宽量程组合燃气计量方法及计量特性实验研究

同济大学机械与能源工程学院　王　海　姚晟宇　朱　彤　吴　竺

宽量程组合燃气计量方法及计量特性实验研究

同济大学机械与能源工程学院王海姚晟宇朱彤吴竺

为减少燃气输差，提出了一种基于多个涡轮流量计组合的宽量程燃气计量方法和燃气表切换测量原则，以满足全量程范围内的高测量精度，同时开展了全量程范围内计量特性的实验研究。研究表明，通过合理的仪表选型和切换区间参数设计、控制策略，该方法可满足宽量程燃气计量的高精度测量要求，且燃气表切换过程中压力波动小。

天然气燃气输差宽量程流量计量组合仪表

0　前言

近年来，天然气作为一种清洁能源在各类工业生产中使用越来越广泛。然而，天然气输差成为影响燃气供应企业经济效益的主要因素之一。天然气输差是指外购气量Q1与销售气量Q2之间的差额占外购气量的百分比，又称购销差，即燃气输差=(Q1-Q2)/Q1×100%。在城市燃气输送过程中，由于计量设备误差，输气系统泄漏及其他人为因素会导致燃气输差。许多文献都报道了控制和管理燃气输差的办法、使用条件和效果。

常见的一种情况是，许多用户燃气计划使用量与实际严重不符，出现用气设备额定流量与计量表型号不匹配等问题，严重影响了计量精度。个别商业用户采用一块计量表带多台用气设备，不仅出现由于用气量小、影响计量表准确度的问题，而且还出现用户开1台用气设备时计量表不显示流量的情况，严重损害了燃气公司的经济利益。而且，部分商业用户为了及早接通天然气，在没有选定用气设备、甚至不清楚用气总量的情况下就申请安装了天然气管道和计量仪表。这种情况导致设计委托书上所提供数据与实际用量不符，用气设备的额定流量与计量表型号不匹配，严重影响了计量准确度。

为了解决燃气输差问题，除了加强管理措施外，还需要发展宽量程的燃气计量仪表。随着流量测试技术和仪表制造工艺的提高，宽量程燃气流量测量方法的研究也取得了进一步发展。其中李朝辉《燃气流量宽量程计量标定方法研究》提出燃气流量分段计量，不同流量段采用适合该流量段的燃气测量理论和方法，并根据该方法设计研制了一种新型的城市燃气流量计，能够实现对城市燃气的宽量程计量。还有邓建文《提高燃气计量准确性的探讨》提出多路不同流量计量范围的标准孔板流量计并联计量的方法；然后采用同一标准孔板流量计并联不同差压范围的一体化流量计算机，变换标准孔板流量计孔板β值。为提高燃气计量准确性，党进等《然气流量宽量程的计量》探讨了实际生产中影响孔板流量计计量准确性的相关因素，并提出了关于孔板流量计倍率的测定方法。

上述文献中所报道的孔板和超声波流量计一般适用于门站等大流量测量场合；皮膜表和罗茨(腰轮)表则适用于民用户等小型流量测量场合。而在普通工业用户常遇到的测量范围里，最适宜的流量计为涡轮表和罗茨(腰轮)表。其中，涡轮表的价格适中，而且受脉动流动的影响更小。本文介绍了一种基于多个涡轮流量计组合的计量系统，能够保证测量精度，且有效扩展了燃气流量的测量范围，并开展了相关实验研究。

1　宽量程组合燃气计量系统

1.1宽量程组合燃气计量系统组成

宽量程组合燃气计量系统是由多个涡轮流量计及其配套阀门组合而成的计量系统。以两块流量计组成的宽量程计量系统为例，如图1所示。

图1　宽量程组合燃气计量系统示意

由图1可见，宽量程组合燃气计量系统具有两块流量表，一块为小量程流量表A；另一块为大量程流量表B。两块流量表将各自所测量的流量信号显示到一块体积修正仪上。一般情况下，手阀1和手阀2保持常开。当流量在小量程燃气表A的量程范围内时，系统开启小量程流量表A的配套电动阀门，关闭大量程流量表B的电动阀门。这时，计量采用小量程流量表A的流量读数值。反之，则相反。但由于表A、表B存在量程重叠的测量区间，则需要制定相关的计量控制策略。

1.2计量系统的控制策略

在整个流量测量范围内，所采用的两只燃气表的计量范围及其切换方式图2所示：

图2　组合燃气表的计量范围及切换方式

如图2所示，这两只燃气表的切换过程分为两种情况。当流量逐渐增加时为“上行”过程。上行过程中，当流量增加到切换区域的上限Rqmax时，表B对应的阀门开始动作，待表B对应的阀门完全打开后，表A对应的阀门开始关闭，此时，燃气流量的计量读数从表A切换到表B。反之，当流量逐渐减少时为“下行”过程。下行过程中，流量减少到切换区域的下限Rqmin时，表A对应的阀门打开，待表A对应的阀门完全打开后，表B对应的阀门开始关闭，燃气流量的计量从表B切换到表A。切换区域的上限Rqmax和下限Rqmin需要根据燃气流量经常波动范围以及保证计量准确两个方面来确定。这两个上下限值可以根据实际情况而调整，不同的应用对象可以有不同的取值。

宽量程燃气组合流量表的两个电动阀门在稳定运行工况下，总是处于一开一关状态；即使在掉电情况下，仍然能够保证至少有一个阀门处于开的状态。当阀门切换时，先开启一个阀，待阀位信号输出“开状态”后再关闭另一阀门。为避免由于负荷波动导致的频繁开关阀门，阀门切换动作完成后一段时间内不再进行切换。在工程中，可根据实际运行情况调整阀门锁定时间长度。

1.3确定燃气计量表的组合原则

假定表A测量范围为小流量、表B测量范围为大流量。其中，表A的量程为：RAmin～RAmax，表B的量程为：RBmin～RBmax。如可根据涡轮燃气计量表的测量特性可知，计量表的测量范围在0～20%内，精度为e(如2%)，在计量表测量范围20～100%内，精度为f(如1%)。

选型时的主要的原则是尽可能的使组合燃气表整个测量范围内都保持尽量高的测量精度。在流量Qmin～Qmax之间的范围内，得到尽可能高的测量精度，为此，需要确定燃气计量表组合选配准则。

以两只不同测量量程的燃气计量表组合为例。表A的测量范围为8～160 m3/h，表B的测量范围为50～1 000 m3/h，则可定义若干测量区间范围如图3所示。对燃气表进行选型时的原则分析如下：

(1)低精度区I：RI=RAmax×20%

(2)低精度区II：RII=RBmax×20%

(3)两只表的量程重叠区III：RIII=RBmin～RAmax

(4)低精度区II与RAmax之间的区域IV：RIV=RIImax～RAmax

(5)RAmin

(6)RBmax>Qmax

(7)RBmin

图3　组合燃气计量表测量精度区间

根据燃气计量表测量精度尽可能高的要求，制定燃气计量表优化组合选配规则如下：

RIV的区间范围越小越好；

RI的区间越小越好；

RII的区间越小越好；

RIII的区间须>0。

2　实验系统

宽量程组合燃气计量表系统的箱体内包括两只涡轮燃气表。一只型号为TBQZ-80A，量程范围8～160 m3/h；另一只型号为TBQZ-150B，量程范围50～1 000 m3/h。此外，还有两个CHQ系列电动阀门与流量表相连接。两只燃气表的标况流量、实况流量和当前温度都显示在TFC型体积修正仪上。

实验系统的结构如图4所示。组合燃气表系统的出口法兰采用圆管连接到喷嘴测量箱。圆管壁面上垂直管壁面开孔，将差压表p2的负腔引压管连接到开孔上，差压表p2的正腔引压管连接到大气环境中。故差压表p2所显示数值为组合燃气计量表系统的流动阻力大小。喷嘴测量箱分为进口部分和出口部分，这两部分之间安装喷嘴组。在喷嘴组前安装一个pt100温度探头；在喷嘴组前后安装差压表p1，测量喷嘴前后的压差值。根据喷嘴前后的压差值可以计算出通过喷嘴箱的气体流量。

喷嘴测量箱的出口用软管连接到阀门调节箱。在阀门调节箱上，从前端到后端一共对称安装了3对不同口径的阀门。可通过阀门的开度调节组合燃气表的进口气体流量。阀门调节箱的出口处安装了一个大口径手动阀门，调节该阀门开度可调节整个管路的引风量。在这个手动阀门的出口用软管连接引风机。

图4　实验系统结构示意

3　实验数据处理及分析

3.1数据处理方法

(1)风量计算公式为：

(vno初始值为收敛条件

式中：Cd——喷嘴流量系数；

ε——膨胀系数；

A——喷嘴面积，m2；

D——喷嘴直径，m；

Δpn——喷嘴前后静压差，Pa；

vn′——喷嘴进口处空气湿空气比容，m3/kg；

p——当前大气压，kPa；

Wn——喷嘴前空气含湿量，也就是空调出口含湿量，kg/kg；

vn——在标准大气压(取101 325 Pa)下的湿空气比体积，m3/kg；

Re——雷诺数；

ν——空气在喷嘴前温度下的动力粘性系数，m2/s；

α——喷嘴前后压力比。

(2)物性计算：

空气焓值计算公式：

式中：ha——空气焓值，kJ/kg；

ta——湿空气干球温度，℃；

W——湿空气含湿量，kg/kg；

湿空气含湿量的计算公式：

式中：W——干球温度ta下湿空气含湿量，kg/kg；

Ws——湿球温度tas下饱和湿空气含湿量，kg/kg；

ta——湿空气干球温度，℃；

tas——湿空气湿球温度，℃；

p——当时空气大气压力，Pa；

pvs——湿球温度对应饱和水蒸气压力，Pa。

(3)空气相对湿度计算公式：

W——湿空气含湿量，kg/kg；

pq——水蒸汽分压力，Pa；

pqv——ta温度下的湿空气饱和水蒸气压力，Pa；

p——大气压，初值为101 325 Pa。

3.2实验数据分析

3.2.1组合燃气表与喷嘴法的测量值对比

根据流量上行过程和下行过程，分别进行了实验。对组合燃气表头上所显示的气体标况流量(m3/h)，实际工况流量(m3/h)，气体温度(℃)进行了记录；同时，也对实验中差压表p1和p2所显示压力差值(Pa)，喷嘴组前气体温度值(℃)进行了记录。通过前面介绍的方法可计算得到喷嘴法的标准工况流量(m3/h)和实际工况流量(m3/h)。可计算表头标况流量与实验测得的标况流量的偏差(%)。

在整个宽量程燃气流量计量范围内，表头所计量的流量值与通过喷嘴法测量所得的流量值是非常接近的。在上行过程中，两者的平均偏差为0.88%；其最大偏差为3.88%，此时表头标况流量为26.46 m3/h，喷嘴法测量的标况流量为25.5 m3/h。在下行过程中，两者的平均偏差为0.99%；其最大偏差为6.50%，此时表头标况流量为18.44 m3/h，喷嘴法测量的标况流量为19.72 m3/h。图5和图6中标明了在两只流量表切换区间，表头所计量的流量值与通过喷嘴法测量所得的流量值的比较。

图5　上行程工况组合燃气表与喷嘴测量法标准流量对比

图6　下行程工况组合燃气表与喷嘴测量法标准流量对比

3.2.2燃气表切换区间计量系统表后压力和流量的变化特性

在两块燃气流量表切换区间，由于阀门切换，所述的计量系统的表后压力会出现一定的波动。设压差Δp2为环境大气压与p2之间的差值，即Δp2=patm−p2。在用户使用时，需要考虑这种压力波动对用气设备的影响。对上/下行程的切换区间压力和流量测量整理后，可得到图7～10的变化曲线。

图7　上行程燃气表切换区间压力变化曲线

图8　上行程燃气表切换区间流量变化曲线

可知，上行程燃气表切换区间，组合燃气表出口处的压力/流量特性分析如下：

(1)当流量达到切换上限设定值时(140 m3/h)，对应图7、图8中的第25 s，表B对应的阀门开启；此阀门开启后，流通截面积逐渐增大，流动阻力Δp2先上升后快速下降，此时流量Q上升，至图示第72 s时，流动阻力Δp2最小，流量Q最大；

(2)当表B对应的阀门开启到100%(全开)时，表A对应的阀门开始关闭。此时，流通截面积逐渐开始减小，流动阻力Δp2略有上升，流量Q稍有减小。

图9　下行程燃气表切换区间压力变化曲线

图10　下行程燃气表切换区间流量变化曲线

由图9、图10所示的压力/流量变化曲线可知，下行程燃气表切换区间，组合燃气表出口处的压力/流量特性分析如下：

(1)当流量达到切换下限值时(100 m3/h)，对应图8、图9中的第28 s，表A对应的阀门开启，由于表A的管道截面积相对表B的小很多，故流动阻力稍有下降，流量Q有所上升；

(2)当表A对应的阀门开启到100%(全开)时，表B对应的阀门开始关闭。此时，流动阻力Δp2上升较快，流量Q开始下降。

4　结语

(1)提出一种基于多个流量计组合的宽量程燃气计量方法。该方法能够在保证测量精度的同时，可以有效扩展燃气流量的测量范围；

(2)实验研究表明，本文所述的宽量程组合燃气计量系统与标准喷嘴箱测量数据吻合。对流量范围8～800 m3/h的工业用户，可通过两只不同量程范围的燃气计量表组合，能够满足负荷变化大的工商用户燃气计量宽量程且精度高的要求；

(3)在燃气计量表切换过程中有一定的燃气压力波动情况，其原因在于燃气计量表的切换原则是保证至少有一只燃气表的阀门处于“开”的状态；即要求必须先打开原关闭的那只阀门，待全开后，才能关闭另一只阀门。这样，在切换过程中，存在一小段两只阀门全开、两只燃气计量表同时工作的状态，致使整个燃气计量系统的流通阻力先减小，后增加。

Experimental Study on Measurement Method and Characteristic of Wide Range Combined Gas School of Mechanical Engineering Tongji University

Wang HaiYao ShengyuZhu TongWu Zhu

For reducing the transmission error of gas, this paper proposes a wide range gas flowmeter method basing on the multiple turbine meter combination and the gas meter switching measurement's principle, in order to meet the high accuracy in the whole range, at the same time, experimental study is carried out in the whole range of metrological characteristics. The results show that: through the reasonable instrument selection and switching interval parameter design, changeable control strategy can meet high precision measurement demands on the wide range flow meter gas meter, and the pressure fluctuation is small during gas meter switching.

gas, transmission error of gas, wide range flow meter, combination instrument