同时开启的涡轮流量计能够起到相互监测的作用,可以保障数据的可靠性。但是,下游用量低的时候只能够开启一路流量计,就无法实现监测功能。 

3、在线监测数据参数:
  压力损失英文是 differential pressure,表达式是△P=P1-P2,指体系内两点间的压强差。在流体力学中压力损失分为两种,一个是沿程压力损失另一个是局部压力损失。局部压力损失的定义:当燃气流经三通、阀门等管道附件时,由于几何边界急剧改变,燃气流线的变化,必然产生额外的压力损失,称之为局部阻力的压力损失[22]  ,显然涡轮流量计前后的压力损失就属于局部压力损失。当涡轮流量计没有燃气流过时,其压力损失为零,只有当有燃气流过才会产生压力损失,因此就需要研究涡轮流量计压力损失与流量之间的关系。 

3.1、涡轮流量计局部压力损失的产生分析:
  图 4-4 是燃气流经涡轮流量计的示意图,燃气从左向右流动,进出口处分别对断面1 和断面 2 进行分析。 
图 4-4 燃气流经涡轮流量计的示意图


图 4-4 燃气流经涡轮流量计的示意图 
a)  在重力场中流动的燃气总流量能量方程: Z +   +       = Z +   +       + h      [23]                    (4-1)   、  为两个断面的压强 Z 、Z 位两个断面的相对于基准面的高程   、  为断面的平均流速 为流体的容重 为断面的动能修正系数 h    为两个断面之间的平均单位水头损失 b)  涡轮流量计要求水平安装,因此涡轮流量计前后没有高度差Z = Z ,则有:      =   −   +       −                                     (4-2) 
  c)  涡轮流量计的过流面积为 A,流量为 qv 时,气体速度  =   ,对于断面 1 和断面 2面积相同,因此  =  。则有:      =                                                (4-3) 由此公式(4-3)我们可以看出,水头损失值等于进出口的压力损失值除以燃气容重,即:流体在管道中流过涡轮流量计后,产生压力损失体现在水头损失上。 

3.2、涡轮流量计压力损失与流量的关系:
  局部压力损失公式: Pm=  −  =ξ                                      (4-4) Pm 为局部压力损失(k Pa); ξ 为局部阻力系数(主要是用实验或半实验的方法获得); ρ 为燃气密度(g/m³); V 为燃气速度(m/s)。[23] 从局部压力损失的计算公式(4-4)可以得出结论:局部压力损失与速度(流量)的二次方成正比,在实际运行当中重点就是如何确定其局部阻力数 ξ,气质不变,局部阻力数 ξ 在某一速度下的数值又可以通过实验的方法来确定。 

3.3、压力损失法在线监测数据分析:
  局部压力损失是我们不希望出现的,因为压力损失的产生也就意味着能源的损失和浪费,但在涡轮流量计中这部分压力损失却是不可避免的,不过我们却可以利用这部分压力损失来判断涡轮流量计的轴承运行状况。 在计量线上安装压力损失计,用于测量涡轮流量计的压力损失,正常运行状态下,
我们可以根据测出的涡轮流量计压力损失和流量,得出局部阻力系数 ξ 的函数关系,即: P =f( )·                                         (4-5) 式中:f( )= ξ     
  图 4-5 是选自《气体涡轮流量计流道压力损失的数值模拟》一文,该实验选择了13m³/h、25m³/h、62.5m³/h、100m³/h、175m³/h、250m³/h 这 6 个流量点进行同工况环境数值模拟测试。[18]  
图 4-5 压力损失与流量函数图


图 4-5 压力损失与流量函数图 
  由上图我们可以看出燃气涡轮流量计压力损失和流量存在线性关系,压力损失随着流量的增加而增加,二者之间关系拟合曲线为二次多项式,表达式为: P =0.022 5   + 0.108 1  − 0.094 9                  (4-6) 根据上述结论,在正常情况下做出压力损失与流量函数图(f( )的函数图),得出相应的一元二次方程组。将燃气涡轮流量计实际运行情况下记录的的示数q  带入到公式(4-6)中,那么计算出的压力损失为P  ,将P  数值与压力损失计所记录的真实数值P 进行比对,在压力损失计正常计量的情况下,如果超出误差允许的范围(误差范围由涡轮流量计的误差、压差计的误差和公式引起的误差三个方面共同决定),那么就可以判断出,该燃气涡轮流量计的基础数据测量部件存在故障。计量工程师就需要去现场,对涡轮流量计进行故障排除。 应用举例:有些用户是间断用气的,当不用气的时候,涡轮流量计的示数为零,那么该流量计前后没有压力损失,压力损失计的示数为零,这是正常的现象。但是,当压力损失计持续显示,并且示数较大而流量计显示流量为零的时候,我们就能够判断出该流量计基础数据测量部件出现了故障,存在过气不计量的情况。 

4、在线监测结果分析:
  经过比对可以发现,永久性监测的方法不仅可以实现二十四小时不间断监测,还可以提高计量数据的真实有效性。暂时性监测不能完全实现二十四小时不间断监测,在未监测时间段内的计量数据是否正常就难以确认。 燃气涡轮流量计的在线监测手段需要对涡轮流量计进行实时监测,才能够第一时间发现涡轮流量计的故障,及时采取相应的措施减少故障带来的损失。这样就可以有效的监测涡轮流量计的工作状态,保障贸易计量的准确性。 在线监测必须具有如下功能: 

(1)监测连续:
  针对涡轮流量计在线监测来说,如果不能实现二十四小时不间断的监测,那么其监测也就失去了监测的意义。现阶段涡轮流量计多用于工商业等较大型的用户上,其用气量相对来说很大,当发生了影响计量的故障后,双方计量工作人员需要进行后续的用气量核算处理,由于故障发生的起始时间不能确认,因此双方在后续处理时必须要人为确认一个故障发生的时间,那么人为确认的故障期就会比实际的故障期相应增加或者减少,由此给双方的利益带来的损失都是巨大的。 
(2)及时发现:
  由于是不间断的监测,就可以使我们燃气供应方在第一时间内就发现涡轮流量计的故障,尤其是贸易计量的涡轮流量计,在最短的时间内得到故障信息,这样就可以避免在发现故障不及时所带来的损失。 不间断的监测还应该针对长期劳损损坏故障,做好故障诊断工作,在涡轮流量计的长期劳损部件并未达到影响计量精度之前,提前发现并由厂家做好维护更新工作,将一部分故障消除在未发生之前。 
(3)延长检定周期:
  根据《中华人民共和国计量法》的规定,燃气的涡轮流量计属于速度式流量计,作为贸易计量器具使用时,强制两年进行一次检定。检定工作给各地的燃气集团带来了很大的困难,部分新投入使用的涡轮流量计几年之内是没有任何问题,但是却要频繁的拆装进行检定,在拆装和运输的过程中也有可能会引起流量计的损坏。 
投入运行时间长短不一样的流量计,在使用期 5 到 10 年的涡轮流量计出现故障最频繁,使用期不到 5 年出现故障频率最低,而超出 10 年的涡轮流量计故障率居中,如果能够实现在线监测,可以综合考虑涡轮流量计的使用年限和涡轮流量计的运行状态,对检定周期进行适当的延长,这有利于优化检定工作中人力和物力的分配。 
  安装涡轮流量计的在线监测装置,一经发现问题就可以即时维修并送去具有国家检定资格的检定公司进行检定,对于新投入使用的涡轮流量机来说可以适当的延长其检定周期,节省不必要的开支和风险。对于投入运行时间在 5 到 10 年的涡轮流量计来说,可以通过实时监测,一旦发现问题就送检。通过在线监测设备的投入使用,就可以适当的调整涡轮流量计的检定周期,合理的安排资源。 

小结:
  在线监测分为永久性和暂时性的,永久性的在线监测可以为管理者提供 24 小时不间断的监测数据,因此在研究方向上应该选择永久性的在线监测作为研究对象。在线监测的使用能够加强涡轮流量计计量的准确性,也是掌控涡轮流量计的运行状态的有效手段,也为供气方和用气方利益增加了一层保障。参考了别人大量的涡轮流量计相关实验,结合了相关的理论计算,最终确定研究方向为涡轮流量计的压力损失与流量的函数作为研究对。