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 技术论文
 

气体涡轮流量计诊断工具的发展

Acculert G- Ⅱ”

Bertrand Oliver Joachinm

晁宏洲译 王文华校

(塔里木油田分公司计量检定测试中心)

1 引言

涡轮流量计因为其优良的计量能力和重复性而闻名。这个特点使得它成为全世界关联交易场合采用的最广泛的技术手段。在法国,安装在传输管网中的流量计有 80%就是涡轮流量计。这些好的性能是由于其操作原理和高质量机械元件的选用,比如能很好平衡的转子和轴承。然而,这也可能转化为一种不利因素。由于涡轮流量计比较娇气,可以被流体中运动的固体粒子破坏,或者甚至是剧烈的压力变化。

根据目前的实际,包括计量误差(计量不准确)在内的流量计的故障只有在周期检定过程中才能被察觉,那个时候流量计就得从现场拆下来安装在测试台位上。在法国,这种检定的周期为 5年。通常地,在5年的期间过后,有些涡轮流量计经验证或多或少有严重的指示不准的现象。无论是用户还是燃气公司就很在意指示不准的问题。提高流量计准确度和重复性问题就很显著了。

一些适合于涡轮流量计的检验方法目前还存在,比如旋转测试,但是并不灵敏,并且没有谁能够避免代价昂贵的而且耗费时间地把流量计从现场拆卸下来。这就是为什么找到监测在线涡轮流量计的实际和有效的工具的需要成了 Gaz de France内部研究计划的出发点。

2 为什么涡轮流量计的诊断工具需要但难以找到

2.1 气体涡轮流量计的原理

涡轮流量计是推理性的流量计。这意味着它显示和积算的流量基于另一种量的测量。在这种情况下,涡轮流量计基本上是速度式流量计,并且速度本身通过测量转子的角速度而得到。这可以通过下面的方程式概括:

QV = K * ω ( 1)

这里 Q V 是体积流量(在流量计条件下), K是每台流量计特定的系数,ω是转子的角速度。这个线性方程在一个相当大的范围内有效。涡轮流量计典型的范围度为20:1。

至于制造结构,气体涡轮流量计大体上是用法兰连接的多部件,带有坚固的壳体,包括两个定子,带边缘的转子每侧一个(见照片 1)。实际的趋势是把上游侧定子变成一个越来越有效的流量调直器,因此涡轮可以不被流量计上游的几何结构造成的流速剖面影响的太严重。

作为输出方式,所有的涡轮流量计装配了机械计数器,现场操作者可以就地真实地使用它。此外,机械计数器包括低频( LF)发射器,它提供了体积脉冲输出,可以被连接到流量计上的次级仪器诊断到(比如流量计算机或遥感勘测系统)。随意地,高频(HF)发射器可以根据厂家需要安装,或者与转子直接一字安装,这种情况下常常被称为“HF #3”;或者与次级转子一字安装,与前面的转子构成一个整体。此外,邻近转子的压力探测器成为涡轮流量计的标准装配的一个部分。

照片 1-气体涡轮流量计典型结构图解(摘自[2])

2.2 适用于气体涡轮流量计监测的原理

第一个涡轮流量计监测的著名的方法是旋转测试。操作者用压缩空气喷射使转子转动,直至转子达到一个可接受的角速度,然后停止喷射,操作者记录转子完全停止所需要的时间。把这个时间长度与前面记录的流量计状态完好时的数据作对比(该数值也可以在参考表中查到),这样得到流量计状态的一个大致指示。这种自然方法就预示着流量计必须从管线中拆卸下来。尽管这种方法需要很少的工具而且可以在现场实现,但它只给出流量计状态的大致指示。它的重复性也成问题,因为用压缩空气喷射达到的角速度在每次试验中都有变化。

另一个方法是把涡轮流量计当作一种大的涡轮推动机。对于这种机器,监测的一个非常有效的方式是使用振动信号作为转子和轴承状态的指示。基于振动的方法可以诊断出诸如过量的摩擦或者转子不平衡等故障,最大的好处是在保持机器的工作状态下提供诊断信息。

Gaz de France对适用于气体涡轮流量计的这种基于振动的方法进行了广泛的研究,希望这种方法能对这种类型的设备起作用,但是遇到一个最大的困难。对涡轮流量计而言,信噪比经证实实际上非常糟糕,特别是当涡轮附近有调整器在工作的时候,这种情况在法国的大多数计量站都存在。当应用基于振动的方法时,转子的轻质量和轴承的良好性能经证实都成了确定的缺点。相反地,同样的方法用于正排量旋转流量计经证实非常有效并且具有充分的可操作性。

作为同一研究课题的一部分,也对基于流量计两侧差压和流量相关性的方法进行了试验。在压力不超过几毫巴时,流量计高质量的构造阻碍了实现诊断的可能性,对于现场的差压变送器来说,这个压力值是非常小的,因为上游压力探测器位置很大程度上取决于计量站的设计,并且各站之间都不一样。

2.3 高频转子发射器作为唯一可适用的输出

所有采用转子高频输出的原因在于得到自然的诊断信号。

高频发射器实际上有一个磁阻型捕获线圈组成。该线圈绕到一个主体捕获线圈里,主体线圈直接焊接到转子上。线圈通常连接到防爆(或本安)接线盒和前置放大器,它驱动这个装配,符合 Namur信号规范。

图 1-典型涡轮高频输出

图 1显示了从捕获线圈输出观测到的典型正弦曲线:在每个经过的转子叶片处,线圈的磁通量受到影响,包括在传感器输出终端阻抗的变化。

涡轮转动一个完整的回合产生一些正弦波,每个叶片处一段。信号非常丰富,因为它包含了两个叶片的信息,每次转动时予以更新——它的频率可以高达 4.5 KHz。

例如,一个人可以很容易地设想到转子缺失一个叶片将会丢失一部分正弦波,可以被完备的监测软件诊断到并得到解释。

3 新型AccuLERT-Ⅱ发展阶段

早在 2000年,Gaz de France联系法国测试委员会测试解释组为了对应用于气体涡轮流量计的AccuLERT ID 2000设备进行试验。那个时候,原有的AccuLERT设备专门为液体涡轮流量计设计,并与DOS软件联系起来。

3.1 现有的AccuLERT ID 2000设备描述

AccuLERT基本上是一个前置放大器和一个高频信号分析仪,直接与转子高频发射器(HF#3)连接(那时输入为正弦波)或者借助另一个前置放大器(那时输入为方波)。它的最基本的作用是通过监测涡轮转动的连贯性对涡轮流量计的性能实施实时诊断。AccuLERT设备也可以实现其它功能,比如双向积算,流量计脉冲记录,流向诊断,按年代顺序排列报警记录和周期体积记录。

它可以直接安装到流量计的高频输出(防爆型),或者通过接线连接到高频输出上,比如 AccuLERT通过针形电缆连接到技术室。

照片 2-AccuLERTⅡ(西德工业标准电路板和防爆部件)(Gaz de France)

当实施诊断功能时, AccuLERT计算一组6个“信号场”,它是一种基于高频信号的流量计信号。每个信号场可以与特定的流量计机器特性联系起来,比如两个叶片之间的角度和间距,或者与转动要素有关的轴承阻力,引入的流速剖面的特征也可以被AccuLERT通过计算与流量有关的信号场表征出来:实际上,转动重复性的一些偏移可以被看作引入涡流或不对称流场的证据。AccuLERT通过流率的积分也可以分析出转动的稳定性:不稳定的积分值指示出不均衡的流场。为了得到更高的精度,涡轮流量计的全量程被分为7个区,对于一个给定的流量区,AccuLERT计算出6个信号场。 通过这样做, AccuLERT借助42个数值完全表征出一个给定流量计的性能。

表 1-AccuLERT信号场的命名

AccuLERT信号场号码

名字

Field # 1

叶片平均偏差

Field # 2

叶片最大偏差

Field # 3

综合偏差

Field # 4

比率偏差

Field # 5

轴承平均偏差

Field # 6

轴承最大偏差

在实时诊断模式中, AccuLERT提供给操作者当前流量计信号。这个当前信号与AccuLERT RAM内存中存储的参考信号相比较。这个存储信号是在流量计没有任何机械故障且正确安装是采集的。两个信号由内置的运算法则进行比较,当某些条件成就时产生报警。这种报警信号可以用各种方式传递给操作者:就地通过软件,或者远程借助调制解调器或者与次级仪器相连的程序开关。

报警信号足够清楚到把操作者的注意力引向分析出正确的机械或安装方面的原因,看下列的报警信号列表和它们可能的原因。

表 2-AccuLERT G-Ⅱ中可得到的报警信号

报警信号

可能原因

Bent blade

叶片打弯或缺失

Non-Uniform flow

流量计入口处坏的流场剖面(旋涡和 /或不对称)

Bearing

每个回合中不规则旋转

Missing pulses

捕获线圈出故障(或高频发射器)

Meter down

流量计停止工作(没有脉冲)

Over spin

流量超过量程上限

Swirl

导入的流体中有旋涡

Accuracy

LF和HF读数有差异

3.2现有的AccuLERT初期试验

这种仪器在 Alfortville的Gaz de France设备上用一台涡轮流量计进行初期试验,DN100管线,最大流量400m 3 /h,试验流体是来自传输管网的天然气。该流量计用各种各样的模拟故障试验,比如坏的轴承,堵塞,坏的轴承并在转子轴上人为施加阻力。AccuLERT首先用在基线条件,机械性能完好并且正确安装的状态下记录参考信号值。然后,针对每种流量计故障,AccuLERT将会给出实时信号并对流量计作出判断。

从初期一系列试验得到的结论相当鼓舞人心,事实证明, AccuLERT足够灵敏到诊断出流量计的故障,并且可信程度高。表3总结出在每种安装方式下这种设备的诊断水平。

表 3-AccuLERT早期试验结果

安装方式

报警平均值

解释

坏轴承

1.92

70%的报警时间显示“轴承”故障

坏轴承 +转轴摩擦

2.1

50%的报警时间显示“轴承”故障,同时还显示“非均衡流动”故障

堵塞

1.7

除非低流量,诊断率令人满意

第 2列的平均值是根据流量计流量范围平均分布的5个不同流量点上得到的数据计算出来的。

早期这一系列试验得到的主要结论是, AccuLERT达到的诊断水平足以让一个操作者判断流量计是好还是坏,并且决定是否需要马上进行维修。这个时候,AccuLERT还不能精确报告该流量计出现偏差的准确原因,它产生的是多个报警信号而不是一个。但是即使在这种情况下,很明显地操作者的注意力一定会被AccuLERT给出的信息所吸引。

那个时候, Gaz de France进行的其它试验也证实AccuLERT能够即刻有效地诊断出流体中的强烈脉动,它是另一种有可能导致涡轮流量计严重指示不准的现象。

所有这些原因导致了法国测试学会解释组和 Gaz de France在特别针对气体涡轮流量计的AccuLERT产品的发展上建立起了合作关系。

3.3 Alfortville的Gaz de France设备

图 2显示了Alfortville的Gaz de France设备的试验台位,它用来做AccuLERT的发展研究。该台位用来自传输管网的天然气作试验流体,压力40bar,6个音速喷嘴平行排列作为台位上的标准表,2条测试管线可以安装被检流量计(其中一条在工作时另一条可以为不同的测试做准备)。在质量流量测量中0.2%的准确度可以保证。该台位和它的操作者都获得了COFRAC(法国委派委员会)的计量测试资质,所有的传感器可以溯源到国家标准。

图 2-用于做研究的测试台位图解

3.4 Gaz de France和法国测试委员会2001年实施的试验程序

Gaz de France和法国测试委员会合作的基础是由Gaz de France收集尽可能多的气体涡轮流量计的信息用以对这一家族的流量计定制运算法则。来自欧洲市场5个不同生产厂家的气体涡轮流量计(后文以A到E命名)的全面研究工作展开了。所有的流量计将会在不同安装方式下经受一系列的试验,在这个过程中,Alfortville的Gaz de France设备将会作出AccuLERT信号和计量误差曲线。

所有在这次系列试验中采集的数据将会提供给法国测试委员会的软件专家,用于对 AccuLERT G-Ⅱ的诊断功能作出加强和改进。

试验程序的细节可以在表 4中找到。这个矩阵中每个打叉的单元代表AccuLERT采集的信号和在临界流音速喷嘴作标准表的台位上得到的计量误差曲线。AccuLERT信号场和流量计误差是在流量计整个测量范围内平均分布的7个流量点上得到的。

用于这个系列试验的 AccuLERT G-Ⅱ是用先进的紧固件装配的原型机。

表 4-Gaz de France实施的测试程序

流量计

基线条件

坏轴承

堵塞

2个弯头,2D

2个弯头,5D

流量计 A 80mm

×

×

×

×

×

流量计 B 80mm

×

×

×

×

×

流量计 C 80mm

×

×

×

×

×

流量计 D 80mm

×

×

×

×

×

流量计 E 100mm

×

×

×

流量计 A 150mm

×

×

×

流量计 B 150mm

×

×

×

流量计 C 150mm

×

×

×

流量计 D 150mm

×

×

×

l 基线条件是在流量计上游保持 100D直管段长度,没有任何机械元件。

l 轴承损坏故障是通过在转子轴承的两个球之间堵塞磨损胶人工复现的。

l 堵塞在 Gaz de France设备的一个特定测试台位上实现,作法是在流量计处的流体中注入控制数量的铁屑或钢渣。

l 双弯头测试,流量计位于最近的弯头下游 2D或5D处,相当于一个典型的ISO高程度扰动单元。把一个半月形的板子塞进不在同一平面上的两个弯头中间。这种安装方式作为一种强烈产生旋涡流和不对称流场的产生器而闻名。

这些试验使得 Gaz de France建立起了关于流量计典型现场机械故障和不正确安装方式的AccuLERT信号数据库。

4 结果

所有下列的结论都与以上系列试验中使用的 AccuLERT G-Ⅱ原型机有关。

4.1 流量的影响

图 3显示了用户自定义的7个流量区段上由AccuLERT计算得到的信号场的变化,流量计C处于基线条件下。可以看出,信号场#3(综合偏差)在7个流量区段上都相当稳定,但在另一方面,信号场#4和#6(代表比率偏差和轴承最大偏差)有趋势随流量增大。

图 3-流量计C在7个流量区段的信号场数值

尽管流量计恰当安装并且机械性能完好, 信号很大程度上还是取决于流量和涡轮的旋转速度 。计算得到的信号场的变化涵盖了流量计划分的 7个区间段,因为无论流量多大,这是一种AccuLERT最好的保持良好的准确度和灵敏性的方法。

4.2 生产厂家(流量计类型)的影响

图 4显示了用来作研究的5个DN80流量计(流量计A到E)的AccuLERT信号场数值。依赖于信号场,这些数值的离差或多或少都很明显。例如综合偏差数值好象十分稳定,5种流量计几乎都为恒定的值,但相反地,叶片或比率偏差数值十分依赖于流量计的类型(一种到另一种流量计的差异可能达到200%)。这些数据,说明了为什么每一台流量计单独需要一个完整的信号。

图 4-流量计A到E基线条件下的AccuLERT信号

4.3 AccuLERT G-Ⅱ的故障诊断能力

AccuLERT报警信号的产生基于信号场参考数值和实况值的对比。如果实况值超过了参考值,运算法则就触发一个或几种报警。

图 5显示了在不同安装方式下流量计B在流量区段#2上的参考值(实线)和实况值(柱状图)。

当一个(或多个)柱状图位于实线上部就说明信号场增大到可以由内置的运算法则触发一种(或多种)报警。

图 5-流量计B信号场的参考值和实况值

在列举的例子中,在堵塞安装方式下,所有的信号场在参考值之上(最右边的柱状图):作为结果所有可能的报警都被触发。但在 2D双弯头安装方式下(最左边的柱状图),叶片平均和最大偏差就位于参考值的下部,因此没有与叶片有关的报警出发。所有其它报警都被触发了,因为其它信号场数值超过了极限。

在所有可能的报警中当有一种报警被触发时,通过定义 AccuLERT的诊断比率作为报警发生的数值,下面是这次系统试验中收集到的针对三种基本故障的结果。

表 5- AccuLERT G-Ⅱ的诊断比

故障

诊断比

坏轴承

> 75%

堵塞

> 75%

不均衡流场剖面(旋涡流和 /或不对称流场)

> 33%

对于纯粹的机械故障,诊断比非常高。因为它们十分容易复现并且 AccuLERT的运算法则对分析旋转方式非常有效,旋转方式直接受那些故障的影响。

5 AccuLERT G-Ⅱ主要功能描述

5.1 新特征

新的 AccuLERT G-Ⅱ版本的改进与以前的相比有不同的属性。硬件得到了升级允许使用NAMUR信号与所有类型的流量计容易而且快速地连接。根据Gaz de France系列试验的结果对内置的运算法则进行了改进和提高,AccuLERT的诊断能力从来没有象G-Ⅱ型那样有效。

终端用户同样也会欣赏基于 Windows的软件特征:Modbus浏览器。

使用基于 Windows浏览器的方法Modbus 浏览器允许操作者在各种安装方式和诊断报告格式之间选择,访问实况数据和以前存储的记录,甚至通过用户友好和直观的界面观看动画效果。

图 6显示了一个日常诊断报告的打印屏幕,在这里与一天有关的信息都显示出来。人们可以注意到,集中到一个表格内的当前的和最大的信号场数值,与列出的报警相邻。通过比较一段时期内的数值和报警,终端用户可以很容易检查出流量计是好还是坏,还有报警是不是一直都是相同的。这个想法可以被用来确定故障的起始时间,比如报警被首次触发的日子。

图 6-Modbus浏览器日常诊断报告打印屏幕

图 7显示了一个趋势图,画出了信号场数值随时间变化的曲线。当用户第一次连接AccuLERT 或当遇到或期望一种特定的情况发生时,屏幕被设计用来实时监控。这种观点对评定流量或涡轮参数的稳定性非常有用。

图 7-Modbus浏览器趋势图打印屏幕

5.2 安装了AccuLERT G-Ⅱ后可以期待的利益

AccuLERT 的诊断能力,正如前面强调的,使得AccuLERT 成为计量专家和传输管网管理者的一个十分有效和有用的工具。

每个人都会意识到,对一个很长的时期和大量的天然气,即使是 0.1%的轻微误差,对任何传输和销售公司来讲,到头来都会造成巨大的利润损失。AccuLERT对所有的气体涡轮流量计监测的需求提供了一种费用经济,相对便宜的途径(目标价格为1500 )。它的软件清楚地指示出误差产生的最可能原因,并且诊断运算法则经证实对机械和安装效果均非常好。

6 结论

Gaz de France和法国测试委员会测试评价组的合作促成了AccuLERT G-Ⅱ的发展。这种产品对气体涡轮流量计的在线监测提供了简单有效的工具。

它的诊断和分析机械方面的和与流量有关的计量误差的能力得到了提高,并通过实施广泛的研究进行了检查,对坏轴承类型的故障的诊断率超过了 75%。

在 2003年前改进阶段就终结了。AccuLERT G-Ⅱ将会被法国测试委员会测试评价组论证为商业上可行,提供气体涡轮流量计监测的唯一有效的工具。

7 参考文献

[1] NF C63-003 (IEC 60947-5-6:1999), Low-voltage switchgear and control gear – Part 5-6 control circuit devices and switching elements – DC interface for proximity sensors and switching amplifiers ( NAMUR )

[2] FMC Measurement Solutions, Installation / Operation of the AccuLERT ID-2000 manual, Bulletin MN02008

[3] FMC Measurement Solutions, Fundamentals of liquid turbine meters technical paper 103B, Bulletin TP02001

[4] FMC Measurement Solutions, Smith AccuLERT Smart Pre-amp ID 2000 Specifications, Bulletin SS02015P

8 通 讯

Bertrand REEB, Direction de la Recherche Gaz de France, 1 Chemin de Villeneuve , 94140

Alfortville FRANCE, tel: +33 1 45 18 85 35, email: bertrand.reeb@gazdefrance.com

Alf Erling Smorgrav, FMC Kongsberg Metering AS, Kirkeg?rdsveien 45, P.O. Box 1012, N-3601

Kongsberg NORWAY , tel: (+47) 32 28 80 74, email: alf.erling.smorgrav@fkm.fmcti.com

 

 
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