城市燃氣的低壓系統中對小氣量用戶使用超聲波計量的技術應用研究

吳國章 于際

涿州濱海燃氣有限公司，中國·河北 涿州 072750

1 引言

隨著天然氣的普及推廣，農村采暖和非居小氣量用戶越來越多，安裝和使用環境也呈現出多樣性和復雜性，現有燃氣低壓貿易計量的安裝要求、計量精準度不能夠滿足部分用戶的需求，需要改進。

2 現有低壓計量設備類型分析

目前被廣泛使用的流量計是：氣體渦輪流量計、氣體羅茨流量計、皮膜流量計，存在如下問題：①渦輪流量計適用于大氣量用戶，使用中對葉輪的軸承的要求很高，安裝過程中對計量前的直管段和水平度均有要求，量程比窄，容易受電磁干擾，在有用氣高峰和低谷的用戶使用中會出現計量偏差，產生爭議。②羅茨流量計使用中對氣質的要求較高，灰塵和雜質均會影響計量，日常使用需要加注潤滑油確保流量計的自潔，對溫度、壓力等物理參數敏感，大管徑的羅茨表檢定、校驗較困難，且不能解體保養，不宜在大用戶或不能停氣的用戶使用。③皮膜流量計適用于小用戶和低壓，使用中內部元件（橡膠皮膜）容易老化，不能適應溫壓變化大的用氣場所，體積較大，安裝不便。④超聲波用于高中壓的大計量較多，檢定檢測較復雜，使用中對氣質要求較高，對應用場所的電磁干擾有限制要求，目前在低壓用戶氣量計量中缺少應用數據分析。

綜上，分析用氣環境對計量準確性的干擾源影響并提出解決辦法，科學選型是對復雜用氣環境下準確計量的新課題[1]。

3 低壓端測試的項目說明

為適應城鎮燃氣用戶的用氣環境的復雜性和多樣性，規避不同類型的流量計的安裝和使用限制，減少計量故障和爭議、提高計量精度、降低維修養護成本，實現測量精度高、維護費用低、運行穩定的目的，模擬用戶低壓用氣環境，引入小型超聲波計量，對比不同流量計在低壓端的計量數據，通過測試不同環境中的工況和標況的各項參數變化，分析并研究誤差，完善設備的計量、修正功能，實現參數改進、推廣應用的效果[2,3]。

4 實驗數據

①2.8m3/h灶具滿負荷24小時溫度試驗：使用獨立測量方式調節溫度測量表具在不同溫度下的精準度。為家用灶滿負荷溫度試驗見表1，家用灶滿負荷溫度試驗折線圖見圖1。

圖1 家用灶滿負荷溫度試驗折線圖

表1 為家用灶滿負荷溫度試驗

②8m3/h雙眼大灶兩臺滿負荷24小時噪音試驗:采用串聯方式，測量不同分貝對計量設備的影響。

兩臺雙眼大灶24小時滿負荷噪音試驗見表2，兩臺雙眼大灶24小時滿負荷噪音試驗折線圖見圖2。

表2 兩臺雙眼大灶24小時滿負荷噪音試驗

圖2 兩臺雙眼大灶24小時滿負荷噪音試驗折線圖

③5m3/h單眼大灶一臺滿負荷24小時壓力試驗：采用串聯方式，測量不同壓力對計量設備的影響。一臺單眼大灶24小時滿負荷壓力試驗見表3，一臺單眼大灶24小時滿負荷壓力試驗見圖3。

圖3 一臺單眼大灶24小時滿負荷壓力試驗

表3 一臺單眼大灶24小時滿負荷壓力試驗

2.8kw168小時空間（80m2）磁干擾試驗，壁掛爐出口溫度恒定50℃：使用獨立測量方式對表具進行噪音測試（日均用氣量12m3）。

2.8kw壁掛爐168小時滿負荷電磁干擾實驗見表4，2.8kw壁掛爐168小時滿負荷磁干擾試驗折線圖見圖4。

圖4 2.8kw壁掛爐168小時滿負荷磁干擾試驗折線圖

表4 2.8kw壁掛爐168小時滿負荷電磁干擾實驗

實驗方式：將超聲波流量計與燃氣表、流量計串聯連接，改變噪音、溫度、壓力、電磁干擾因素，記錄不同條件下參數進行統計、分析。

第一步：用氣環境噪音、管道壓力電磁干擾為固定量，改變用氣環境溫度-5℃、10℃、20℃，根據實驗數據可得出皮膜表及渦輪流量計受溫度影響導致表具計量出現誤差。

第二步：用氣環境溫度、管道壓力、電磁干擾為固定量，改變噪音40dB、60dB、80dB、120dB，根實驗數據可得出四種流量計未受到噪音影響，計量數值符合國家標準。

第三步：用氣環境溫度、噪音、電磁干擾為固定量，改變管道內壓力2kPa、4kPa、6kPa、8kPa、10kPa，根據實驗數據可得出四種流量計均受壓力影響導致計量出現誤差，但超聲波流量計較為穩定誤差在0.275%以內。

第四步：用氣環境溫度、噪音、壓力為固定量，增加電磁干擾50kHz、150kHz、500kHz、1MHz、50MHz，跟據實驗數據可得出超聲波流量計及渦輪流量計因數據傳輸收到電磁干擾影響導致計量出現誤差。實驗現場如圖5、圖6所示。

圖5 實驗現場（一）

圖6 實驗現場（二）

5 實驗數據整理分析

溫度實驗數據分析見圖7，噪音實驗數據分析見圖8。

圖7 溫度實驗數據分析圖

圖8 噪音實驗數據分析圖

管道壓力實驗數據分析見圖9，電磁干擾實驗數據分析見圖10。

圖9 管道壓力實驗數據分析圖

圖10 電磁干擾實驗數據分析圖

經過實驗數據整理、分析，超聲波流量計計量誤差在0.3%以內，計量誤差低于其他類型計量設備。

6 實際項目成果

根據超聲波時差法測量原理，對影響計量的溫度、壓力、噪音進行試驗對比現有計量設備，超聲波流量計計量精準度高于現有計量設備，且超聲波流量計易安裝，保養維護費用低。超聲波流量計采用時差式測量原理見圖11。

圖11 超聲波流量計采用時差式測量原理

其中，td為順流速度；tu為逆流速度；L為順流換能器到逆流換能器之間的距離，超聲波傳播方向與氣體流動方向夾角為θ，管線的內直徑為D，由于流體流動的原因超聲波順流傳播所用時間比逆流所需時間短，其時間差計算公式為：

Td=L/c+Vcosθ,tu=L/c-Vcosθ

△t=tu-td=L/c-Vcosθ-L/c+Vcosθ

=L×2Vcosθ/C2-V2cos2θ

=2VLcosθ/C2-V2cos2θ

=2VX/C2/1-(V/C)2cos2θ

式中，X是兩個換能器在管線方向上的間距。為了簡化，我們假設，流體的流速和超聲波在介質中的速度相比是個小量。即：

V≈C (V/C)2≈0<1

△t≈2VX/C2

V=C2△t/2X

由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。流量Q可以表示為：

Q=πD2/4∫vdt

比對不同工況環境下的流量值，研究復雜用氣環境下影響計量的因子，篩查、分析壓力、溫度、噪音、壓力對計量準確性的影響，比對流量計數據，分析不同選型的計量誤差因素。

7 結語

近兩年，隨著氣代煤項目的開展，天然氣的使用率明顯提高，對于計量設備的要求也越來越嚴格。超聲波流量計雖受電磁干擾、氣體氣質影響，但電磁干擾可通過接地、防磁反射鍍膜有效降低磁干擾，氣體氣質可通過加裝兩處過濾器（調壓器一處、計量設備前一處）定期排污，可有效解決氣體氣質問題。超聲波流量計體積小，便于安裝和檢查，且不受管徑影響，計量準確，有效解決了受限空間內因溫度、壓力計量錯誤而產生的爭議。