江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
1 前言
天然氣的計量按用途分為氣田計量、輸氣干線貿(mào)易計量、城市門站和城市天然氣用戶貿(mào)易計量等部分。2002年至2004年北京市公用事業(yè)科研所通過對北京市天然氣用戶在用的貿(mào)易計量流量計進行抽樣檢測，分析數(shù)據(jù)，提出有關(guān)城市天然氣貿(mào)易計量流量計的選型建議。
城市天然氣用戶計量所使用的流量計是多種多樣的，主要有渦輪、旋進漩渦、腰輪、膜式（包括商用和民用）。燃氣用戶多種多樣，既有工業(yè)企業(yè)用戶，又有城市公用事業(yè)用戶、商業(yè)用戶，還有居民用戶，它是一個復雜的用戶群，使用情況各不相同。貿(mào)易計量是天然氣供需雙方結(jié)算的憑證，因此，面對如此眾多品種的流量計，如何選擇合適的流量計，如何安裝和維護管理流量計，對供需雙方都很重要。
2 常用各類天然氣流量計的選型依據(jù)
2.1 城市天然氣用戶流量計選型需要考慮的因素
由于流量計的種類多、且性能各不相同，安裝現(xiàn)場各不相同，因此，選型時必須同時考慮各種因素，具體如下：
首先，了解各類流量計的計量特點，包括其原理、精度、范圍度、壓力損失、是否具備溫度壓力修正、所配套的智能積算儀的功能等；其次，明確工況，包括環(huán)境的溫濕度、周圍設(shè)備的噪聲、電磁干擾情況、安裝空間以及天然氣介質(zhì)的壓力、溫度、清潔度、組分等；同時還得考慮經(jīng)濟因素。
2.2 選型步驟
要想選型合適，必須了解流量計性能質(zhì)量和被測量介質(zhì)工況，即熟悉各類常用流量計的特性和適用范圍，并掌握被計量燃氣設(shè)備的有關(guān)參數(shù)及工況條件。圖1為選型步驟。
2.3 流量計類型的選擇
表1列出了各類流量計有關(guān)特性對比表，流量計選型可供參考。選型必須同時考慮到多種因素，并且還得分清主次，綜合分析，才能找到合適的流量計類型。
3 流量計規(guī)格的選擇
3.1 幾種流量計典型特性曲線
所謂誤差特性，就是流量計的誤差值與流量測量值之間的關(guān)系。討論誤差特性，就是討論和研究測量誤差值隨流量測量值變化而變化的趨勢。
3.2 渦輪流量計規(guī)格的選擇
3.2.1 流量范圍上限
該種流量計一般使用在鍋爐房，鍋爐zui大流量選在流量計進入精度的zui大流量（Qmax）的0.6倍~0.8倍之間，因為鍋爐一般有大小火之分，小火一般為大火的三分之一到二分之一之間（zui低到十分之一），如果鍋爐zui大耗氣量為渦輪流量計Qmax的0.6倍，那么鍋爐zui小耗氣量就在Qmax的0.2倍~O.3倍之間，正好避開了特性曲線的拐點；從另一方面來說，鍋爐zui大耗氣量選在渦輪流量計Qmax的O.8倍左右，在設(shè)備啟動或管路流量、壓力發(fā)生脈動時，可避免超量程使用，從而延長流量計的使用壽命。因此，根據(jù)渦輪流量計的特性曲線，用氣設(shè)備的常用流量段處于0.3Qmax~O.8Qmax之間。
3.2.2流量范圍下限
選型時要滿足渦輪流量計進入精度的zui小流量（Qmin）小于設(shè)備zui小用氣量，這樣才能保證小流量的計量精度。
在渦輪流量計的設(shè)計選型中，要兼顧用氣設(shè)備的zui大（額定）流量與進入精度的zui大流量（Qmax）之間的匹配和zui小用氣量與流量計進入精度的zui小流量（Qmin）之間的匹配，即確保計量結(jié)果穩(wěn)定可靠，需滿足以下條件：設(shè)備額定流/Qmax=0.6~0.8；Qmin≤設(shè)備zui小流量。
3.3 旋進旋渦流量計規(guī)格的選擇
旋進旋渦流量計選擇規(guī)格時參照的原則與渦輪流量計相似，但由于其流量計實際進入精度的zui小流量通常較大，因此滿足下限要求尤為重要。另外由于其壓力損失與渦輪等其它流量計相比很大，因此建議將其使用在供氣壓力高于8kPa的工況下。廠家的產(chǎn)品說明書上有詳細的不同口徑、不同流量、不同工況下有關(guān)其壓力損失的圖表和計算公式，設(shè)計中要保證供氣壓力減去壓力損失應(yīng)大于燃氣設(shè)備的使用壓力，否則燃氣設(shè)備將無法正常工作。
表1 各類流量計有關(guān)特性對比表
| | 旋進旋渦 | 渦輪 | 腰輪（國產(chǎn)） | 腰輪（進口） | 公福膜式 | 民用膜式 |
| 精度 | 1.5 | | 1.5 | 0.5~1.0 | 1.5~2 | 1.5~2 |
| | 10:1 | 30:1 | 10:1~20:1 | 100:1 | 160:1 | 160:1 |
| 壓力損失 | 較大 | 一般 | 一般 | 一般 | 小 | 小 |
| D80,200m3/h | 約2000Pa | 約300Pa | 約300Pa | 約240Pa | <400Pa | <200Pa |
| 小流量精度 | 低 | 一般 | 一般 | 高 | 高 | 高 |
| 可測量大流量
（m3） | 3600 | 25000 | 1000 | 1000 | 1000 | 10 |
| 介質(zhì)zui大壓力
（MPa） | 4MPa | 10MPa | 1.2MPa | 1.2MPa | 0.05MPa | 0.05MPa |
| 介質(zhì)溫度 | -20℃~+80℃ | -10℃~+60℃ | -40℃~+60℃ | -40℃~+60℃ | -20℃~+50℃ | -20℃~+50℃ |
| 環(huán)境溫度 | -30℃~+50℃ | -20℃~+70℃ | -30℃~+50℃ | -30℃~+50℃ | -10℃~+40℃ | -10℃~+40℃ |
| 檢定周期（年）
（優(yōu)于0.5級） | 1 | 1 | 0.5 | 0.5 | | |
| 檢定周期（年）
（低于0.5級） | 2 | 2 | 0.5 | 0.5 | 10 | 10 |
| 使用壽命 | 長 | 長 | 長 | 長 | 10 | 10 |
| 重量 | 中 | 中 | 重 | 重 | 重 | 輕 |
| 含雜質(zhì) | 不行 | 不行 | 不行 | 不行 | 不行 | 不行 |
| 是否需要
過濾器 | 需要 | 需要 | 需要 | 需要 | 需要 | 需要 |
| 故障率 | 一般 | 低 | 高 | 一般 | 低 | 低 |
| 結(jié)垢影響 | 大 | 大 | 大 | 大 | 大 | 大 |
| 粘附影響 | 大 | 大 | 大 | 大 | 大 | 大 |
| 測量原理 | 速度 | 速度 | 容積 | 容積 | 容積 | 容積 |
| 補償方式 | 溫度、壓力 | 溫度、壓力、壓縮系數(shù) | 溫度、壓力 | 溫度、壓力 | 無 | 無 |
| 瞬時顯示 | 智能型 | 智能型 | 智能型 | 智能型 | 無 | 無 |
| 安裝方法 | 任意 | 口徑200mm及以下 水平
/垂直安裝； 大于則只
能水平 安裝 | 垂直或水平 | 垂直或水平 | 水平 | 水平 |
| 流量計前
后直管段 | 需要 | 需要 | 不需要 | 不需要 | 不需要 | 不需要 |
| 價格 | 中 | 中 | 中 | 高 | 低 | 低 |
為了解決旋進旋渦易受干擾的問題，通常廠家會把流量計的靈敏系數(shù)設(shè)置得較低，這是以犧牲小流量精度為代價的，其結(jié)果是不僅使小流量精度降低，而且經(jīng)常是小流量根本不計量。因此，選用該表必須確定燃氣設(shè)備的zui小使用流量大于旋進旋渦流量計實際進入精度的zui小流量。
3.4 腰輪流量計規(guī)格的選擇
根據(jù)腰輪流量計的特性曲線，用氣設(shè)備常用流量段應(yīng)該使用在0.2Qmax~0.8Qmax之間。
腰輪流量計一般使用在食堂或小型鍋爐房，如前所述的原因，一般希望鍋爐的zui大流量選在流量計進入精度的zui大流量Qmax的0.6倍~0.8倍之間，這樣既能保證用氣設(shè)備大流量時運行穩(wěn)定，也能保證小流量時運行穩(wěn)定。
如果用戶是鍋爐房，按0.6Qmax~0.8Qmax選型是可以的，如果用在食堂里，則需要進行一些分析：
從表3中可以知道食堂中兩種灶具的耗氣流量點，食堂中還有其它各種灶具，選型時應(yīng)仔細核算灶具的使用工況，大小流量點兼顧，如一個流量計不行，如有必要建議大小灶具用不同規(guī)格的流量計分別計量。
表3 食堂灶具耗氣流量點及流量計規(guī)格選型要求
| 工作情況 | 實際流量Q（m3/h） | Q/Qmax |
| 僅使用1個低湯灶 | 2.35 | 2.35/Qmax |
| 僅使用1個雙眼灶、1臺蒸箱、一臺低湯灶 | 15.29 | 15.29/Qmax |
| 所有灶具滿負荷 | Q | ≤0.8 |
因此，在今后腰輪表的設(shè)計選型中，要仔細核算用氣設(shè)備的zui大、zui小流量，確保計量精度的穩(wěn)定可靠，額定流量/Qmax=0.6~0.8。
下限要求應(yīng)滿足：Qmin≤設(shè)備zui小流量。
3.5 膜式流量計規(guī)格的選擇
3.5.1商用膜式表
流量計在設(shè)計選型時應(yīng)該考慮其在實際使用中的常用流量點情況，保證流量計運行穩(wěn)定，計量準確。本課題中通過對流量計及其使用現(xiàn)場情況的調(diào)查研究，分析流量計選型是否合理。
目前使用較多的商用膜式煤氣表主要是JMB-100、JMB-40和JMB-25 3種規(guī)格，流量的對比情況如表4所示。
表4 食堂灶具耗氣流量點及膜式表規(guī)格選型要求
| 工作情況 | JMB-100
（Qmax=160m3/h）
（Qmin=1m3/h） | JMB-40
（Qmax=65m3/h）
（Qmin=0.4m3/h） | JMB-25
（Qmax=40m3/h）
（Qmin=0.25m3/h） |
| 實際流量Q m3/h | Q/Qmax | 實際流量Q m3/h | Q/Qmax | 實際流量Q m3/h | Q/Qmax |
| 僅使用低湯灶 | 2.35 | 0.015 | 2.35 | 0.036 | 2.35 | 0.059 |
| 僅使用一臺雙眼灶、
一臺蒸箱、一臺低湯灶 | 15.29 | 0.096 | 15.29 | 0.235 | 15.29 | 0.382 |
| 所有灶具滿負荷 | Q | ≤0.8 | Q | ≤0.8 | Q | ≤0.8 |
從表4所列情況進行分析，一般廚房zui小流量是低湯灶工作，此時計量誤差是偏負的；到營業(yè)時間開始使用一臺雙眼灶、一臺蒸箱、一臺低湯灶，流量點均在0.1Qmax以上，示值誤差相對穩(wěn)定；到營業(yè)高峰時間灶具滿負荷使用，流量點落在大流量段，示值誤差相對穩(wěn)定。因此選用流量計時應(yīng)仔細核對工作流量情況，選擇合適的規(guī)格，如果zui大、zui小流量相差較大，可考慮使用兩臺不同規(guī)格的膜式表對不同流量段的燃氣設(shè)備分別計量。
3.5.2 民用膜式表
對于民用戶來講，大部分用氣設(shè)備為：一臺雙眼民用灶、一臺熱水器（或壁掛爐），目前使用較多的民用膜式煤氣表主要是JMB-3、G4兩種規(guī)格，JMB-3膜式表實際就是G2.5膜式表。G2.5、G4表的流量對比情況如表5所示。
從表5中所列情況進行分析，一般廚房zui小流量是小火保溫情況，此時計量誤差大多是偏負的；經(jīng)常使用的是一個火眼或兩個火眼，G2.5表的流量點均在0.1Qmax以上，示值誤差相對穩(wěn)定；G4表的流量點分布在0.1Qmax前后。如果灶具與熱水器同時使用，G2.5的流量點落在0.8Qmax左右；G4的流量點落在0.5Qmax左右。由此可見普通居民用戶選用G2.5膜式表比較合理。
表5 居民用氣設(shè)備使用情況
| 工作情況 | G2.5（Qmax=4m3/h）
（Qmin=0.025m3/h） | G4（Qmax=6m3/h）
（Qmin=0.04m3/h） |
| 實際流量Q m3/h | Q/Qmax | 實際流量Q m3/h | Q/Qmax |
| 小火保溫 | 0.09 | 0.023 | 0.09 | 0.015 |
| 雙眼灶單眼工作 | 0.41 | 0.103 | 0.41 | 0.069 |
| 雙眼灶雙眼工作 | 0.82 | 0.205 | 0.82 | 0.137 |
| 雙眼灶+熱水器 | 3.18 | 0.795 | 3.18 | 0.530 |
因此，在今后民用表的設(shè)計選型時，應(yīng)根據(jù)用戶具體設(shè)備情況，如果是普通居民住宅，選用G2.5膜式表比較合適；如果是住宅區(qū)，需考慮灶具和其他用氣設(shè)備的運行情況，進行合理選擇。
4 結(jié)論
4.1 流量計選型建議
4.1.1不同用戶建議使用流量計的類型如表6所示。
表6 各類用途選型參考表
| 用戶種類 | 建議使用表型 |
| 采暖 | 渦輪流量計 |
| 制冷 | 渦輪流量計 |
| 供熱廠 | 渦輪流量計 |
| 工業(yè) | 渦輪流量計、腰輪流量計、
商用膜式流量計（視具體情況而定） |
| 商用（公福） | 腰輪流量計、商用模式流量計 |
| 家庭 | 民用模式表 |
4.1.2同*量計不同使用情況下流量計規(guī)格的選型原則
通過分析知道各類城市天然氣流量計的選型存在一個共同的問題：小流量段使用不當。流量計在選型階段往往考慮的是設(shè)備zui大流量不超出流量計的上限流量，而對于用氣設(shè)備各個流量段的使用概率及其誤差區(qū)域未加考慮，這樣導致流量計使用中均未超出其流量上限，但是小流量段或常用流量段誤差偏大。
今后的流量計選型應(yīng)仔細了解用氣設(shè)備各流量點與流量計的匹配程度，選擇合適的流量計、合適的規(guī)格，保證使用流量點均落在誤差穩(wěn)定區(qū)域。渦輪、旋渦、腰輪使用在鍋爐用戶時zui大流量點選在0.6Qmax~0.8Qmax；普通居民用戶（雙眼灶加熱水器）使用的膜式表選用G2.5膜式表比較合適；對于燃氣設(shè)備較多、且耗氣量差異很大的商業(yè)公福用戶，應(yīng)仔細核算使用流量與流量計量程，當一臺流量計無法兼顧大小流量時，可采用分路計量供氣。
4.2 對現(xiàn)有流量計的建議
4.2.1 溫度、壓力修正
貿(mào)易結(jié)算是用標準參比條件下（壓力為101325Pa，溫度為293.15K，即20℃）的體積值。目前北京燃氣集團使用的膜式表、部分腰輪表、少數(shù)渦輪表是機械表，沒有進行溫壓修正。
不進行壓力修正所造成的偏差肯定為負，且實際工況壓力越大造成的偏差也越大，燃氣集團虧損越大。不進行溫度修正，當環(huán)境溫度高于20℃時，所造成的偏差為正；當環(huán)境溫度低于20℃時，所造成的偏差為負，冬季采暖鍋爐所用流量計所測天然氣介質(zhì)的溫度通常均低于20℃，這時不進行溫度修正所造成的偏差為負。因此，進行溫度壓力修正對于維護燃氣公司利益十分重要。
對于安裝了溫壓傳感器的智能渦輪表、旋渦表、腰輪表，雖然使用中進行實時修正，但是也存在問題：檢定規(guī)程只是規(guī)定出溫壓傳感器的配置精度，并未要求進行檢定，實際上也沒有進行檢定，因此智能表溫壓傳感器的計量精度是不知道的。建議對智能流量計使用的溫壓傳感器進行明確的檢定，從而在流量計的使用溫度、壓力變化范圍內(nèi)，溫度、壓力傳感器的測量值準確，以保證流量計的整體計量精度。
4.2.2信號遠傳
通過調(diào)查我們知道大部分流量計具有信號遠傳的功能，但都未使用。用于鍋爐房的計量流量計主要是渦輪流量計和旋渦流量計，如果燃氣集團利用流量計的信號遠傳功能，就可以通過流量計隨時了解鍋爐的用氣情況，記錄流量計的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題，避免發(fā)生漏計的故障情況。另外每個鍋爐房經(jīng)過一段時間的運行，也可摸清其運行規(guī)律，如有異常，可及時發(fā)現(xiàn)問題，保證燃氣系統(tǒng)安全、益地運行。
4.2.3提高加工質(zhì)量
目前，國內(nèi)流量計質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品相比，差距還是比較大的，主要原因是國內(nèi)的產(chǎn)品機械加工水平較低，材料質(zhì)量也不如人家，使得原理相同、結(jié)構(gòu)相似，但性能差別較大，而高質(zhì)量的進口流量計其價格又較貴，因此迫切需要提高國產(chǎn)流量計質(zhì)量。
4.2.4天然氣的能量計量
天然氣是一種混合氣體，它含有甲烷、乙烷、丙烷等烴類組分和氮、二氧化碳、一氧化碳等非烴類組分，各組分含量并不相同，不同地區(qū)產(chǎn)的天然氣組分含量可能有所不同。作為燃料天然氣的商品價值是其所含的發(fā)熱量，即天然氣銷售使用的實質(zhì)是天然氣的能量，而不是體積。當天然氣作為燃料時，能量計量顯然比體積計量（或質(zhì)量計量）更科學、更公平。
傳統(tǒng)的天然氣發(fā)熱量的計量方法：
（1）直接法：熱量計；
（2）間接法：氣相色譜儀。通過組分分析計算天然氣的熱值和相對密度。
國外新型天然氣發(fā)熱量的計量方法有超聲法和紅外熱傳法兩種。其特點是用不同于氣相色譜的分析法，測出燃氣中烴類的碳原子、CO2和N2各自的組分含量，并依據(jù)烴類中碳原子與聲速、氣體的摩爾質(zhì)量、發(fā)熱值之間的線性關(guān)系，算出發(fā)熱值。方法簡單，設(shè)備投資低，運行費用也低。具體產(chǎn)品如下：
一種是instromet international的產(chǎn)品：ENSONIC——超聲能量計，采用超聲法；另一種是RuhrgasAG Essen的產(chǎn)品：gas-lab Q1——紅外熱傳燃氣質(zhì)量測定儀采用紅外熱傳法。
目前在國外，能量計量也是處于理論研究階段，尚未實現(xiàn)貿(mào)易計量上的實際應(yīng)用。為了今后在我國逐步實行按能量進行貿(mào)易交接，還需在法規(guī)上、計量體系上、標準上、配套設(shè)備上等方面做許多相關(guān)的準備工作。
