膜式燃氣表的溫度壓力補償

摘 要

摘要：分析了溫度和壓力對膜式燃氣表計量誤差的影響，提出了溫度壓力補償的技術措施，探討了電子溫度補償膜式燃氣表和機械式溫度補償膜式燃氣表的結構、補償原理和特點。關鍵詞：膜
摘要：分析了溫度和壓力對膜式燃氣表計量誤差的影響，提出了溫度壓力補償的技術措施，探討了電子溫度補償膜式燃氣表和機械式溫度補償膜式燃氣表的結構、補償原理和特點。
關鍵詞：膜式燃氣表；供銷差率；機械補償；溫度補償；壓力補償
Temperature and Pressure Compensation of Diaphragm Gas Meter
WANG Haifang，YU Hang，LI Shuwang，YAO Haiyu，ZHANG Yaling，WANG Changlin，WANG Jian，CAO Zhu
Abstract：The influence of temperature and pressure on measurement error of diaphragm gas meter is analyzed.The technical measures of temperature and pressure compensation are put forward.The structures of diaphragm gas meter with electronic temperature compensation and that with mechanical temaperature compensation，the compensation principles and characteristics are discussed.
Key words：diaphragm gas meter；quantity difference between supply and marketing； mechanical compensation；temperature compensation；pressure compensation
1 溫度和壓力補償的必要性
   燃氣公司與居民用戶的結算，幾乎都是通過沒有溫度、壓力補償功能的膜式燃氣表計量用氣量。由于燃氣的可壓縮性和膨脹性，計量結果均應折算為標準狀態下(20℃，101.325kPa)的體積[1]。而實際上膜式燃氣表是在非標準狀態下工作，因此產生了計量誤差。在國內大部分地區，非標準溫度、壓力影響的最終結果是燃氣公司承擔損失，對于用氣量較大的商業用戶和居民用戶，燃氣公司的損失氣量更大[2]。
2 溫度和壓力對計量誤差的影響
理想氣體狀態方程見式(1)。
 
式中p1、p2——1、2狀態下的氣體絕對壓力，Pa
    V1、V2——1、2狀態下的氣體體積，m3
    T1、T2——1、2狀態下的氣體熱力學溫度，K
    假設1狀態為標準狀態，2狀態為燃氣公司與用戶的結算狀態(即膜式燃氣表的使用狀態)。p1=101.325kPa，T1=293.15K，燃氣公司的戶內管道運行壓力大都在2kPa左右，故取p2=103.325kPa，當溫度降低1℃，即T2=292.15K，則V2=0.9773V1。即使用膜式燃氣表時，氣體溫度降低1℃，體積比標準狀態時減少2.27%。
    由于膜式燃氣表沒有溫度補償，所以低于20℃的燃氣通過膜式燃氣表時，計量值偏小，產生計量誤差。氣體溫度降低1℃，燃氣公司的計量損失達到2.27%，氣體溫度降低10℃將使計量損失達到5.28%。可見冬季溫度對膜式燃氣表計量誤差的影響特別突出，計量損失較大。
3 溫度和壓力引起的計量損失分析
    為研究溫度和壓力對供銷差率[3]的影響程度，選擇我國北部、中部、南部的3個城市(廊坊市、開封市、長沙市)進行計量損失的近似計算，以便于對比。3個城市的年平均氣溫均低于20℃。
    假設3個城市均有某居民用戶每天用氣2h，用氣量為1.6m3/h，總用氣量為1168m3/a。盡管居民用氣的價格有地區差異，但均按2元/m3近似計算，則每年的燃氣費用是2336元。針對該居民用戶，近似計算在相同的用氣量下，溫度和壓力導致的各城市的計量損失和經濟損失，見表1。
表1 溫度和壓力引起的計量損失和經濟損失
城市
夏季平均氣溫/℃
冬季平均氣溫/℃
年平均氣溫/℃
計量損失/%
損失的
燃氣體
積(m3·a-1)
損失金額/(元·a-1)
廊坊
26.07
-0.06
13.34
4.21
49.17
98.34
開封
26.23
2.11
15.65
3.44
40.18
80.36
長沙
29.O0
6.00
18.58
2.46
28.73
57.46
    天然氣灶前溫度基本等于經過膜式燃氣表的天然氣溫度。王杏芳等人[4]曾對杭州市天然氣灶前溫度和氣溫進行了實測分析，認為：一般4月—8月天然氣月平均溫度比月平均氣溫低1～2℃，11月—次年2月天然氣月平均溫度比月平均氣溫高約1～2℃。全年天然氣平均溫度與平均氣溫基本相等，故可采用年平均氣溫代替天然氣溫度計算計量損失。北方冬季時間較南方長，采用年平均氣溫進行計算增大了計量損失，偏差程度需要根據具體城市的氣溫進一步實測分析。
    由表1可知，溫度對膜式燃氣表的計量誤差影響較大，尤其是冬季的影響最大。若燃氣企業采取戶外集中掛表的方式，應高度重視溫度的影響，采取各種形式進行補救，如使用具有溫度修正功能的膜式燃氣表，對現有戶外掛表采取外覆隔熱材料等，防止冬季出現較大的供銷差率。使用具有溫度修正功能的膜式燃氣表，應根據當地氣溫等條件進行選擇。
    某地新奧燃氣公司的月供銷差率見表2。可以看出，供銷差率基本隨溫度同步變化。在冬季低溫時，供銷差率最大。12月、1月和2月溫度較低，用氣量驟增。膜式燃氣表計量的燃氣體積偏小，而購氣的總計量表是帶有溫度壓力補償的工業燃氣表，計量值為標準狀態下的燃氣體積，因此供銷差率較大。夏季計量的燃氣體積偏大，但與冬季相比，溫差(實際溫度與20℃之差)不完全相等㈧，且冬夏季的用氣量也不相等，造成全年的計量損失仍然存在。
表2 月供銷差率
月份
供氣量/m3
銷氣量/m3
供銷差率/%
1
3240217.00
2495541.04
22.98
2
3333066.00
2510763.00
24.67
6
1488525.00
1444323.00
2.97
7
1468469.00
1424839.00
2.97
8
1397266.00
1293724.O0
7.41
10
1503012.00
1381437.00
8.09
11
1892561.00
1680791.00
11.19
12
2612449.00
2090185.00
19.99
4 溫度補償技術
    采用溫度和壓力補償技術，使計量體積修正到溫度為20℃、絕對壓力為103.325kPa時的體積，則計量損失可以降到最低。壓力補償可在膜式燃氣表出廠時直接設定。
    目前民用膜式燃氣表溫度補償的途徑主要有兩種：一種是增加電子溫度補償裝置，另一種是采用熱敏雙金屬材料進行機械補償。
   ① 電子溫度補償
   在IC卡預付費膜式燃氣表上增加電子溫度補償裝置，測溫元件實時測溫和補償，通過預付費和溫度補償功能的組合，方便用氣的管理。
    目前國內已開發了此類型膜式燃氣表，IC卡預付費的功能可選[5]。這一技術比較成熟，可靠性較高。溫度補償的燃氣表表殼內設有中央控制處理單片機，分別連接著溫度傳感器、控制燃氣通斷的電動閥，與燃氣表的計數器連接并獲取用氣量信號的采樣傳感器。讀取購氣卡上的購氣量反饋給中央控制處理單片機的讀卡器，顯示累計用氣量的顯示器，存儲溫度、用氣量和購氣量數據的存儲器以及電源。
    電子溫度補償膜式燃氣表的優點是修正精度高，實時修正，效果好，有科學的實驗數據支持；缺點是燃氣表價格高，且增加了安裝成本。
   ② 機械補償
   國內已有不少廠家開發了機械溫度補償膜式燃氣表，可在低溫環境下使用，修正因溫度低導致的計量偏差。
   機械式溫度補償結構是采用熱敏雙金屬彈簧作為溫度敏感元件。熱敏雙金屬是多層復合材料，由至少兩種具有不同熱延展率的材料組成。延展率的差異性使熱敏雙金屬隨溫度變化產生彎曲，熱敏雙金屬材料會儲存并釋放彎曲變形能量，通過機械結構，調整膜式燃氣表膜片的行程，改變膜片的回轉體積，補償溫度產生的計量誤差，達到修正燃氣表的目的。
   市場上的機械式溫度補償膜式燃氣表有兩種：一種是滑閥為往復式結構，另一種是滑閥為旋轉式結構。
   a. 滑閥為往復式結構
滑閥為往復式結構的機械式溫度補償膜式燃氣表是傳統式結構，體積較大，見圖1。
 

   主要包括大拉桿、小拉桿、立軸和膜片等。大拉桿與立軸連接，立軸經折板與膜片連接，大拉桿上連接有一個熱敏雙金屬片的大拉桿支架，該大拉桿支架經調節桿與小拉桿連接來實現溫度補償。溫度變化時，大拉桿支架發生形變，帶動大拉桿位置偏移，大拉桿和折板繞立軸的旋轉角度發生變化，引起折板帶動平行板的位移變化，導致膜片回轉體積變化，計數裝置的數值就發生變化。
   b. 滑閥為旋轉式結構
   滑閥為旋轉式結構的機械式溫度補償膜式燃氣表是新型結構，體積小，結構簡單緊湊，見圖2。
 

    主要包括轉閥、芯軸盤、撥叉、變位軸等。其特殊之處是芯軸盤與轉閥連接，芯軸盤上連接有熱敏螺旋彈簧片和具有內、外叉的撥叉。變位軸置于撥叉外叉，撥叉內叉位于熱敏螺旋彈簧片外端，故溫度升高或降低，熱敏螺旋彈簧片外張或內縮，推動撥叉，帶動變位軸向外或向內擺移，增加或減小與轉閥軸心的偏心尺寸，由此改變表內膜片的運動行程，實現溫度補償。
    機械式溫度補償膜式燃氣表成本較低，但由于目前未實現大批量應用，沒有有效的應用數據來證明補償效果，因此使用效果短期無法得到證實。
5 結論
    ① 與標準狀態相比，實際使用壓力高和環境溫度低使膜式燃氣表產生了計量損失，尤其是冬季供氣溫度低對計量誤差的影響特別突出，燃氣公司的計量損失較大。
   ② 機械式溫度補償膜式燃氣表，相對于電子溫度補償膜式燃氣表投入少、效益突出，值得燃氣公司考慮，但其穩定性有待考察和研究。如果考察合格，可替代現有的膜式燃氣表，在戶外集中掛表時采用。
   ③ 電子溫度補償膜式燃氣表精度高，實時修正，效果好，但投入費用較高，燃氣企業可根據當地的平均環境溫度等情況，采取措施降低成本后采用，減小供銷差率。
參考文獻：
[1] 四川石油管理局天然氣研究院，四川石油管理局勘察設計院.GB 17820—1999天然氣[S].北京：中國標準出版社，1999：1.
[2] 康逸.淺談工商用膜式燃氣表采用溫度補償裝置的必要性[J].城市燃氣，2006(增刊)：16-17.
[3] 孫曉文.燃氣流量計選型對供銷差率的影響[J].煤氣與熱力，2008，28(8)：B05-B06.
[4] 王杏芳，李恒敬，嚴益劍.天然氣灶前壓力和溫度對供銷差率的影響[J].煤氣與熱力，2007，27(10)：46-49.
[5] 康逸.預付費溫度補償煤氣表：中國，200820062573.7[P].2009-04-01.
 
(本文作者：王海芳1 于航2 李樹旺1 姚海玉3 張婭玲1 王長林1 王健3 高鑄1 1.新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065001；2.威海港華燃氣有限公司 山東威海 264200；3.中國石油天然氣管道局海洋工程分公司 河北廊坊 065000)