李东伟
中交煤气热力研究设计院有限公司新疆分公司 身份证号码：65222219891110****
摘 要:在城镇燃气的输配系统中，燃气计量是系统正确调度的基础，又是供需双方经济核算的依据，因此，不仅要从技术上精心设计，而且在管理上还要完善制度。在选择燃气流量计时成本和效益往往会有影响，燃气流量计的优劣又对相关企业的经济效益有直接的影响。
关键词：城镇燃气；计量；流量计；
引 言:
气体具有压缩性和自由扩张的特性，密度也会随之变化，因此在流量测量的领域气体测量要比液体测量困难的多。在考虑满足测量精度和误差的前提下，不仅要确定最佳的测量方法，而且还要正确的选对类型、能和特性相匹配的检测仪表。为此，应从以下几个方面进行考虑：
1.仪表性能方面：准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等；
2.流体特性方面： 温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容，等熵指数；
3.安装条件方面： 管道布置方向，流动方向，检测件上下游侧直管段长度、管道口径，维修空间、电源、接地、辅助设备(过滤器、消气器)、安装等；
4.环境条件方面：环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等；
5.经济因素方面： 仪表购置费、安装费、运行费、校验费、维修费、仪表使用寿命、备品备件等。
目前，常用于调压设施和用户的计量装置类型有：压差式孔板流量计，涡轮流量计，超声波流量计，腰轮（罗茨）流量计和隔膜式流量计等。燃气计量装置的设置及其要求应遵守现行国标《城镇燃气设计规范》GB 50028 的相关规定。下面将依次介绍各种类型的流量计，并总结和归纳各自的优缺点，结合日常设计进行归纳总结。
1差压式孔板流量计
1.1.孔板流量计
孔板流量计又称为差压式流量计，是由一次检测件（节流件）和二次装置（差压变送器和流量显示仪）组成，广泛应用于气体、蒸汽和液体的流量测量。
差压式孔板流量计的工作原理：充满管道的流体流经管道内的节流装置，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力差。孔板流量计由标准孔板节流装置，导压管、差压计、压力计和温度计组成。
1.2.优缺点
其优点是：（1）应用最多的如孔板流量计，结构牢固，性能稳定可靠；（2）应用范围广泛，至今仍是使用最多的一类流量计；（3）检测件、变送器和显示仪表可由不同厂家生产，便于规模生产。其缺点是：（1）测量准确度不稳定，受安装和流体冲击影响（如孔板、喷嘴流量计）容易产生磨损，进而影响测量数据准确性；（2）范围度窄，一般为3∶1~4∶1；（3）现场安装条件要求高，安装不准确会对测量准确度产生较大影响；（4）产生压损大。
2涡轮流量计
2.1.涡轮流量计
涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类,当被测流体流过涡轮流量计传感器时，在流体的作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量，根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，即电脉冲信号，此电脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。气体涡轮流量计采用涡轮进行测量。它先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其输出信号为频率，易于数字化。
涡轮流量计的工作原理：流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为：Q=3600×f/k式中：
f——脉冲频率[Hz]；
k——传感器的仪表系数[1/m]，由校验单给出。若以[1/L]为单位Q=3.6×f/k
Q——流体的瞬时流量（工作状态下）[m3/h]；
3600——换算系数。
每台传感器的仪表系数由制造厂填写在检定证书中，k值设入配套的显示仪表中，便可显示出瞬时流量和累积总量。
2.2优缺点
其优点是：1、气体涡轮流量计精度高，压力损失小，始动流量低，对温度压力和流量进行自动补偿，电池供电，可输出多种信号，寿命长，安装维修方便。。2、气体涡轮流量计是一种测量封闭管道中气体介质流量的速度式仪表。适用于燃气及其他工业领域中的气体量精确测量。由于其体积小、精度高、重复性好。3、气体涡轮流量计是集流量、温度、压力检测功能于一体，并能进行温度、压力、压缩因子自动补偿的新一代流量计，是石油、化工、电力、冶金、工业锅炉等工业行业的燃气计量和城市天然气、燃气调压站及燃气贸易计量的理想仪表。它具有压力损失小、准确度高、始动流量低、抗振与抗脉动流性能好、量程比宽等特点。
其缺点是： 1、要长期保持校准特性，需要定期校验。介质中含有的悬浮物或腐蚀性成份，会造成轴承磨损及卡住等问题，会改变其精度并限制其适用范围，2、定期加油以保证轴承的充分润滑，以保证计量精度和延长使用寿命。3、介质的物理特性（如密度、粘度等）对涡轮流量计的特性有较大影响。4、涡轮流量计受流场分布影响较大，因此对入口无整流器的流量计应按要求对传感器的上下游侧设置直管段，对入口设计有整流器的流量计也应按使用说明的要求设置直管段长度。5、不适合于存在较强脉动流的场合使用，也不适于混相流的测量。6、对被测介质的清洁度要求较高，需按要求安装过滤器，但这也带来压损的增大。7、小口径的涡轮流量计的流量特性受物性影响严重，故小口径涡轮流量计性能难以提高。8、不允许使用在存在快速开关的场合。
3超声波流量计
3.1超声波流量计
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。
根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
3.2优缺点
其优点是：1、超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。2、能实现双向流束的测量（-30~+30m/s）过程参数（如压力、温度）不影响测量结果。3、无接触测量系统，流量计量过程无压力损失。4、可精确测量脉动流。5、重复性好速度误差≤5mm/s。6、量程比很宽，Qmin/Qmax=1/40~1/160。7、可不考虑整流，只在上游100mm、下游50mm余留安装间隙就可。8、传感器可实现不停气换气更换，操作维修方便。
其缺点是：1、超声波流量计的温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体。2、 抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。3、 直管段要求严格，为前20D,后5D。否则离散性差，测量精度低。4、 安装的不确定性，会给流量测量带来较大误差。5、 测量管道因结垢，会严重影响测量准确度，带来显著的测量误差，甚至在严重时仪表无流量显示。6、 可靠性、精度等级不高（一般为1.5～2.5级左右），重复性差。7、 使用寿命短（一般精度只能保证一年）。
4容积式流量计
4.1腰轮（罗茨）流量计
腰轮流量计是用于对管道中流量进行连续或间歇测量的高精度计量仪表。腰轮流量计主要用于各种行业工业管道中大口径气体、液体、蒸汽介质流体的流量测量。腰轮流量计特点是压力损失小，量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定工作。插入式腰轮流量计采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想腰轮流量计的流量仪表。
腰轮流量计的工作原理：当气流进入流量计时，首先通过特殊结构的前导流体加速。在流体的作用下，由于涡轮叶片与流体流向成一定角度，此时涡轮产生转动力矩，在涡轮克服阻力矩和摩擦力矩后开始转动。当诸力矩达到平衡，转速恒定，涡轮转动角速度与流量成线性关系。利用电磁感应原理，通过旋转的涡轮驱动信号发生器顶端导磁体周期性地改变磁阻，使磁场也发生相应变化，从而在线圈两端感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号。该信号经前置放大器放大，整形后与压力传感器、温度传感器检测到的压力、温度信号同时输入到流量积算仪进行计算处理，直接显示出标准的瞬时流量和总量。
4.2优缺点
其优点是：1、应用最多的流量计，结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;?2、应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟;?3、检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。?其缺点是：1、测量精度普遍偏低;?2、范围度窄,一般仅3:1~4:1;?3、现场安装条件要求高;?4、压损大(指孔板、喷嘴等)。
4.3膜式燃气表
膜式燃气表普遍使用于工商居民用户小流量范围低压燃气的计量。目前市场上燃气表主流有两种，一种为传统式的机械式膜式燃气表；另一种为预付费膜式燃气表。机械式膜式燃气表计量通过机械滚轮实现，机械滚轮根据使用的气量进行加操作，每使用一个单位量，滚轮计数加一，最终实现气量计量记录。机械式燃气表优点在于计量可靠，质量稳定，缺点在于抄表麻烦，都得人工上门抄表，燃气公司需得投入很多财力人力。预付费膜式燃气表是在传统机械式基础上进行改进得来的，在原来基础上增加电子计量方式、预付费及显示功能，可以显示当前燃气表的工作状态等。实现先买气后用气的预付费方式，大大降低燃气公司及人工成本。
4.4物联网智能燃气表
物联网燃气表是一款基于移动运营商物联网专网，采用物联网移动通讯模块，以膜式表为基表，加装远传电子控制器，实现数据远传及控制的燃气计量器具有综合管理平台。该产品利用无线网与数据管理中心实现通讯，无需中间抄表设备即可实现网络抄表、远程控制阀门、远程调价、网络缴费、故障检测等功能，同时具有阶梯气价以及切断型膜式燃气表的功能，可检测燃气表使用状态，异常情况下断燃气和报警，防止一些安全事故的发生。
4.5优缺点
其优点是：1、能够实现阶梯计价模式，灵活调节不同时间段内的计价方式和价格;在电表的使用中，峰谷时段计价方式区分的阶梯式计价模式早已普及，但在燃气表领域，直至物联网智能燃气表的出现，才使得阶梯计价模式的大规模应用。促使阶梯计价调整变得更加方便快捷。燃气公司在调整阶梯价格时，也可通过远程操作的模式完成。2、能进行实时监控，智能抄表;通过智能化系统，智能燃气表能自动完成抄表、收费、报表生成等业务，降低燃气公司的运营成本投入，提高智能化管理水平。同时，用户可以足不出户的利用燃气表APP及微信等进行在线充值、查询、管理功能。3、远程报警切断功能;物联网智能燃气表能够与燃气泄漏报警器进行联动，保证燃气用气安全，并将报警信息及时的发送到数据服务中心，数据服务中心通过短信平台及时提醒用户，拥有多种报警功能：表端异常实时报警，如流量过载、低流量微漏检测报警、阀门直通、电量不足、强磁、报警器报警关阀等。支持多种报警方式：多种报警方式：表具声音（蜂鸣器）及液晶显示报警提示，用户手机短信报警功能等。4、物联网燃气表实现大数据分析功能;一方面，物联网智能燃气表能够及时准确的提供燃气表的相关数据，为供销差统计分析提供数据基础；另一方面，物联网智能燃气表能按照不同的筛选条件（地区、时间段、用气类型等），获取相应的用气数据报表。通过大数据处理，燃气公司可轻易实现各种数据的对比，以及数据的深度挖掘。采集到的所有原始数据以及根据原始数据制作而成的数据报表以及数据分析，不仅能供燃气公司内部作为分析材料使用，同时也能将这些数据卖给第三方从中获得利润。其缺点是：1、物联网燃气表较IC卡表贵，成本较高;?2、物联网燃气表推广使用比IC卡晚，早期技术还不够成熟;?3、城镇燃气企业属于特许经营权保护下的垄断企业，竞争压力小，对于颠覆性的物联网，大数据转型紧迫感和危机感不足。
5总结
通过对以上几种流量计的对比，各有各的优势，也各有各的短板，用户在选择时应考虑自身的实际情况，具体问题具体分析，选择合适的流量计产品，以确保计量的准确性。结合本人在城镇设计中的经验以及当前主流设计，目前用于城市燃气计量的流量计还应主要选用气体腰轮流量计,腰轮（罗茨）流量计可用于低压计量也可用于中压计量，入口无需直管段，体积小，量程比可达1：160，适用流量范围较广，常用系列为G16～G250。流量相对稳定的计量场合可选用气体涡轮流量计,涡轮流量计一般用于中高压计量，测量精度高，测量范围广，动态范围宽，动态响应好，压力损失小，能耐较高的工作压力，仪表发生故障时，不影响燃气管路系统内燃气正常输送，可实现流量指示和总量的计算，但量程比不高，一般为1:20 ，表前需5~10倍的DN直管段或整流器，适用于大型工业用户。门站、大流量用户可选用气体超声流量计，但是相对其他流量计超声波流量计价格稍贵,煤层气计量可选用气体旋进流量计.膜式燃气表和智能物联网燃气表普遍用于工商用户小流量范围低压燃气的计量。所以气体腰轮（罗茨）流量计和涡轮流量计目前仍是城市天然气的主要产品，对于流量范围较宽的计量领域，气体腰轮流量计为首选产品。
参考文献
[1]严铭卿.燃气工程设计手册.中国建筑工业出版社,2009年6月．