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天然气流量计量新技术发展及应用
点击次数:600 发布时间:2015-03-21

  低压小流量天然气流量计量技术已有近200年的发展历程,随着阶梯计费需求的提出和当前新型传感技术和物联网技术向天然气流量计量领域的渗透,天然气流量计量技术正经历深刻变革。新技术的推进和产业化必将进一步促进节能减排和支撑大数据的广泛运用,了解这些新技术的发展和应用情况,可以促进天然气流量计量行业的技术进步和产业健康发展。
一、多信道物联网通信技术
  2014年3月20日,国家发改委发布了《关于建立健全居民生活用气阶梯价格制度的指导意见》, 要求2015年年底前所有已通气城市均应建立居民生活用气阶梯价格制度。当前,基于RF射频等无线自组网的无线通信技术普遍应用于网络燃气表和IC卡无线远传燃气表,因其解决了普通预付费表难以实现的远程监控功能而在城市天然气流量计量中发展迅速,但是其暴露的问题也日益明显。由于自组网的不稳定性和对制造方服务的过分依赖,已成为天然气流量计量中的鸡肋。而随着国家物联网的推进, 公共无线网络的普及开放,基于公共无线网络的多信道物联网技术正逐渐成熟。
  在国家物联网“十二五"发展规划中,物联网燃气表属于智能家居的重点示范工程, 其集智能实时抄表、远程监控、数据分析、数据服务于一体,是以智能终端为主,云、端结合的系统应用和现代服务工程。应用后可有效降低抄表的人工成本、实时监控用气情况,实现节能减排和提高燃气营运的安全性。对推进国家“一户一表"工程和“阶梯计价"政策的实施,减少用气纠纷、创建和谐社会、助推节能减排工程、为公众提供便利创造了条件。
  多信道物联网燃气表要求具有多种信道接入方式,具备通过ZIGBEE、WiFi、手机数据线、GPRS、3G/4G等公共无线网络接入互联网的能力,同时与时间有关的计量数据和各项参数能够在需要时或者网络接通时准确传送到指定的服务器,无需自建网络,因此排除了前端网络故障,其零信道成本和零网络维护成本的优势,必将成为物联网时代zui具竞争力的产品。
二、燃气安全监测技术
住房城乡建设部关于发布行业标准《切断型膜式燃气表》已于2014年7月1日实施。燃气安全一直伴随着燃气使用全过程, 燃气使用不当发生泄漏,更有可能引发爆炸、火灾等危险,因此燃气的安全监测一直是燃气系统工程中zui重要的一环。根据这些需求, 燃气行业正在推进切断型燃气表的技术、标准化和产业化进程,新的标准对燃气安全提出了以下要求:
(1)超流量侦测,以备出现燃气管道破裂的情况下及时切断燃气。
(2)超过连续使用时间侦测,防止忘记关闭灶具、热水器等引发危险。
(3)连续长时间微泄漏侦测,防止气路老化破裂引起的安全事故。
(4)超压和低压侦测,防止调压器异常和临时断气回火引发的事故。
(5)5级以上地震侦测并关断,防止次生灾害的发生。
(6)远程指令侦测,根据远程指令执行数据报送、远程联网等功能。
(7)外部警报侦测,根据烟雾传感器的警报信号实时切断阀门并远程报警。
切断型燃气表标准的推进,已将燃气运营与安全终端的技术指标重新定义,而具有单向截止阀的燃气表,其国内市场运用就已超过100万台。新产品的推广运用必将进一步提升燃气安全运营及管理水平,减少和预防燃气事故的发生。
三、射流气体计量技术
  射流流量检测是基于流体快速通过节流孔,产生不同频率的震动来检测气体流速, 运用在产品上,由于其结构小巧、成本低廉、功耗极低,且属于电子式产品,目前在俄罗斯等国家有大批量使用。但是由于其压损极高、流量小、量程比窄、重复性和稳定性一般,不能满足OIML R137《气体流量计》国际建议要求,因此适用范围较窄。
通过改进后的射流表,不排除后期在独立计量方面得到运用,比如燃气热水器的流量显示,燃气灶具的流量显示,各独立用气设施流量显示等功能性的非贸易结算的计量,其取代贸易结算计量器具的可能性较低。
四、超声气体计量技术
  超声气体流量检测技术, 由于其测量准确度高,在高压大流量天然气流量计量中运用普遍,小型超声波在日本、英国等也有超过10年的应用历史,因此是当前呼声zui高的替代传统机械式燃气表的技术之一。
  目前,小型超声波燃气表普遍采用时差法原理来测量燃气流速,通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速。因时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差, 准确度较高,目前应用较广泛。
  当前,《家用超声波燃气表》行业标准项目已列入工信部2012年第三批行业标准制修订计划中,项目编号:2012-2016T-JB《家用超声波燃气表》。其配套的检定规程也在申报中。由于超声波燃气表更能适应当前燃气的体积贸易结算的方式,因此其也是当前zui有可能批量市场化的新型天然气流量计量产品。
五、MEMS气体计量技术
  微机电系统(MEMS)计量技术是采用热敏传感器检测流动的流体与热源之间热量交换来测量流体的流量。如图1所示,在MEMS计量芯片中央设置了一个微热源,在气体流动的方向,也就是微热源的上、下游对称地设置了两个温度传感器T1、T2。当没有流体流过计量芯片表面时,此时T1=T2;当流体有流量时,T1≠T2,存在温度差。

  与传统的热式质量流量计一样,MEMS燃气表根据MEMS计量芯片的安装位置,可以分为两种结构:一种是插入式结构;另一种是旁路结构。一般地,插入式结构简单、压损小;但需要前后直管段,而旁路结构具有可减少气体中微小固体颗粒对计量芯片的影响和无前后直管段要求等特点。现在家庭使用的膜式燃气表寿命一般在10年以上,为了减少燃气管道中灰尘、杂质等对计量芯片造成的影响, 延长家用MEMS燃气表的使用周期,一般采用旁路结构,同时需要在计量芯片的表面增加特殊涂层处理,更加全面和严格地保护MEMS计量芯片。
  目前,国际上天然气贸易结算主要有体积、质量和能量等3种方式。天然气作为一种清洁能源,人们更关注的是它的发热量。发热量与燃气组分相关,而天然气的组分与气田、地区和开采的时段都存在关系。
  据不完全统计, 我国管输天然气的发热量zui小为33.90MJ/m3,zui大为44.35MJ/m3,二者相差30.8%。能量计量以其科学、公平和公正性广泛应用于国际天然气贸易结算中。
  现阶段通常采用气相色谱仪分析天然气的成分来测量能量。由于气相色谱仪价格昂贵,主要应用于天然气的骨干管网和大型用户, 随着天然气能量计量的推进,家庭和小型工商用户zui终也会采用能量计量。根据行业中MEMS研发技术人员的介绍,MEMS技术后期可以通过组分识别达到能量计量, 当然,这其中可能有很大不同,我们需要的是燃气燃烧后释放的热值。这二者之间可能并非等同。MEMS燃气表是否能够实现预期中的能量计量,还有待行业技术人员的共同努力,一起来解开其中的谜团。

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