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管道天然气流量计量方法与仪表问题分析
点击次数:621 发布时间:2016-04-16

  天燃气作为一种清洁能源, 在城市可持续发展中扮演了重要的角色, 其流量计量的准确性和仪表度也直接关乎到我国城市的工业发展和人们的日常生活。 管道天然气流量计量需要一套完善的计量系统作为保障, 而仪表度则不仅与仪表自身的性能有关, 还与仪表选型、 安装调试、 使用维护等有重大关联。 本文主要分析了当前城市管道天然气流量计量方法与仪表存在的问题, 并结合所用仪表的计量缺陷提出了宽量程天然气流量计量理念。
一、 管道天然气流量计量现状分析
管道天然气流量计量与传统的液体、 低压气体计量和固体计量相比, 在应用技术和计量度方面的要求都更高, 相应的投资成本也更大, 当前仅有美国、 加拿大、 德国等国家实现了高度等级的高压天然气流量计量,我国也仅在南京和成都两个城市建立了两套大流量标准计量装置, 其他地区还没有实现高压燃气的高度计量, 所采用的计量方法和计量仪表也一直沿用几十年之前的计量体系。
(一) 膜式容积式计量法
城市管道燃气有人工煤气和天然气两种, 燃气运送对象则主要是居民和工厂等。 当前针对居民生活用气所采用的计量方法为膜式容积式计量法, 此种计量方法能够直接给出居民用气的累积量, 便于按量收费。 膜式容积式计量法中所采用的膜式容积计量表从研发之初到今天也已经经历了百年历史, 这种仪表之所以能够历经百年而依然在用的原因在于其独特的仪表性能。 其一, 膜式容积计量表结构简单, 便于操作, 不易被偷气等不法行为改造, 仪表运转过程中不需要电源, 简化了仪表的使用, 在停电状态下也能正常使用。 其二, 价格相对低廉, 能够被供需双方所普遍接受, 对燃气公司而言, 仪表的正负偏差基本可以保证盈亏持平, 避免出现较大的燃气经营亏损。 正是由于上述种种原因,即使在计算机信息技术普及的当今社会, 这类仪表依然在国内外被大量使用。 这类仪表只适合居民用气这种小容量的计量, 无法满足工业生产等大容量的天然气流量计量, 因此, 人们逐渐将目光转向工业气体流量表。
(二) 工业用气计量
工业用气中所采用的气体流量计发展历史悠久, 计量表种类也比较丰富, 但经过一段时间的实践之后, 人们逐渐发现工业气体流量计很难满足当今天然气流量计量的要求, 究其原因, 主要表现在以下几个方面: (1)气体流量的计量本身就存在较大难度, 工业中液体流量计量可选用的方法要远远多于气体流量计, 像超声流量计、 电磁流量计等常用流量计都是常用的液体流量计, 其中, 超声流量计的应用范围更广 。 超声流量计原理为超声波流体传播, 借助超声波承载流体流速信号, 并将处理后的信号转换为流量信息, 超声流量计的显著特点为体积小、 始动流量低等, 虽然超声流量计在气体流量计量方面的应用优势显著, 但流量计普遍价格昂贵, 因此在选择流量计时, 一般选用口径大于100mm的优选流量计。 虽然超声流量计和电磁流量计在原理上具有可操作性, 但普遍造价高, 很难大范围推广使用。 在我国, 超声波流量计因为价格高昂仅在长输管线、 门站使用较多, 而在城市内低压管网方面应用的相对较少。
(2) 大部分工业流量计都是应用在控制流程中, 可测流量的范围比较固定, 如果直接将这些流量计用于天然气流量计量收费, 则实行起来很有很大难度, 像一些差压流量计的上下限比值仅为3:1, 但是燃气供应过程中的峰谷值相差很大, 这些阻碍了差压流量计的使用。 (3) 近几年新推出的热式气体质量流量计从其物理特性上看, 可以适应小流量范围的天然气流量计量, 也可以测量较低的燃气流速, 但是在测量大流量时, 相对误差就会增大, 导致测量数据出现偏差。 此外, 燃气中的某些成分变化也会直接影响热式气体质量流量计的测量度, 因此, 这种流量计的测量误差主要来自于燃气流量增大和气体变化。 (4) 孔板流量计是国际上通用的*一个不用实流定标的燃气流量计, 我国也根据国际通用标准制定了符合我国实际情况的国家标准, 由于不必实流定标, 需要通过计算, 因此给大范围的推广使用带来了诸多不便。 (5) 其他容积式流量计, 虽然品种繁多, 计量度有保障, 但是可动或旋转部件会影响计量仪表的使用寿命, 如果改为插入式的口径来避免对计量仪表产生干扰, 其测量度就会大打折扣。
二、 管道天然气流量计量仪表选用安装问题分析
(一) 仪表选用需要考虑的因素
在仪表正式安装使用之前, 需要全面考虑仪表功能和使用特性是否符合计量要求, 并评估所选仪表的流程范围是否会受到周围环境和使用条件的影响。 确定流量计布置方案后, 要根据燃气流体特性选择合适的流程范围, 根据测量范围确定仪表型号和量程范围。
(二) 注意流体特性的影响
流体特性包括流体压力、 温度、 粘度、 化学性质、 脉动流、 比热、 声速等因素, 只有综合评估仪表对流体多种特性的承受能力, 才能避免出现仪表与燃气器具不相匹配的情况。
(三) 考虑仪表安装条件
天然气流量计量仪表的准确度和工作性能不仅受到燃气流体特性的影响, 还会受到外界因素也就是安装条件的影响。 因此, 应当考虑安装条件选用具有防震、 清洁功能的仪表。
(四) 安装经济性
仪表的选用不能一味的追求计量度, 还要考虑安装的经济性,在满足计量要求的情况下, 应当尽可能地选择费用低廉、 安装成本更低的天然气流量计量仪表。
(五) 严格执行仪表安装与调试
仪表型号确定之后, 下一步工作重点就是仪表安装与调试。 仪表的安装与调试结果直接关系到仪表的使用性能和计量度, 因此, 仪表的安装与调试应当严格遵循国家规范标准, 并严格按照施工要求进行。
仪表安装应当注意横平竖直、 安装牢固, 并注意安装支柱, 避免仪表出现震动, 搬运过程中要小心谨慎, 避免碰坏仪表, 严格禁止代表焊接、代表吹扫作业。 仪表正式安装前要预制管道, 待焊接、 打压试漏等一系列工作结束之后再进行仪表安装。 仪表安装完毕后, 应及时设置仪表保护装置, 避免高低压互蹿造成仪表损坏。 在仪表验收与通气置换阶段, 要按照实时动态验收标准展开, 仔细核对实时通气流量与仪表显示是否一致。
(六) 仪表使用与后期维护
为确保仪表投入使用后的计量度, 只进行安装调试是达不到计量要求的, 还要进行通气强制检定和周期检定。 仪表的检定目的是为了及时排除仪表故障, 保证仪表投入使用之后的正常运行。 在下一次周期检定之前, 要进行实流校准, 观察仪表变化, 并采取相应措施,避免出现较大的计量误差。 仪表投入使用后需要进行必要的维护, 包括对瞬时流量、 电池、 外观、 压力变化、 防护装置、 周检标识等的检查,如果仪表存在超负荷运转的情况, 应当及时进行检定, 做好维护保养工作, 延长仪表使用寿命。
三、 管道天然气流量计量方法确定原则-科学合理
在确定管道天然气流量计量方法时, 一个zui重要的原则就是科学合理性。
当前阶段我国城市管道所采用的天然气流量计量方法为容积计量, 也就是按照所用燃气的容积来收费, 这种方法受温度和燃气压力的影响无法得出燃气的质量流量。 国际上采用的比较先进的天然气流量计量方法为质量计量和热值计量。 质量计量方法能够克服温度和燃气压力的影响, 热值计量原理则直接与燃气燃烧热值有关。 受到我国现有技术的限制, 这两种计量方法的实现还存在一定的困难, 但一些用气量较大的单位正在考虑逐渐向质量计量和热值计量靠近。
在燃气实际测量时, 管道中的供气压力变化范围较大, 在一些专门设有调压站的单位, 压力范围可以根据实际需要设定, 因此压力变动范围更大。 根据《城镇燃气设计规范》 中的相关规范标准可以看出, 不同单位不同用户之间的管道燃气压力相差较大, 如工业单位中的zui高压力值可以达到0.4MPa, 民用单位中的中压和低压分别为0.2MPa、0.005MPa, 因此, 压力波动范围基本维持在10%-20%之间。 为了避免体积流量变化所造成的计量误差, 燃气主管部门已通过安装压力补偿装置的方式来提高计量合理性, 便于计算出瞬时质量流量。 但是安装配套设施必然会增加天然气流量计量成本, 在一定程度上阻碍了质量流量计的大范围推广使用。
需要特别指出的是, 由于不同单位之间所采用的天然气流量计量方法不同, 增加了供差率的计算难度, 终端计量仪表上测得的体积流量值为没有经过压力、 温度修正的值, 而监测点测得的流量值却是在不同压力、温度条件下的流量值。
综上, 天然气流量计量过程不仅受到燃气本身压力、 温度的影响, 在不同用户之间的压力变动也较大, 所有不利因素都有可能导致测量误差的出现, 因此, 在确定天然气流量计量方法时, 应当以科学合理作为首要原则,合理规避不利因素, 探索出一套可行性高、 适合我国国情的一种计量方法。
四、 智能宽量程天然气流量计量方法和仪表的设计思想
(一) 宽量程计量表设计原理
上文所介绍的热式质量流量计, 在流量较小的情况下比较敏感, 在流量迅速增大的过程中, 测量精度就会迅速下降, 因此不适合大流量的测量。 涡街流量计与之不同的是, 测量小流量时有确定的下限值, 如果将这两种流量计结合, 就可以构建出一个从零开始计量的仪表, 暂且称之为宽量程流量计。 宽量程流量计的设计原理结合了热式质量流量计和涡街流量计的测量特性, 在流量较小时, 运用热式质量流量计的测量原理, 在流量增大的过程中改用涡街流量计的测量原理。 这样就可以使小流量和流量迅速增大时的测量敏感度得到保证。 当前, 基于这种原理的流量计已进入研发阶段, 可以为城市区域天然气流量计量提供一种可靠的计量方法和仪表。
(二) 宽量程计量表应用特点
基于该计量表的设计原理和研发应用, 可以归纳出宽量程计量表的一些特点:
1、 计量范围大
天然气流量计量范围较大, 可有效避免小流量泄漏或计量不准的情况发生。
2、 可实现质量计量
由于宽量程计量表是在热式质量流量计的基础上设计出来的, 而热式质量流量计本身是质量流量计, 那么该流量计也同样可以实现质量计量, 通过涡街流量计所给出的涡街信号, 就可以确定工作状态下, 经过压力、 温度修正之后的实际输出体积流量。
3、 仪表系统集成化高
宽量程计量表中设置有温度和压力传感器, 并配有高智能处理电路, 可以对流量体积进行单位变换和运算处理, 不但提高了计量表测量结果的可靠性, 而且也降低了仪表维护难度, 从根本上降低了仪表系统的投入和运营成本。 该仪表的高度集成化不仅表现在传感器和高智能处理电路上, 还体现在输出数值上。 宽量程计量表不仅可以输出正常工作状态下的瞬时体积流量和累积流量, 还可以根据实际需要输出某个点的温度值和压力值。 当燃气成分变化时, 为避免出现测量误差, 内部集成软件可以根据导热系数进行计算修正, 确保具体数值符合国家国定指标。
4、 具有防窃气和掉电自动保护功能
宽流量计量表的电源来自于市电供电, 也可采用内置大容量锂电池, 一般情况下, 内置电池寿命可达3~8年。 不会出现停电漏计的情况,确保计量表正常计量。 如果燃气用户是有意识的切断市电电源, 仪表也可以自动记录下停电的次数和停电时间, 并正常计量, 不会产生气量损失, 并可根据具体情况对燃气用户予以惩罚。
5、 可实现计算机联网技术
当前阶段的天然气流量计量收费需要进行大量的抄表工作, 收费员抄表过程中的工作失误可能造成收费不准和计量流失, 为此, 为了减少收费员的工作量, 避免客观抄表出现的错误, 本仪表专门配备了相应的抄表器, 也就是便携式无线数据采集器, 收费员只要将抄表器对准仪表数据输出窗口, 就可以接收仪表内存储数据, 包括抄表日期、 用户编码、 用气量等, 收费员完成用户燃气抄表后可以将抄表器统一上交给上级收费站, 再由收费站将所有数据录入到联网计算机中进行统一处理。 对于一些大型燃气单位和工厂 , 该仪表还可以根据用户的实际需求设置相应的数据输出口, 利用现有公共网络, 实现数据的实时查询。

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