劉興偉，王 凡，柴家鳳，籍瑞春

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011； 2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035)

1 概述

渦輪流量計(jì)具備結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、安裝維護(hù)方便、流通能力強(qiáng)、適用壓力范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。但是，使用中發(fā)現(xiàn)渦輪流量計(jì)也面臨突出問題，渦輪流量計(jì)屬于速度式計(jì)量?jī)x表，運(yùn)行過程中，燃?xì)庵挟愇锶菀自斐奢S卡頓或葉片破壞，對(duì)渦輪流量計(jì)性能產(chǎn)生影響[1]。這類磨損比較隱蔽，常規(guī)的儀表巡視檢查難以察覺，往往在周檢拆表時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)問題也無(wú)法追溯問題發(fā)生的時(shí)間，難以給購(gòu)銷爭(zhēng)議提供有效依據(jù)。因此，如何掌握渦輪流量計(jì)的運(yùn)行工況信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵部件故障以避免購(gòu)銷爭(zhēng)議，是當(dāng)前城鎮(zhèn)燃?xì)馄髽I(yè)急需解決的問題。

文獻(xiàn)[2-3]表明，氣體壓力損失(簡(jiǎn)稱壓損)與流量計(jì)性能有一定相關(guān)性，因此，可以將壓損作為重要參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以了解流量計(jì)運(yùn)行中的異常狀態(tài)。本文針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)獬Ｓ玫?種規(guī)格(公稱通徑分別為50、80、100 mm)渦輪流量計(jì)(簡(jiǎn)稱流量計(jì))壓損變化情況開展實(shí)驗(yàn)研究，獲得流量計(jì)壓損與標(biāo)況流量的關(guān)系式，測(cè)試分析流量計(jì)異常(葉片缺失、軸卡頓)條件下的壓損變化趨勢(shì)，提出基于壓損變化的流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為渦輪流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理提供輔助手段。

將公稱通徑為50、80、100 mm的渦輪流量計(jì)分別稱為DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)檢定平臺(tái)基礎(chǔ)上改進(jìn)搭建的，增加壓差采集模塊，實(shí)現(xiàn)壓差與既有參數(shù)同步采集。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖1。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置4臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，均為羅茨流量計(jì)，4臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量范圍不同，通過不同標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)組合來提供測(cè)試所需的流量范圍。數(shù)據(jù)采集器是溫度、壓力、流量、壓差傳感器的集合。選用數(shù)字壓差傳感器，測(cè)量范圍為-6～6 kPa，精度高于0.3%。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1～3.待測(cè)流量計(jì) 4～6.數(shù)據(jù)采集器 7.截止閥 8.數(shù)據(jù)控制平臺(tái) 9～12.標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì) 13.風(fēng)機(jī)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

待測(cè)流量計(jì)選用型號(hào)為TBQM的DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)，流量范圍分別為0～100、0～250、0～600 m3/h。實(shí)驗(yàn)工況包括：正常流量計(jì)運(yùn)行、葉片缺失流量計(jì)運(yùn)行、軸卡頓流量計(jì)運(yùn)行。其中葉片缺失流量計(jì)運(yùn)行包含葉片缺失4片、缺失7片的流量計(jì)運(yùn)行，軸卡頓流量計(jì)運(yùn)行包含處于卡頓狀態(tài)1、卡頓狀態(tài)2、卡死狀態(tài)的流量計(jì)運(yùn)行。

① 葉片缺失處理

正常流量計(jì)的渦輪葉片有14片，制作葉片缺失4片和缺失7片的異常渦輪，置于流量計(jì)內(nèi)，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。正常渦輪和異常渦輪見圖2。實(shí)驗(yàn)過程中渦輪拆除更換均由專業(yè)技術(shù)人員操作。

圖2 正常渦輪和異常渦輪

② 軸卡頓狀態(tài)處理

將軸承端蓋處增加橡膠材料、端蓋緊固螺栓從初始位置擰緊6圈的狀態(tài)稱為卡頓狀態(tài)1。將軸承端蓋處增加橡膠材料、端蓋緊固螺栓從初始位置擰緊8圈的狀態(tài)稱為卡頓狀態(tài)2。將尖硬物插入軸間隙，使其轉(zhuǎn)動(dòng)失效，模擬軸卡死狀態(tài)。

③ 實(shí)驗(yàn)過程

a.將檢定合格的正常流量計(jì)安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中作為待測(cè)流量計(jì)。

b.qmax、qmin分別表示待測(cè)流量計(jì)的最大、最小流量。開啟風(fēng)機(jī)，數(shù)據(jù)控制平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)聯(lián)動(dòng)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量至0.8qmax，穩(wěn)定10 min，在待測(cè)流量計(jì)連接處涂抹發(fā)泡劑，檢查是否漏氣，依次提高流量至0.9qmax、qmax，重復(fù)漏氣檢測(cè)。

c.氣密性檢查無(wú)誤后，開始測(cè)試流程。分別調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量至qmin、0.2qmax、0.4qmax、0.6qmax、0.8qmax、qmax，每個(gè)流量測(cè)試5 min，讀取流量、溫度、壓力和壓差，每個(gè)參數(shù)讀取至少3次后取平均值，記錄數(shù)據(jù)并保存。

d.將正常流量計(jì)拆下，依次更換為葉片缺失4片、葉片缺失7片、卡頓狀態(tài)1、卡頓狀態(tài)2、卡死狀態(tài)的渦輪流量計(jì)，分別按照步驟a～c測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 流量、壓損關(guān)系分析

實(shí)驗(yàn)讀取的流量為工作狀態(tài)下的流量(簡(jiǎn)稱工況流量)，為便于一致性分析，將工況流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量(簡(jiǎn)稱標(biāo)況流量)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為溫度293.15 K、壓力101.325 kPa。

實(shí)驗(yàn)獲得3種規(guī)格流量計(jì)正常狀態(tài)下的6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合獲得壓損-標(biāo)況流量關(guān)系式，見下列公式。擬合曲線為壓損-標(biāo)況流量特性曲線，見圖3。

0.004 96

(1)

0.004 24

(2)

8.894×10-4

(3)

式中 Δp1、Δp2、Δp3——DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)的壓損，kPa

qn1、qn2、qn3——DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)的標(biāo)況流量，m3/h

圖3 3種規(guī)格流量計(jì)正常狀態(tài)下的壓損-標(biāo)況流量特性曲線

通過上述分析可以看出，渦輪流量計(jì)的壓損與標(biāo)況流量成二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)渦輪流量計(jì)異常時(shí)，壓損-標(biāo)況流量特性曲線將偏離正常曲線。

3.2 異常狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

① 葉片缺失狀態(tài)下的壓損變化分析

圖4為DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)葉片缺失4片狀態(tài)、葉片缺失7片狀態(tài)與正常狀態(tài)的壓損-標(biāo)況流量特性曲線對(duì)比?？梢钥闯?，對(duì)每種規(guī)格的渦輪流量計(jì)，在相同流量情況下，葉片缺失狀態(tài)的壓損比正常狀態(tài)小，葉片缺失越多，壓損越小。壓損減小值隨著流量增大而增大，小流量下的壓損減小值難以識(shí)別，大流量下的壓損減小值也不顯著，但當(dāng)流量足夠大時(shí)，采用工業(yè)級(jí)別壓差傳感器可以識(shí)別。在實(shí)際運(yùn)行中，由于大流量下的壓損減小值不顯著，可能導(dǎo)致較多誤判，因此需要結(jié)合流量計(jì)的高低頻脈沖數(shù)進(jìn)一步判定。

圖4 3種規(guī)格流量計(jì)在葉片缺失狀態(tài)、正常狀態(tài)下的壓損-標(biāo)況流量特性曲線對(duì)比

② 軸卡頓狀態(tài)下的壓損變化分析

圖5為DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)卡頓狀態(tài)、正常狀態(tài)的壓損-標(biāo)況流量特性曲線對(duì)比?？梢钥闯?，對(duì)每種規(guī)格的渦輪流量計(jì)，當(dāng)軸處于卡頓狀態(tài)時(shí)，相對(duì)于正常狀態(tài)，相同流量下的壓損變大，卡頓程度越大，壓損越大；壓損增大值隨著流量增大而增大?？ㄋ罓顟B(tài)與正常狀態(tài)相比，壓損顯著增大，最大流量下DN 50、DN 80、DN 100渦輪流量計(jì)的壓損分別為正常狀態(tài)下壓損的2.0、2.1、2.4倍。

在軸卡頓狀態(tài)下，小流量(流量小于0.4qmax)下的壓損增大值不明顯，大流量(流量大于等于0.4qmax)下的壓損增大值較為顯著。

圖5 3種規(guī)格流量計(jì)在卡頓狀態(tài)、正常狀態(tài)下的壓損-標(biāo)況流量特性曲線對(duì)比

4 基于壓損的流量計(jì)異常辨識(shí)

通過上述分析可知，可以根據(jù)流量計(jì)的標(biāo)況流量和壓損-標(biāo)況流量關(guān)系式計(jì)算出正常壓損，壓損與標(biāo)況流量是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過實(shí)測(cè)壓損與正常壓損對(duì)比，判斷流量計(jì)是否異常。基于該思路，建立流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，實(shí)施方案如下。

首先，在渦輪流量計(jì)出廠檢定時(shí)，測(cè)試獲得其正常狀態(tài)下的壓損-標(biāo)況流量關(guān)系式和特性曲線，輸入燃?xì)夤镜臄?shù)據(jù)處理平臺(tái)，作為正常流量計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于流量計(jì)結(jié)構(gòu)不同，壓損也不同，因此，需要在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)輸入不同廠家、不同規(guī)格流量計(jì)的壓損-標(biāo)況流量關(guān)系式和特性曲線，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

其次，在表端控制處理模塊輸入工況流量與標(biāo)況流量轉(zhuǎn)換算法、實(shí)測(cè)壓損與正常壓損對(duì)比算法。在流量計(jì)使用過程中，實(shí)時(shí)采集流量、壓損、壓力、溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)工況流量與標(biāo)況流量轉(zhuǎn)換算法、實(shí)測(cè)壓損與正常壓損對(duì)比算法，判斷壓損是否異常。實(shí)際運(yùn)行中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要同時(shí)對(duì)多臺(tái)流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要傳輸和處理的數(shù)據(jù)量比較大。因此在表端設(shè)定監(jiān)測(cè)周期(7 d或10 d)，如果在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)壓損正常，則不上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，如果異常，則上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)根據(jù)連續(xù)若干個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)異常壓損情況判斷流量計(jì)是否存在故障，通過分析一定時(shí)期內(nèi)實(shí)測(cè)壓損相比正常壓損增大或減小的趨勢(shì)，判斷流量計(jì)可能存在的問題種類，提示技術(shù)人員拆檢維修。

5 結(jié)論

① 渦輪流量計(jì)的壓損、標(biāo)況流量成二次函數(shù)關(guān)系。

② 對(duì)每種規(guī)格的渦輪流量計(jì)，在相同流量情況下，葉片缺失狀態(tài)的壓損比正常狀態(tài)小，葉片缺失越多，壓損越?。粔簱p減小值隨著流量增大而增大。葉片缺失造成的壓損減小值較小，需結(jié)合流量計(jì)的高低頻脈沖數(shù)進(jìn)一步判定。

③ 對(duì)每種規(guī)格的渦輪流量計(jì)，軸卡頓狀態(tài)的壓損比正常狀態(tài)大，卡頓程度越大，壓損越大；壓損增大值隨著流量增大而增大，小流量(流量小于0.4倍最大流量)下的壓損增大值不明顯，大流量(流量大于等于0.4倍最大流量)下的壓損增大值較為顯著。

④ 提出建立流量計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)測(cè)壓損與正常壓損對(duì)比，判斷流量計(jì)是否存在異常，通過實(shí)測(cè)壓損比正常壓損增大或減小的趨勢(shì)判斷流量計(jì)存在的問題種類。