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、輸氣干線貿易計量、城市門站和城市天然氣用戶貿易計量等部分。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易計量流量計進行抽樣檢測，分析數(shù)據(jù)，提出有關城市天然氣貿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。貿易計量是天然氣供需雙方結算的憑證，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、周圍設備的噪聲、電磁干擾情況、安裝空間以及天然氣介質的壓力、溫度、清潔度、組分等；同時還得考慮經濟因素。
2.2 選型步驟
要想選型合適，必須了解流量計性能質量和被測量介質工況，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備的有關參數(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。
在渦輪流量計的設計選型中，要兼顧用氣設備的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，即確保計量結果穩(wěn)定可靠，需滿足以下條件：設備額定流/Qmax=0.6~0.8；Qmin≤設備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。廠家的產品說明書上有詳細的不同口徑、不同流量、不同工況下有關其壓力損失的圖表和計算公式，設計中要保證供氣壓力減去壓力損失應大于燃氣設備的使用壓力，否則燃氣設備將無法正常工作。
表1 各類流量計有關特性對比表
| | 旋進旋渦 | 渦輪 | 腰輪（國產） | 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zui大壓力
（MPa） | 4MPa | 10MPa | 1.2MPa | 1.2MPa | 0.05MPa | 0.05MPa |
| 介質溫度 | -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 | 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)設置得較低，這是以犧牲小流量精度為代價的，其結果是不僅使小流量精度降低，而且經常是小流量根本不計量。因此，選用該表必須確定燃氣設備的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，用氣設備常用流量段應該使用在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，在今后腰輪表的設計選型中，要仔細核算用氣設備的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。
下限要求應滿足：Qmin≤設備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
流量計在設計選型時應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，在今后民用表的設計選型時，應根據(jù)用戶具體設備情況，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備的運行情況，進行合理選擇。
4 結論
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備zui大流量不超出流量計的上限流量，而對于用氣設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仔細了解用氣設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；對于燃氣設備較多、且耗氣量差異很大的商業(yè)公福用戶，應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
貿易結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，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提高加工質量
目前，國內流量計質量與國外同類產品相比，差距還是比較大的，主要原因是國內的產品機械加工水平較低，材料質量也不如人家，使得原理相同、結構相似，但性能差別較大，而高質量的進口流量計其價格又較貴，因此迫切需要提高國產流量計質量。
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、氣體的摩爾質量、發(fā)熱值之間的線性關系，算出發(fā)熱值。方法簡單，設備投資低，運行費用也低。具體產品如下：
一種是instromet international的產品：ENSONIC——超聲能量計，采用超聲法；另一種是RuhrgasAG Essen的產品：gas-lab Q1——紅外熱傳燃氣質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)貿易計量上的實際應用。為了今后在我國逐步實行按能量進行貿易交接，還需在法規(guī)上、計量體系上、標準上、配套設備上等方面做許多相關的準備工作。
