新型超声波燃气表在燃气运行管理方面的应用

2023-01-28刘新

仪器仪表用户 2023年2期

关键词：燃气公司燃气表后台

刘新

（辽宁思凯科技股份有限公司，辽宁丹东 118008）

0 引言

物联网技术初期应用于数据采集，燃气表将数据通过短距无线的方式上传至集中器，数据集中器将采集到燃气表数据通过公共网络传输到后台系统。随着物联网技术的高速发展，燃气表内部直接配有物联网通讯模组，燃气表本身具备数据远传功能。

普通的物联网技术应用于燃气表中，虽然使燃气表具有物联网功能，但存在功耗大，覆盖能力不强等缺点。NB-IoT物联网通讯技术[1]可以弥补普通物联网技术的缺陷，更适合应用于燃气表上，以实现低功耗、广覆盖的物联网功能。

超声波技术在燃气计量领域的应用已有几十年的历史，早期主要应用于工商业贸易结算领域。随着科学技术的发展，生产工艺的提高，居民用超声波燃气表技术获得较大突破。在2010年前后居民用超声波燃气表开始在国内进行试应用，随着国内各地检定规程及行业标准的出台，居民用超声波燃气表在国内的用户量得到迅猛发展。截止目前为止，国内超声波燃气表累计用户量已近百万。

新型物联网超声波燃气[2]表结合NB-IoT物联网技术及超声波计量技术这两大技术优势，充分满足了燃气公司在燃气运行管理方面对燃气使用安全性，用气数据的实时性、准确性等多方面要求。此外，该款超声波燃气表配备生产运维系统、费控服务系统及售后服务系统。依托于这3大系统，可有效地统筹规划并提升生产效率，记录表具在其生命周期内的运行情况，又可结合用户现场实际使用情况切换多种费控模式，既可保证产品的全生命周期的运维安全，又可提升售后服务质量，增强用户体验感。

1 NB-IoT物联网超声波燃气表

1.1 NB-IoT技术

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT），NB-IoT的带宽很窄只有180kHz，也就是说它占用频带的资源少，所以可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络（2G/3G/4G）上，充分利用现有已部署完成的资源，网络部署成本低。NB-IoT部署在现有的通信运营商（电信、移动、联通）的网络上，所以NB-IoT的通讯可靠性非常高。

NB-IoT技术覆盖广，在相同的频段下，比现有的网络高20dB，相当于网络覆盖面积扩大了100倍。低功耗、低待机电流、数据收发电流低，更适合于物联网燃气表的应用。

1.2 超声波燃气表

1）超声波燃气表的组成与原理

超声波燃气表主要由超声波换能器、气道、外壳、智能电子部分等组成，它是通过测得气道[3]内超声波在顺逆流条件下不同的飞行时间差，进而测量气体体积量值。计量原理如图1。

图1 超声波燃气表计量原理示意图Fig.1 Measuring principle diagram of ultrasonic gas meter

管道内的平均流速Vm与声道横截面面积的乘积可得到瞬时流量，瞬时流量与时间的积分可得到累计用气量。也可采用相似的方法获得声波的传输速度：

2）超声波燃气表的特点

超声波燃气表基于其工作原理[4]，决定了其全电子结构的特点，内部无机械传动部分，气体计量时无机械噪音，不受机械磨损及故障影响，内部无磁感元件，计量不易受磁场影响，与传统膜式机械表相比无论在体积、精度、重复性还是在寿命上都有着无可比拟的优势。该表具的结构简单、可靠性高，主要计量部件为气道、超声波换能器，装配工艺更简单。该表具体积小，为传统表具体积的1/2，此特性使它更适应于狭小空间等苛刻环境下的安装。

超声波燃气表计量精度高、量程宽，居民用超声波燃气表具有较宽的量程比（1:375），居民用超声波燃气表在流量范围0.016m3/h～6m3/h内，计量精度均能达到±1%内。超声波燃气表在分界流量点以上，计量稳定性更优异，误差间波动值小于0.6%。超声波燃气表计量灵敏度高，超声波燃气表独特的计量方式能够检测到细微的气体流量。

超声波燃气表耐久性强、无机械损耗，由于采用时差法进行计量测量精度除时差外，内部无机械运动部件，只与气道的机械尺寸相关。超声波燃气表组装成整表后，内部用于计量的气道的机械尺寸不变，所以整表无磨损精度，不随时间发生变化。超声波燃气表抗干扰能力强，超声波燃气表采用电子式数字式计量方式，内部无磁感元件，不受磁场干扰，抗干扰能力强。

3）超声波燃气表的功能

超声波燃气表配有计量模块、阀门控制模块、数据存储模块、无线通讯模块等，用以实现异常流量切断阀门防倒流、防私自拆卸、数据存储、远程控制、智能报警等功能。

异常流量切断阀门功能，超声波燃气表采用电子式速度式，具有数据采样周期短的计量特性。当异常流量发生时，该表具判断异常的响应时间短、准确性高，可切断表内阀门，及时避免突发胶管脱管、胶管断裂或老化，及长时间的非正常流量使用等原因而导致的燃气泄漏引发的事故。各个异常流量参数可以根据燃气公司规定或者用户用气习惯进行个性化设置，避免因燃气用户的用气环境差别，使用同一组参数而误判断切断关阀的情况发生。

防倒流功能。由于超声波燃气表采用时差法计量，利用超声波在流动气体中顺流传播和逆流传播时间的倒数差与流体流速成正比的原理来判断表具在安装及使用过程中是否存在反向安装及倒流的现象，进而切断关阀。

防私自拆卸功能。根据声波在不同介质中的传播速度不同的特性，超声波燃气表可识别表内气体介质的变化，进而判断出表具从管道上被拆卸动作。该燃气表自身具有拆盖检测功能，当超声波燃气表控制器壳体被拆开后，表具自动切断阀门，并记录异常事件。

无线通讯功能。每天定时或通过表端按键将超声波燃气表数据（批量计量数据压缩[5]上报）、表具状态等参数上传至后台服务器，后台系统可以根据上报的数据分析用户用气状态，后台管理系统也可以远程读取表内历史数据及异常记录数据等。

智能报警功能。超声波燃气表根据表内实时运行状态及数据分析出用户用气情况，当用户发生异常流量切断阀门或私拆表动作时，超声波燃气表立即连接公共网络，将报警信息主动上报至后台管理系统，后台管理系统将报警信息同步转发燃气公司、燃气用户及小区物业用以提示燃气使用异常及时处理，形成表具、燃气公司、燃气用户、小区物业的联动，可有效缩短安全事故的响应时间或避免安全事故的发生。除此之外，超声波燃气表将表内异常上报给后台管理系统，后台管理系统将异常信息通知给表具维修人员及时上门排查处理。

远程控制功能。超声波燃气表通过内部的阀门控制模块及无线通讯模块，实现远程控制阀门操作。超声波燃气表通过主动上报或者报警上报将数据上传至后台管理系统，后台管理系统对表内运行状态、用户用气数据进行分析，根据燃气公司要求对阀门进行远程关阀操作。

数据记录存储功能。超声波燃气表内部具有大容量、高可靠性的数据存储模块，数据存储模块可以对超声波燃气表所有过程数据、状态数据、设置参数、异常记录等数据进行存储。

温压补偿功能。众所周知气体的体积受温度、压力等因素影响，依据理想气体状态方程推算出当温度每变化1℃，气体的工况体积会有0.3%左右的变化。当压力每变化1kPa，气体体积会有1%左右的变化。超声波燃气表内部可配有高精度温度、压力传感器，通过硬件电路与软件程序处理使超声波燃气表具有气体体积温压补偿功能。

2 NB-IoT物联网超声波燃气表在燃气运行管理的应用

近年来随着城市燃气用气量需求大量增加，燃气行业取得了巨大的发展，给燃气用户带来使用清洁、方便能源，保证燃气用户用气的安全同时，随着燃气用户数量的急剧增加，使燃气公司用于用气数据抄收、燃气表安检、维护等工作带来人工成本、管理成本居高不下，燃气价格也根据不同情况带来燃气价格波动。阶梯气价的实施使得传统的管理模式不再适用，也给燃气公司的运营管理带来了新的困难及挑战。新型NB-IoT超声波燃气表可以帮助燃气公司很好地解决燃气运营管理上的问题。

2.1 燃气运行管理的难点

1）抄表难、调价难、收费难

居民用户数量的大量增加及居民安全意识的提高，采用传统燃气表使得燃气公司抄表人员面临入户难、抄表难的问题。随着国家相关政策的出台，要求燃气价格需要支持阶梯气价并进行合理的收费，气价波动而调价等一系列情况，给燃气公司带来运行成本居高不下的问题。

2）用气数据统计的实时性、准确性差

燃气市场的快速发展使燃气用户用气数据的统计能力滞后于燃气用户的增长速度，在一个统计周期内很难保证用气数据统计的实时性与准确性，给燃气公司的日常运营及燃气管网的调控造成一定的困难。

3）用气安全监测与隐患排查难

近年来居民对燃气的用途也从单一的居家做饭、烧水等，逐渐往沐浴、取暖等多元化用气形式发展。燃气给人们的生活带来方便的同时，由于燃气的易燃、易爆、易中毒等特性，也带来用气安全的问题。燃气使用中由燃气的泄漏引发的中毒、爆炸事故屡有发生，燃气安全隐患主要来自用户缺乏必要的燃气安全使用常识及使用不当造成的。燃气公司对于燃气用户用气安全监测及隐患排查存在一定的难度，也给燃气运行管理带来很大的问题。

4）供销差控制难

居民燃气用户数量的增加及非居民用户（工商业）燃气需求量快速增长。例如，居民燃气表无稳压补偿措施、非居民用户（工商业用户）的表具选型不当、抄表率低、偷盗气行为不能及时地监控及制止等原因带来燃气供销差大，从而给燃气公司带来一定程度的经济损失。

2.2 NB-IoT物联网超声波燃气表在燃气运行管理方面的应用

依据NB-IoT物联网超声波燃气表其功能特点及技术优势，可以更好应用于现代燃气运行管理上，更好地解决燃气公司抄表难、收费难，用气数据实时性、准确性差，用气安全检测难，供销差难以控制等问题。

1）用气数据统计的实时性、准确性

每天可将表内用气数据、电量、阀门状态、表具运行状态、异常信息等数据通过NB-IoT物联网模块接入到NB-IoT网络，并将数据上传至后台管理系统，后台管理系统对表具上报的数据进行分析。NB-IoT物联网超声波燃气表每日数据抄收成功率不低于98%，实现全自动抄表可以很好地解决传统表具抄表入户难，数据实时性差、数据不准确等问题，减少燃气公司用于抄表的人工成本、管理成本。

该燃气表可与后台管理系统配合读取、查询表内存储的日用气量数据、月用气量数据、年用气量数据甚至可以读取小时用气量数据，分析用户用气习惯，实现大数据、信息化建设。

2）保障用气安全，提高用气安全性

NB-IoT物联网超声波燃气表计量采样周期通常为2s，即可以检测到燃气的瞬时流量，以G4型号的超声波燃气表2s就可以测量出0.04m3～6m3/h任意一点瞬时流量，而同样型号为G4传统膜式燃气表测量出6m3/h的流量时最少需要6s，测量0.04m3/h的流量则至少需要900s而且容积式燃气表在小流量测量时需要连续多个脉冲信号才能准确地判断出小流量。当燃气发生泄漏时，超声波燃气表无论从异常流量响应速度还是从异常流量判断的准确性上都要优于膜式燃气表。该款燃气表能够快速、准确地判断异常流量的发生并及时切断阀门，同时启动异常流量报警功能，将异常信息上传至管理平台，管理平台将异常流量信息立即推送给燃气公司、小区物业、燃气用户，能更好地保障用户用气的安全，提高用气的安全性。

NB-IoT物联网超声波燃气表已在国内很多地区大量使用，表具启动异常流量切断功能，在燃气用户使用过程中，异常流量报警的排查发现多数是由于异常小流量而引起的自动切断阀门并报警，而触发异常小流量大部分原因是由于居民用户室内管道老化、灶具胶管老化导致存在微小泄漏点。

3）智能报警、远程监控[6]、远程充值

NB-IoT物联网超声波燃气表具有异常流量检测、拆表检测、倒流检测并实时报警功能。

从使用过程中，NB-IoT物联网超声波燃气表成功地判断用户私自拆表的现象，其中部分是因用户装修改造燃气管道造成，燃气公司对其改造进行监控检测，检查表具重新安装后的密封性，排查安全隐患。各别用户确实存在偷盗气行为，燃气公司采取一定的措置，有效地降低用户偷盗气给燃气公司带来的经济损失。

随着社会的发展、物联网信息化时代的到来，居民的消费方式从现金支付、柜台支付转变为微信、支付宝、网上银行等现代化、便捷化的支付，而传统的表具一般分为后付费方式及表端IC卡预付费方式，不能满足社会的发展，而现在可以通过微信、支付宝、手机APP的多种渠道对NB-IoT物联网超声波燃气表进行充值实现预付费、后付费的管理模式，通过表具上传的用气数据，后台管理系统根据用气量、燃气单价、剩余金额可生成用气账单，对用气量不足或者欠费的用户进行提醒或者进行远程关阀等操作，杜绝用户拖欠、拒缴等恶意行为。

4）有效地控制燃气供销差

NB-IoT物联网超声波燃气表可实时监测用户的瞬时用量信息并定时存储相关运行数据，可实现对表具运行状态的有效监控，一定程度上杜绝“小马拉大车”“大马拉小车”，表具选型不当引起的计量不准确，可为表具选型提供足够的数据依据支撑，减小因表具选型不当带来的对燃气供销差的影响。

目前，随着各地“煤改气”政策的出台实施，很多燃气表安装在户外。户外温度受季节、天气的影响很大，使气体体积的变化大，居民用户对燃气的需求由单一变成多元化，使居民用户对燃气的需求量变大。NB-IoT物联网超声波燃气表的温度压力补偿功能可以弥补气体体积随温度压力变化带来计量的影响，从目前使用的NB-IoT物联网超声波燃气表在不改变用户用气习惯的条件下，通过后台管理平台[7]分析的数据得出NB-IoT物联网超声波燃气表相比于普通物联网燃气表从燃气计量数据上多出2%～3%，减少气体由于温度压力的变化带来的供销差的影响。表具全生命周期维护系统架构图如图2。