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城镇工商业天然气贸易计量流量计的选型建议


城镇工商业天然气贸易计量流量计的选型建议 ,天然气的计量按用途分为气田计量、输气干线贸易计量、城市门站和城市天然气用户贸易计量等部分。2002年至2004年北京市公用事业科研所通过对北京市天然气用户在用的贸易计量流量计进行抽样检测,分析数据,提出有关城市天然气贸易计量流量计的选型建议。

    城市天然气用户计量所使用的流量计是多种多样的,主要有涡轮、旋进漩涡、腰轮、膜式(包括商用和民用)。燃气用户多种多样,既有工业企业用户,又有城市公用事业用户、商业用户,还有居民用户,它是一个复杂的用户群,使用情况各不相同。贸易计量是天然气供需双方结算的凭证,因此,面对如此众多品种的流量计,如何选择合适的流量计,如何安装和维护管理流量计,对供需双方都很重要。

               

    2 常用各类天然气流量计的选型依据
    2.1 城市天然气用户流量计选型需要考虑的因素
    由于流量计的种类多、且性能各不相同,安装现场各不相同,因此,选型时必须同时考虑各种因素,具体如下:
    首先,了解各类流量计的计量特点,包括其原理、精度、范围度、压力损失、是否具备温度压力修正、所配套的智能积算仪的功能等;其次,明确工况,包括环境的温湿度、周围设备的噪声、电磁干扰情况、安装空间以及天然气介质的压力、温度、清洁度、组分等;同时还得考虑经济因素。
    2.2 选型步骤
    要想选型合适,必须了解流量计性能质量和被测量介质工况,即熟悉各类常用流量计的特性和适用范围,并掌握被计量燃气设备的有关参数及工况条件。图1为选型步骤。
    2.3 流量计类型的选择
    表1列出了各类流量计有关特性对比表,流量计选型可供参考。选型必须同时考虑到多种因素,并且还得分清主次,综合分析,才能找到合适的流量计类型。
    3 流量计规格的选择
    3.1 几种流量计典型特性曲线
    所谓误差特性,就是流量计的误差值与流量测量值之间的关系。讨论误差特性,就是讨论和研究测量误差值随流量测量值变化而变化的趋势。
    3.2 涡轮流量计规格的选择
    3.2.1 流量范围上限
    该种流量计一般使用在锅炉房,锅炉最大流量选在流量计进入精度的最大流量(Qmax)的0.6倍~0.8倍之间,因为锅炉一般有大小火之分,小火一般为大火的三分之一到二分之一之间(最低到十分之一),如果锅炉最大耗气量为涡轮流量计Qmax的0.6倍,那么锅炉最小耗气量就在Qmax的0.2倍~O.3倍之间,正好避开了特性曲线的拐点;从另一方面来说,锅炉最大耗气量选在涡轮流量计Qmax的O.8倍左右,在设备启动或管路流量、压力发生脉动时,可避免超量程使用,从而延长流量计的使用寿命。因此,根据涡轮流量计的特性曲线,用气设备的常用流量段最好处于0.3Qmax~O.8Qmax之间。
    3.2.2流量范围下限
    选型时要满足涡轮流量计进入精度的最小流量(Qmin)小于设备最小用气量,这样才能保证小流量的计量精度。
    在涡轮流量计的设计选型中,要兼顾用气设备的最大(额定)流量与进入精度的最大流量(Qmax)之间的匹配和最小用气量与流量计进入精度的最小流量(Qmin)之间的匹配,即确保计量结果稳定可靠,需满足以下条件:设备额定流/Qmax=0.6~0.8;Qmin≤设备最小流量。
    3.3 旋进旋涡流量计规格的选择
    旋进旋涡流量计选择规格时参照的原则与涡轮流量计相似,但由于其流量计实际进入精度的最小流量通常较大,因此满足下限要求尤为重要。另外由于其压力损失与涡轮等其它流量计相比很大,因此建议将其使用在供气压力高于8kPa的工况下。厂家的产品说明书上有详细的不同口径、不同流量、不同工况下有关其压力损失的图表和计算公式,设计中要保证供气压力减去压力损失应大于燃气设备的使用压力,否则燃气设备将无法正常工作。
表1 各类流量计有关特性对比表
  旋进旋涡 涡轮 腰轮(国产) 腰轮(进口) 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 压力损失 较大 一般 一般 一般 小 小 D80,200m3/h 约2000Pa 约300Pa 约300Pa 约240Pa <400Pa <200Pa 小流量精度 低 一般 一般 高 高 高 可测量大流量
(m3) 3600 25000 1000 1000 1000 10 介质最大压力
(MPa) 4MPa 10MPa 1.2MPa 1.2MPa 0.05MPa 0.05MPa 介质温度 -20℃~+80℃ -10℃~+60℃ -40℃~+60℃ -40℃~+60℃ -20℃~+50℃ -20℃~+50℃ 环境温度 -30℃~+50℃ -20℃~+70℃ -30℃~+50℃ -30℃~+50℃ -10℃~+40℃ -10℃~+40℃ 检定周期(年)
(优于0.5级) 1 1 0.5 0.5    
检定周期(年)
(低于0.5级)
2 2 0.5 0.5 10 10 使用寿命 长 长 长 长 10 10 重量 中 中 重 重 重 轻 含杂质 不行 不行 不行 不行 不行 不行 是否需要
过滤器 需要 需要 需要 需要 需要 需要 故障率 一般 低 高 一般 低 低 结垢影响 大 大 大 大 大 大 粘附影响 大 大 大 大 大 大 测量原理 速度 速度 容积 容积 容积 容积 补偿方式 温度、压力 温度、压力、压缩系数 温度、压力 温度、压力 无 无 瞬时显示 智能型 智能型 智能型 智能型 无 无 安装方法 任意 口径200mm及以下 水平
/垂直安装; 大于则只
能水平 安装 垂直或水平 垂直或水平 水平 水平 流量计前
后直管段 需要 需要 不需要 不需要 不需要 不需要 价格 中 中 中 高 低 低
    为了解决旋进旋涡易受干扰的问题,通常厂家会把流量计的灵敏系数设置得较低,这是以牺牲小流量精度为代价的,其结果是不仅使小流量精度降低,而且经常是小流量根本不计量。因此,选用该表必须确定燃气设备的最小使用流量大于旋进旋涡流量计实际进入精度的最小流量。
    3.4 腰轮流量计规格的选择
    根据腰轮流量计的特性曲线,用气设备常用流量段应该使用在0.2Qmax~0.8Qmax之间。
    腰轮流量计一般使用在食堂或小型锅炉房,如前所述的原因,一般希望锅炉的最大流量选在流量计进入精度的最大流量Qmax的0.6倍~0.8倍之间,这样既能保证用气设备大流量时运行稳定,也能保证小流量时运行稳定。
    如果用户是锅炉房,按0.6Qmax~0.8Qmax选型是可以的,如果用在食堂里,则需要进行一些分析:
    从表3中可以知道食堂中两种灶具的耗气流量点,食堂中还有其它各种灶具,选型时应仔细核算灶具的使用工况,大小流量点兼顾,如一个流量计不行,如有必要建议大小灶具用不同规格的流量计分别计量。
表3 食堂灶具耗气流量点及流量计规格选型要求
工作情况 实际流量Q(m3/h) Q/Qmax 仅使用1个低汤灶 2.35 2.35/Qmax 仅使用1个双眼灶、1台蒸箱、一台低汤灶 15.29 15.29/Qmax 所有灶具满负荷 Q ≤0.8
    因此,在今后腰轮表的设计选型中,要仔细核算用气设备的最大、最小流量,确保计量精度的稳定可靠,额定流量/Qmax=0.6~0.8。
    下限要求应满足:Qmin≤设备最小流量。
    3.5 膜式流量计规格的选择
    3.5.1商用膜式表
    流量计在设计选型时应该考虑其在实际使用中的常用流量点情况,保证流量计运行稳定,计量准确。本课题中通过对流量计及其使用现场情况的调查研究,分析流量计选型是否合理。
    目前使用较多的商用膜式煤气表主要是JMB-100、JMB-40和JMB-25 3种规格,流量的对比情况如表4所示。
表4 食堂灶具耗气流量点及膜式表规格选型要求
工作情况 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) 实际流量Q m3/h Q/Qmax 实际流量Q m3/h Q/Qmax 实际流量Q m3/h Q/Qmax 仅使用低汤灶 2.35 0.015 2.35 0.036 2.35 0.059 仅使用一台双眼灶、
一台蒸箱、一台低汤灶 15.29 0.096 15.29
    从表4所列情况进行分析,一般厨房最小流量是低汤灶工作,此时计量误差是偏负的;到营业时间开始使用一台双眼灶、一台蒸箱、一台低汤灶,流量点均在0.1Qmax以上,示值误差相对稳定;到营业高峰时间灶具满负荷使用,流量点落在大流量段,示值误差相对稳定。因此选用流量计时应仔细核对工作流量情况,选择合适的规格,如果最大、最小流量相差较大,可考虑使用两台不同规格的膜式表对不同流量段的燃气设备分别计量。
    3.5.2 民用膜式表
    对于民用户来讲,大部分用气设备为:一台双眼民用灶、一台热水器(或壁挂炉),目前使用较多的民用膜式煤气表主要是JMB-3、G4两种规格,JMB-3膜式表实际就是G2.5膜式表。G2.5、G4表的流量对比情况如表5所示。
    从表5中所列情况进行分析,一般厨房最小流量是小火保温情况,此时计量误差大多是偏负的;经常使用的是一个火眼或两个火眼,G2.5表的流量点均在0.1Qmax以上,示值误差相对稳定;G4表的流量点分布在0.1Qmax前后。如果灶具与热水器同时使用,G2.5的流量点落在0.8Qmax左右;G4的流量点落在0.5Qmax左右。由此可见普通居民用户选用G2.5膜式表比较合理。
表5 居民用气设备使用情况
工作情况 G2.5(Qmax=4m3/h)
(Qmin=0.025m3/h) G4(Qmax=6m3/h)
(Qmin=0.04m3/h) 实际流量Q m3/h Q/Qmax 实际流量Q m3/h Q/Qmax 小火保温 0.09
0.09 0.015 双眼灶单眼工作 0.41 0.103 0.41 0.069 双眼灶双眼工作 0.82 0.205 0.82 0.137 双眼灶+热水器 3.18 0.795 3.18 0.530
    因此,在今后民用表的设计选型时,应根据用户具体设备情况,如果是普通居民住宅,选用G2.5膜式表比较合适;如果是高档住宅区,需考虑灶具和其他用气设备的运行情况,进行合理选择。
    4.1 流量计选型建议
    4.1.1不同用户建议使用流量计的类型如表6所示。
表6 各类用途选型参考表
种类 建议使用表型 采暖 涡轮流量计 制冷 涡轮流量计 供热厂 涡轮流量计 工业 涡轮流量计、腰轮流量计、
商用膜式流量计(视具体情况而定) 商用(公福) 腰轮流量计、商用模式流量计 家庭 民用模式表
    4.1.2同一流量计不同使用情况下流量计规格的选型原则
    通过分析知道各类城市天然气流量计的选型存在一个共同的问题:小流量段使用不当。流量计在选型阶段往往考虑的是设备最大流量不超出流量计的上限流量,而对于用气设备各个流量段的使用概率及其误差区域未加考虑,这样导致流量计使用中均未超出其流量上限,但是小流量段或常用流量段误差偏大。
    今后的流量计选型应仔细了解用气设备各流量点与流量计的匹配程度,选择合适的流量计、合适的规格,保证使用流量点均落在误差稳定区域。涡轮、旋涡、腰轮使用在锅炉用户时最大流量点选在0.6Qmax~0.8Qmax;普通居民用户(双眼灶加热水器)使用的膜式表选用G2.5膜式表比较合适;对于燃气设备较多、且耗气量差异很大的商业公福用户,应仔细核算使用流量与流量计量程,当一台流量计无法兼顾大小流量时,可采用分路计量供气。
    4.2 对现有流量计的建议
    4.2.1 温度、压力修正
    贸易结算是用标准参比条件下(压力为101325Pa,温度为293.15K,即20℃)的体积值。目前北京燃气集团使用的膜式表、部分腰轮表、少数涡轮表是机械表,没有进行温压修正。
    不进行压力修正所造成的偏差肯定为负,且实际工况压力越大造成的偏差也越大,燃气集团亏损越大。不进行温度修正,当环境温度高于20℃时,所造成的偏差为正;当环境温度低于20℃时,所造成的偏差为负,冬季采暖锅炉所用流量计所测天然气介质的温度通常均低于20℃,这时不进行温度修正所造成的偏差为负。因此,进行温度压力修正对于维护燃气公司利益十分重要。
    对于安装了温压传感器的智能涡轮表、旋涡表、腰轮表,虽然使用中进行实时修正,但是也存在问题:检定规程只是规定出温压传感器的配置精度,并未要求进行检定,实际上也没有进行检定,因此智能表温压传感器的计量精度是不知道的。建议对智能流量计使用的温压传感器进行明确的检定,从而在流量计的使用温度、压力变化范围内,温度、压力传感器的测量值准确,以保证流量计的整体计量精度。
    4.2.2信号远传
    通过调查我们知道大部分流量计具有信号远传的功能,但都未使用。用于锅炉房的计量流量计主要是涡轮流量计和旋涡流量计,如果燃气集团利用流量计的信号远传功能,就可以通过流量计随时了解锅炉的用气情况,记录流量计的工作状况,及时发现问题,避免发生漏计的故障情况。另外每个锅炉房经过一段时间的运行,也可摸清其运行规律,如有异常,可及时发现问题,保证燃气系统安全、高效益地运行。
    4.2.3提高加工质量
    目前,国内流量计质量与国外同类产品相比,差距还是比较大的,主要原因是国内的产品机械加工水平较低,材料质量也不如人家,使得原理相同、结构相似,但性能差别较大,而高质量的进口流量计其价格又较贵,因此迫切需要提高国产流量计质量。
    4.2.4天然气的能量计量
    天然气是一种混合气体,它含有甲烷、乙烷、丙烷等烃类组分和氮、二氧化碳、一氧化碳等非烃类组分,各组分含量并不相同,不同地区产的天然气组分含量可能有所不同。作为燃料天然气的商品价值是其所含的发热量,即天然气销售使用的实质是天然气的能量,而不是体积。当天然气作为燃料时,能量计量显然比体积计量(或质量计量)更科学、更公平。
    传统的天然气发热量的计量方法:
    (1)直接法:热量计;
    (2)间接法:气相色谱仪。通过组分分析计算天然气的热值和相对密度。
    国外新型天然气发热量的计量方法有超声法和红外热传法两种。其特点是用不同于气相色谱的分析法,测出燃气中烃类的碳原子、CO2和N2各自的组分含量,并依据烃类中碳原子与声速、气体的摩尔质量、发热值之间的线性关系,算出发热值。方法简单,设备投资低,运行费用也低。具体产品如下:
    一种是instromet international的产品:ENSONIC——超声能量计,采用超声法;另一种是RuhrgasAG Essen的产品:gas-lab Q1——红外热传燃气质量测定仪采用红外热传法。
    目前在国外,能量计量也是处于理论研究阶段,尚未实现贸易计量上的实际应用。为了今后在我国逐步实行按能量进行贸易交接,还需在法规上、计量体系上、标准上、配套设备上等方面做许多相关的准备工作。
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