上海燃氣市北銷售有限公司 潘佳茜

超聲波流量計在區(qū)域計量上的應(yīng)用研究

上海燃氣市北銷售有限公司 潘佳茜

將超聲波流量計與原有的渦輪流量計和皮膜表做對比，通過對實際應(yīng)用數(shù)據(jù)的分析，探討超聲波流量計應(yīng)用于區(qū)域計量上的可行性。

超聲波流量計 區(qū)域計量 城市燃氣

0 概述

上海燃氣市北銷售公司(簡稱市北銷售公司)隸屬上海燃氣集團，轄區(qū)包括黃浦江以西、蘇州河以北的寶山、嘉定、楊浦、虹口、閘北和普陀6個行政區(qū)域，各類用戶總數(shù)達226余萬戶。

多年以來市北地區(qū)燃氣購銷差居高不下，困擾著企業(yè)的發(fā)展。市北銷售公司自2003年以來，逐步選取各類區(qū)域進行比較，分區(qū)域計量研究購銷差產(chǎn)生的原因。在所選的區(qū)域中，有的區(qū)域生活水平較高，單耗也相應(yīng)比較高；有的區(qū)域生活水平較低，單耗也就略低一點。

至2011年底，市北公司共有完整的區(qū)域計量試點10個，其中普陀區(qū)3個，閘北區(qū)2個，楊浦區(qū)1個，虹口區(qū)1個，寶山區(qū)1個，嘉定區(qū)2個，均勻地分布在市北公司所管轄的每個行政區(qū)域，逐漸完成區(qū)域選擇的代表性。

由于各區(qū)域大小、用戶結(jié)構(gòu)、區(qū)域計量表選型等的差異，使得區(qū)域產(chǎn)銷差數(shù)據(jù)偏差較大，尤其是民用產(chǎn)銷差，難以尋找變化的規(guī)律。通過多年區(qū)域計量表記錄的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)表顯示的最大流量遠小于配表的滿量程值，而表的配置必須匹配調(diào)壓器的流通能力，造成配的表過大，如果工況流量小于流量計的最小額定流量，流量計就計量不準確或者不計量。

隨著近幾年超聲波流量計發(fā)展日趨成熟，此次把超聲波流量計應(yīng)用于幾個區(qū)域計量點上，試用了一段時間，通過使用數(shù)據(jù)的分析，探討在區(qū)域計量上使用超聲波流量計的可行性。

1 超聲波流量計計量原理與性能

1.1 計量原理

這次使用的是AS超聲波流量計，采用重復性能優(yōu)越的“傳播時間差”方式，其計量原理如圖1：

圖1 超聲波流量計計量原理

在測量管內(nèi)安裝一組超聲傳感器．同時測量彼此間的聲波到時間。比如沿順風方向投球時會比頂風方向投的球先到達對方處。同樣，沿氣體流動方向發(fā)出的聲波會比反方向發(fā)出的聲波先到達對方超聲波傳感器處，將這個時間差值換算成流量。

將上流側(cè)至下流側(cè)的到達時間定為tl，下流側(cè)至上流側(cè)的到達時間定為t2則：

式中：tl——超聲波傳播時間(順方向)，h；

t2——超聲波傳播時間(逆方向)，h；

L——超聲波傳感器間距，m；

C——音速，m/h；

V——平均流速，m/h；

θ——超聲波傳播軸與管道中心軸角夾，゜。取到達時間的倒數(shù)差，可消去聲速項并求出流速V：

因此，可得知上式不受音速影響。

再乘以測量管橫斷面積和修正系數(shù)，可求出流量Q，即：

式中：Q——流量，m3/h；

A——橫截面積，m2；

K——修正系數(shù)。

1.2 性能

超聲波流量計具有超大的量程比，此次采用的超聲波流量計，其量程比達到了1∶400，相同口徑的渦輪流量計的量程比只有1∶30。不僅可以用于計量，還能用于管道泄漏感知。無轉(zhuǎn)動部件，無需維護，長時間使用精度不變。沒有壓力損耗，低功耗，安裝成本低。氣體對超聲波流量計的影響小，所以超聲波流量計可以用于天然氣、人工煤氣等多種氣質(zhì)上。

2 實際應(yīng)用試驗

此次應(yīng)用試驗選用了ELSTER流量計、天信流量計、AS氣體超聲波流量計以及丹東100 m3皮膜表等幾種不同類型的流量計，在不同時段采用不同類型的流量計進行計量，采集數(shù)據(jù)進行分析研究。一共選擇了三個實驗區(qū)域，其中桃浦區(qū)域在試驗前期選用的是ELSTER流量計，后期選用的是AS超聲波流量計；華浜區(qū)域前期選用的是天信流量計，后期選用的是AS超聲波流量計；原平區(qū)域前期選用的是丹東100 m3皮膜表，后期則是將一臺超聲波流量計與丹東100 m3皮膜表進行串聯(lián)，用以對比同一時段內(nèi)兩個表的情況。

2.1 桃浦區(qū)域

該區(qū)域共有民用戶7 819戶，非民用戶8戶，由于該區(qū)域含桃浦七村和桃浦十村兩個小區(qū)，由2臺調(diào)壓器供應(yīng)同時向區(qū)域內(nèi)供氣，所以該區(qū)域計量點有兩處，分別位于編號為G-687和G-6156的調(diào)壓室內(nèi)。

試驗分別從以下情況進行研究分析：

2.1.1 區(qū)域內(nèi)對ELSTER G650表進行數(shù)據(jù)采集

在區(qū)域調(diào)壓室內(nèi)安裝ELSTER G650表，口徑DN150，量程范圍為50~1 000 m3/h(工況流量)，于2012年4月1日至2012年12月19日采集該時間段內(nèi)低于最小量程的小時數(shù)及低于量程用量數(shù)據(jù)。編號為G-687調(diào)壓室內(nèi)的計量點共收集了4 384條有效小時流量數(shù)據(jù)。從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍50 m3/h的共有756條，占17.24%。從計量上看，低于量程用量占3.92%。編號為G-6156的調(diào)壓室內(nèi)計量點，共收集了5 731條有效小時流量數(shù)據(jù)。從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍50 m3/h的共有2 958條，占51.61%。從計量上看，低于量程用量占13.34%。

2.1.2 區(qū)域內(nèi)對AS超聲波流量計表進行數(shù)據(jù)采集

2013年1月1日至2013年4月10日在編號為G-687編號調(diào)壓室內(nèi)(桃浦七村)安裝AS-150超聲波流量計，量程范圍為14~1 300m3/h，采集該時間段內(nèi)低于最小量程的小時數(shù)及低于量程用量數(shù)據(jù)，總共收集了2 387條有效小時流量數(shù)據(jù)。從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍14 m3/h的共有1條，占0.44%。從計量上看，低于量程用量占0.00%。

2013年1月1日至2013年10月31日在編號為G-6156調(diào)壓室內(nèi)(桃浦十村)安裝AS-150超聲波流量計，量程范圍為14~1 300 m3/h，采集該時間段內(nèi)低于最小量程的小時數(shù)及低于量程用量數(shù)據(jù)，總共收集了6 384條有效小時流量數(shù)據(jù)。從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍14 m3/h的共有484條，占7.58%。從計量上看，低于量程用量占0.05%。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

在數(shù)據(jù)采集期間，桃浦區(qū)域采用ELSTER G650表和AS超聲波流量計的低于最小量程的小時數(shù)合計數(shù)及低于量程用量的合計數(shù)據(jù)如1表所示。

表1 ELSTER G650表和AS超聲波流量計累計計量工況

由表中數(shù)據(jù)可知，桃浦區(qū)域采用AS超聲波流量計表后，低于最小量程小時數(shù)由采用ELSTER G650表的36.72%下降為5.53%。低于量程用量由7.64%下降為0.04%。說明采用AS超聲波流量計的計量數(shù)據(jù)更完整。

在用戶數(shù)及用氣工況相同的條件下，選用AS超聲波流量計表低于低量程的占比工況僅為0.04%，低于ELSTER G650表的7.64%，所以選用AS超聲波流量計更為合適，更能進行準確的計量；

2.2 華浜區(qū)域

該區(qū)域共有居民用戶2 877戶，非民用戶1戶。該區(qū)域計量點位于編號為G-19166調(diào)壓室內(nèi)。試驗分別采用天信TBQZ-150A和AS-100超聲波流量計進行數(shù)據(jù)采集和分析。

2.2.1 區(qū)域內(nèi)天信TBQZ-150A表數(shù)據(jù)采集

在編號G-19166調(diào)壓室內(nèi)安裝天信TBQZ-150A表，口徑DN100，量程范圍32~650 m3/h (工況流量)。2011年3月1日至2011年5月31日共收集了3 230條有效小時流量數(shù)據(jù)，從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍32 m3/h的有1 291條，占39.97%；從計量上看，低于量程用量占4.50%。

2.2.2 區(qū)域內(nèi)AS超聲波流量計表數(shù)據(jù)采集

在編號為G-19166調(diào)壓室內(nèi)安裝AS-100超聲波流量計，量程范圍為6~550 m3/h(工況流量)，2013年1月24日至2013年10月31日總共收集了6 732條有效小時流量數(shù)據(jù)。從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍6 m3/h的共有837條，占12.43%。從計量上看，低于量程用量占0.64%。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

在數(shù)據(jù)采集期間，華浜區(qū)域采用天信TBQZ-150A表和AS超聲波流量計表的低于最小量程的小時數(shù)合計數(shù)及低于量程用量的合計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 TBQZ-150A表和AS超聲波流量計累計計量工況

由上表可知，華浜區(qū)域縮徑后使用的AS-100超聲波流量計低于最小量程小時數(shù)由使用天信TBQZ-150A表的39.97%下降為換表后的12.43%。低于流量計最小工況量程范圍由4.50%，下降為0.64%。說明AS-100超聲波流量計的選型相對合適，更能進行準確的計量。

2.3 原平區(qū)域

該區(qū)域共有居民用戶778戶，無非民用戶。該區(qū)域由編號為G-7190的調(diào)壓器供氣，區(qū)域計量點位于編號為G-7190調(diào)壓室內(nèi)。試驗采用串聯(lián)使用的AS-80超聲波流量計與丹東熱工LMN-100型皮膜表進行數(shù)據(jù)采集和分析，系統(tǒng)圖如圖1。AS-80超聲波流量計，量程范圍為3.5~330 m3/h(工況流量)。丹東熱工LMN-100型，量程范圍為1.0~160 m3/h(工況流量)。此次數(shù)據(jù)采集時間為2013年1月24日至2013年10月31日。

圖2 AS-80超聲波流量計與丹東100 m皮膜表串聯(lián)系統(tǒng)

2.3.1 AS-80超聲波流量計數(shù)據(jù)采集

AS-80超聲波流量計采集期間的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計低于最小量程的小時流量數(shù)。從時間上看，總共收集了6 770條有效小時流量數(shù)據(jù)，低于流量計最小工況量程范圍3.5 m3/h的共有965條，占14.25%。從計量上看，低于量程用量占1.12%。最大小時工況流量81.4 m3/h。

2.3.2 丹東熱工LMN-100型皮膜表數(shù)據(jù)采集

丹東熱工LMN-100型皮膜表采集統(tǒng)計低于最小量程的小時流量數(shù)?？偣彩占?623條有效小時流量數(shù)據(jù)。從時間上看，低于流量計最小工況量程范圍1.0 m3/h的共有1 169條，占19.79%。從計量上看，低于量程用量占0.0%

2.3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

低于量程用量的占比分析：在數(shù)據(jù)采集期間，原平區(qū)域采用AS-80超聲波流量計和丹東熱工LMN-100型皮膜表的低于最小量程的小時數(shù)合計數(shù)及低于量程用量的合計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 AS-80和LMN-100累計計量工況

原平區(qū)域使用AS-80超聲波流量計低于流量計最小工況量程范圍占14.25%，低于量程用量占1.12%。皮膜表低于流量計最小工況量程范圍占19.79%，低于量程用量占0.00%。兩者相差不大，說明AS-80超聲波流量計選型合適。

日流量對比分析：在2013年的2至8月中，抽取每個月平均溫度最低的一天，對兩臺表進行日流量的進行對比。對比結(jié)果如表4所示：

表4 2013年抽取的日流量對比分析

表4中日計量的最大誤差絕對值為2.96%，出現(xiàn)在2013年8月31日，在誤差允許范圍內(nèi)。

月度流量的對比分析：原平區(qū)域1~10月兩表計量的累計月流量如表5所示：

表5 2013年1~10月流量對比分析

由表5可知，兩表月度流量對比的最大誤差絕對值為5.58%，出現(xiàn)在9月份，最小誤差絕對值為0.52%，出現(xiàn)在5月份，全年度累計誤差絕對值為0.69%，均在兩表的精度允許范圍內(nèi)。

原平區(qū)域AS-80超聲波流量計與丹東熱工LMN-100型皮膜表的兩表所計量的小時最大流量、日流量以及月度流量誤差都在表的精度范圍內(nèi)，說明皮膜表的量程比寬，在相同的工況條件下，與超聲波流量計相同的計量準確度。相比皮膜表，超聲波流量計體積小，對區(qū)域計量調(diào)壓室空間要求小。

3 結(jié)論

通過超聲波流量計在實際區(qū)域計量中與其它形式的流量計的對比試驗，得出以下結(jié)論：對比同口徑的超聲波流量計和渦輪流量計，超聲波流量計在最小工況量程數(shù)以及低于量程用量兩方面均優(yōu)于渦輪流量計，更有利于精確計量。在用戶數(shù)相同以及其他運行工況相同的條件下，與渦輪流量計對比，采用超聲波流量計，可以適當進行縮徑配置，仍能滿足工況要求，且計量更為準確，從而達到降低成本，提高經(jīng)濟效益的目的。對比超聲波流量計和皮膜表，在相同的工況條件下，均能準確計量，計量誤差均在允許范圍內(nèi)，超聲波流量計由于其體積小，更適合空間小的調(diào)壓室。

綜上所述，超聲波流量計由于其有更大的量程范圍等優(yōu)點，應(yīng)用于區(qū)域計量上是可行的，并且比渦輪流量計更適合應(yīng)用于區(qū)域計量上。

Research of Ultrasonic Gas Meters in Fields of Regional Gas Metering

North Shanghai Gas Business CO., Ltd. Pan Jiaxi

The ultrasonic gas meters were used on regional gas metering system in northern areas of Shanghai. By comparing the difference between the practical data of ultrasonic gas meters and those of turbine gas meters and diaphragm gas meters, the paper makes a conclusion that the ultrasonic gas meter can be used in the fields of regional gas metering.

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