天然气流量计

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一、天然气流量计概述

①技术特点

1.无可动件,结构简单、牢固,寿命长.

2.测量范围宽.在测量范围内,仪表常数的精确不受介质温度、压力、粘度、密度的影响，所以,仪表适应的介质种类多.

3.压力损失小。适合于测量中高流速范围的液体、气体及蒸汽。不适于在低流速范围内使用，不适于高粘度液体。

②天然气流量计包括以下不同功能产品

1.现场显示天然气流量计

2.天然气流量传感器

3.两线制天然气流量计

4.插入式大口径天然气流量计/传感器

5.智能流量显示仪、热量显示仪

③天然气流量计各功能产品构成如下

1.DN15～DN250为管道夹装系列.

2.DN300以上为插入式天然气流量计(系列)。

3.现场显示天然气流量计.有电池供电、12V外供电和12V外供电带累计量脉冲输出三种.（不带温压补偿)

4.天然气流量传感器与智能流量显示仪配套组成天然气流量计.同时配套压力变送器和温度变送器,可对介质进行温度压力补偿,与热量显示仪配套,还可以进行热量计量.

5.两线制天然气流量计,输出4～20mA电流信号。须配套具有24V直流馈电的仪表,然后电流信号串联进入仪表(或计算机、记录仪等)的电流信号输入端.

二、天然气流量计测量原理

①力矩分析

作用在涡轮上的力矩有:

a.流体流过涡轮时对叶片产生的转动力矩Tr，它是主动力矩。

b.涡轮轴与轴承之间摩擦产生的机械摩擦力矩Trm 。

c.流体流经涡轮时对涡轮产生的流动阻力力矩Trf。

d.电磁转换器对涡轮产生的电磁阻力力矩Tre。

因此，涡轮的旋转角速度。可表示为:



  式中，J是涡轮的转动惯量。一般情况下，电磁阻力力矩Tre很小。涡轮以恒定的旋车转角速度旋转，因此，旋转角速度w对时间的微分为零。即有:

  O=Tr-Trm-Trf

    如图所示，旋翼的导流片与轴线之间夹角为θ，流体的入口和出口流速为u1和u2。它们与圆周方向的夹角分别是α1和α2。流体对旋翼作用产生的旋转力是圆周方向的。根据动量原理，其圆周方向的力fr等于单位质量流体量在圆周方向的动量变化，即:

                            fr=gvρ(u1cosα1-u1cosα2)                                     

式中，qv和ρ是流体的体积流量和密度。



因入口和出口圆周运动速度相等，有:ur1=ur2=ur=wr。

流体离开叶片的相对速度与圆周运动方向夹角等于叶片倾角θ，因此，有:β2 =90°-θ。

因流体流速的轴向分量没有变化，有:u1=u2sinα2

经化简，得：fr=qvρ(u1tanθ-wr)。因此，主推力力矩为：Tr=frr=rqvρ(u1tanθ-wr)

考虑u1-qv/A。 A是流通截面积。则有：

用仪表系数K表示，即：

式中，z是涡轮叶片数;f是涡轮产生的脉冲率。

根据上述，有下列结论:

a.当与Tr比较，Trm,和Trf可忽略时，即可近似认为它们的值为零，这时，天然气流量计的体积流量qv与涡轮产生的脉冲频率了成正比。

叶片数Z增加，则K增加，同样脉冲频率下流体体积流量减小，换言之，同样体积流量时的脉冲数增加。

倾角θ增加，则K增加，同样脉冲频率下流体体积流量减小，换言之，同样体积流量时的脉冲数增加。

叶片半径r减小或流通截面积A减小，则K增加，同样体积流量时的脉冲数增加。

考虑实际应用时，涡轮需要先克服静摩擦力矩后才能转动，因此，Trm不为零.仍假设流体阻力力矩Trf忽略。则刚开始旋转时的流量称为始动流量，这时，输出脉冲频率仍为零，即有：

因此，始动流量qvmin为：

始动流量与涡轮轴与轴承之间摩擦产生的机械摩擦力矩Trm有关，该力矩大则始动流量也大。

倾角θ增加，从上式可知，一方面它使始动流量减小;另一方面，它增加了机械摩擦力矩，使始动流量增大。因此，倾角θ有一个优化值。

叶片半径r增大或流通截面积A减小，可减小始动流量。但也对仪表系数K有影响。

流体密度大，则始动流量小。因此，当流体温度变化引起其密度变化时，始动流量变化。

当流体流量大于始动流量后，流体主推力力矩主要克服流体阻力力矩，可忽略动摩擦力矩。因此，可根据流体流动状态进行分析。

层流流动。流体层流流动的阻力力矩可表示为流体体积流量的线性函数:Trf=C2μqv

式中，C1是阻力系数;μ是流体黏度。

紊流流动。流体紊流流动的阻力力矩可表示为流体体积流量的二次方函数:Trf=C2ρqv

式中，C2是阻力系数。ρ是流体密度。

仪表系数K。根据上述，绘制如图所示仪表系数与流体流量之间的关系曲线。

从图可见。



A处的流率对应于始动流率。b-d段的流动状态处于层流状态,c和d分别对应线性zui小和zui大流率。e是误差范围.天然气流量计的范围度可达20:1或更高。

通常，流体流率大于c点流率就进人线性操作区，即可认为K是常数。

图中，根据伯努利方程确定差压△p，它随流量的增加而以其平方关系变化。

②流体性能的影响

a.流体黏度的影响。天然气流量计的重要特性是它的高复现性，典型值可达0.02%，而精度达0.25级。根据式(2-102)，流体黏度对仪表系数有影响，因此，对高黏度流体，例如，石油化工的流体结算，应考虑黏度的影响。

平直叶片.图2-51(a)是平直叶片时，流体黏度对仪表系数的影响.可以看到，随黏度的增加，静摩擦力矩增加。因此，层流区段增大，线性范围区段减小，仪表系数也有所提高。



螺旋叶片.图2-51(b)是螺旋叶片时，流体黏度对仪表系数的影响。可以看到，随黏度的增加，静摩擦力矩增加不明显，因此，层流区段增大不多，线性范围区段减小较少，而仪表系数可基本保持不变。

仪表口径。通常，仪表口径越小(<50mm)，它受流体黏度的影响越大。

流体密度的影响。流体密度对仪表系数有影响。

气体密度的影响。气体密度随温度压力变化而变化，由于其值是液体密度的千分之几，因此，为获得同样的转动力矩，气体的流速要增大几十倍.这就造成轴承摩擦力矩随位用时间的增加而激烈增大。为此，除了要进行密度补偿外，设计时气体天然气流量计的倾角要小些，以降低叶轮旋转速度。

③其他影响

流体流动状态的影响。流体进入流量计的流动状态影响仪表系数。为此，应有足够直管段长度，以使流体充分发展，消除进口处流体流速分布的不均匀和不稳定。

安装方式的影响。水平和垂直方向的安装会影响流量计的仪表系数。要求现场安装方式与标定时安装方式*，安装偏差不超过5°。

④天然气流量计的压损

    天然气流量计的压权来自涡轮转子对流体动能产生的机械阻力和流体a滞引起的黏滞阻力。转速越高，机械阻力越大;流体黏度越大，黏滞阻力越大。根据伯努利方程可知，天然气流量计的压损与流体在叶片前平均流速的平方成正比，与流体密度成正比。

⑤天然气流量计结构参数对性能的影响

    a.叶片平均倾角θ。倾角θ小，同样大小流量下，叶轮转速提高，仪表灵敏度提高。但转速提高使轴承磨损增大，使用寿命缩短.通常对液体，倾角为30°-45°。气体为10°-150°。

    b.叶片数Z。叶片数Z增加，摩擦阻力矩增大，叶轮惯性力矩也增大;同时，Z的增加使仪表读数准确度提高。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.叶轮顶径与流量计导管内壁间隙δ.间隙δ过大，流体动能不能充分利用;δ过小，流体黏度影响增大.通常D≤10mm, δ=(0.05,0.07)D; 10mm<D≤80mm, δ=(0.01-0.015)D; 80mm<D，δ=0.01 D。

d.叶轮根径与流量计导管内径之比k, k越大，仪轰灵敏度越高;但引起叶轮转速提高，磨损增大，压损增大。

E.叶片重叠度P。P过大，不仅使叶轮重量增大，磨损加剧，也使压损增大。过小则易漏过流体，降低一般灵敏度。一般P=0.9~1.2。

二、天然气流量计技术参数

公称通径(mm)

15、20、25、40、50、65、80、100、125、150、200、250(300～1000 插入式)

公称压力(MPa)

25 (大于25协议供货)

介质温度

-40～150℃ -40～250℃ (-40～350℃,协议供货)

本体材料

1Cr18Ni9Ti (其它材料协议供货)

精确度

±1%R, ±1.5%R ±1%FS ±2.5%FS

范围度

1:6～1:20

供电电压

3.6V电池、或±12V DC、或+24V DC

输出信号

传感器或流量计脉冲:方波高电平≥5V,低电平≤1V;流量计电流:4～20mA

压力损失系数

Cd≤2.4

防爆标志

隔爆：ExdIICT5

防护等级

IP65

环境条件

温度-20℃～55℃,相对湿度5%～90%,大气压力86～106KPa

适于介质

各种气体、天然气、蒸汽

传输距离

传感器:zui长可达4km,两线制流量计:负载电阻≤750Ω

附表( 二) 常温、常压空气工况适用流量范围表（管道式）

仪表口径（M P a）

天然气测量范围(m3/h)

连接方式

耐压等级（M P a）

DN15

5-25

法兰夹持/法兰连接

 2.5、1.6

 

DN20

8-50

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN25

10-70

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN32

15-150

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN40

22-220

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN50

36-320

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN65

50-480

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN80

70-640

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN100

130-1100

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN125

200-1700

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN150

280-7240

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN250

970-8000

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

DN300

1380-11000

法兰夹持/法兰连接

2.5、1.6

三、天然气流量计安装及外形尺寸

尺寸/口径

DN15

DN20

DN25

DN40

DN50

DN65

DN80

DN100

DN125

DN150

DN200

DN250

DN300

L

法兰夹装式

57

57

57

75

75

75

75

90

90

110

150

180

210

法兰安装式

200

200

200

200

200

200

200

250

250

300

350

450

500

D

100

100

160

180

215

220

195

230

270

300

370

450

515

H

360

360

360

380

380

385

390

410

440

460

585

610

745



“L ”为两个安装法兰之间给流量计留出的安装空间.



图中:L-插入杆长度,L1-备用检查尺寸,S-定位杆中心到管道外壁zui高点的距离,h-插入深度,δ-管道厚,DS-用户管道实际内径.

公称通径DN(mm)

适用被测管道实际内径范围DN(mm)

插入杆长度过L(mm)

插入深度h

300

>340~340

920

0.5×DS

400

>340~440

500

>440~540

1120

600

>540~680

800

>680~880

1320

1000

>880~1050

不锈钢紧固件（1Cr18Ni9Ti)

螺栓M16×65 

螺母M16 

垫圈16 

密封垫圈 

 

8件

8件

8件

1件

可供选用的成套内容

数量

1.球阀Q41D-16型(PN1.6、DN100)

材料:2Cr13

阀杆:2Cr13

用户在订货时若无特殊说明,附件与传感器配套供应,

但与传感器分别单独包装

1只

2.安装基座(A3或1Cr18Ni9Ti、PN1.0、DN100、

GB9123.3)

不包括在产品正常配置内.单独供货.

定做时,要提供被测管道外径尺寸(mm),材质要求.