引言

瓦斯發(fā)電是新能源開發(fā)與利用的重要途徑之一，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用。瓦斯發(fā)電所需的瓦斯氣一般由煤礦或煤層氣公司提供，但是瓦斯發(fā)電廠的瓦斯氣供需雙方在用氣量貿(mào)易結(jié)算時，一直沒有一套準(zhǔn)確、可靠的計量系統(tǒng)，只能被動地從發(fā)電量大致反推出用氣量。輸送瓦斯氣管道直徑較大（一般φ400mm以上），瓦斯氣含大量水，空氣含量不定，管道壓力較低且變化，溫度、流速變化較大。貿(mào)易結(jié)算計量要求計量器具必須不受上述因素影響。目前，常規(guī)的孔板流量計、V錐流量計、各式巴類流量計、標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計、渦街流量計、熱式流量計、旋進(jìn)旋渦流量計等，受各自測量原理限制，都不能達(dá)到要求。氣體渦輪流量計雖然可以作為貿(mào)易結(jié)算的計量器具，但瓦斯氣中含煤粉雜質(zhì)，儀表長期運(yùn)行對葉輪有磨損，顯然也不適合貿(mào)易結(jié)算計量使用。而且氣體渦輪流量計一般應(yīng)用于中小直徑管道計量，在大直徑管道很難應(yīng)用。另外在準(zhǔn)確計量含水混氣流量的基礎(chǔ)上，計量系統(tǒng)需要進(jìn)一步實(shí)時、準(zhǔn)確地計算出混氣中純瓦斯量，且計算不受濃度變化、水分含量等影響，而市面上通用積算儀無法滿足要求，需要針對現(xiàn)場實(shí)際情況定制合適的瓦斯折純積算儀。為此，本文提出了以插入式氣體超聲流量計、激光CH4濃度傳感器、瓦斯折純積算儀等為核心，組建一套全新的瓦斯計量系統(tǒng)，可適用于大管徑管道、壓力/溫度/流速變化大、含水瓦斯混氣的純瓦斯準(zhǔn)確計量，為瓦斯氣供需雙方的貿(mào)易結(jié)算提供直接、可靠的數(shù)據(jù)。

 

1計量系統(tǒng)總體設(shè)計

計量系統(tǒng)以插入式氣體超聲流量計（流量計內(nèi)含溫度傳感器及壓力傳感器）為核心，氣體超聲流量計采集混合氣體的瞬時及累計體積流量值，并通過RS485數(shù)字通信口將采集的混合氣體標(biāo)況及工況流量累計值和瞬時值傳輸至瓦斯折純積算儀。激光CH4濃度傳感器采集混合氣體瓦斯?jié)舛戎担�也是通過RS485數(shù)字通信口將采集的瓦斯?jié)舛戎祩鬏斨琳奂兎e算儀。折純積算儀為定制產(chǎn)品，將流量累計值與濃度值相乘，計算出1個采集周期內(nèi)標(biāo)況（溫度20℃，壓力101.325kPa）及工況下的純瓦斯累積體積流量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，并隨時可供用戶查詢、導(dǎo)出數(shù)據(jù)。瓦斯折純積算儀具有擴(kuò)展RS485通信接口，可與遠(yuǎn)程無線抄表模塊連接，配合抄表軟件，用戶通過電腦或手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線抄表。計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 

2系統(tǒng)構(gòu)成

（1）氣體超聲流量計

氣體超聲流量計工作原理采用時差法。根據(jù)超聲波束在氣體介質(zhì)中的沿順流與逆流方向傳輸時間差與氣體介質(zhì)的軸向平均流速有關(guān)，計算出氣體流速，再乘以管道的橫截面積，得出氣體體積流量。它具有測量不受氣體密度/壓力/溫度等影響、測量量程寬、測量下限流速低、測量不受管道直徑限制、日常維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其測量不受管徑大小及瓦斯混氣含水量大小影響，這是很多常規(guī)氣體流量計所不具備的特點(diǎn)。本文計量系統(tǒng)采用的是LJS100/850Q型插入式礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計，采用插入式探頭，防爆等級Exd[ia]IMb，測量精度1.0級，適用口徑DN50～3000mm。（2）壓力及溫度傳感器

氣體超聲流量計本身具有壓力和溫度傳感器2個接口，實(shí)時采集管道內(nèi)壓力及溫度值，然后根據(jù)所得的壓力及溫度值，把工況瓦斯混氣累計體積流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況累計流量，以便于貿(mào)易結(jié)算使用。

（3）激光CH4濃度傳感器

CH4濃度傳感器常見的有催化燃燒式、紅外檢測式、激光檢測式等。3種傳感器的性能比較如表1所示。本計量系統(tǒng)選用性能非常優(yōu)的礦用全量程激光

CH4傳感器GJG100J(B),較好地解決了高溫、高濕條件下測不準(zhǔn)和校驗(yàn)周期短等問題，保證CH4濃度實(shí)時、高精度地測量。

由于管道瓦斯含水量大、管道壓力較低，CH4傳感器進(jìn)氣端必須裝配合適的水氣分離裝置，既要保證水汽不能進(jìn)入測量氣室、不能附著濾網(wǎng)孔阻塞進(jìn)氣孔，又要保證管道壓力較低情況下瓦斯氣體能順暢地進(jìn)入測量氣室。這也是保證計量系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量含水混氣濃度的關(guān)鍵之一。

（4）瓦斯折純積算儀

瓦斯折純積算儀根據(jù)現(xiàn)場情況定制，實(shí)時采集1個周期內(nèi)氣體超聲流量計的標(biāo)況及工況累計流量值和混氣濃度值，然后二者相乘，計算出標(biāo)況及工況

純瓦斯累計體積流量。它可液晶顯示瞬時流量、工況瓦斯累計量、標(biāo)況瓦斯累計量、瓦斯?jié)舛取�壓力、溫度等，可�?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、查詢及導(dǎo)出，采用觸摸屏操作、RS485數(shù)字通信。

（5）遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)

遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)一般由4G無線通信模塊及遠(yuǎn)程通信采集軟件構(gòu)成，4G無線通信模塊通過RS485通信口與瓦斯折純積算儀通信，將瓦斯折純積算儀的數(shù)據(jù)利用移動網(wǎng)絡(luò)傳至客戶端，客戶端通過電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程獲得計量數(shù)據(jù)。

 

3系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

（1）準(zhǔn)確性

LJS100/850Q型礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計測量精度可達(dá)±1%，是氣體流量計中測量精度較高的。CH4濃度傳感器采用高精度、穩(wěn)定性好的GJG100J(B)型煤礦管道用激光CH4濃度傳感器。為保證采集數(shù)據(jù)實(shí)時性、準(zhǔn)確性，及時跟蹤管道內(nèi)介質(zhì)流態(tài)的變化，流量、壓力、溫度及瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)采集周期均為1s，瓦斯折純積算儀的采集及數(shù)據(jù)運(yùn)算周期也為1s。流量、濃度等信號均采用數(shù)字通信方式采集，相比模擬信號方式，采集的信號更準(zhǔn)確。

（2）安全性

根據(jù)安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心《2012年度防爆產(chǎn)品安全技術(shù)研討會會議紀(jì)要》第7條對瓦斯管道測量設(shè)備要求“與管道內(nèi)設(shè)備存在本安關(guān)聯(lián)的電源及信號設(shè)備的本安電路部分應(yīng)滿足ia的要求”，LJS100/850Q型礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計防爆等級為Exd[ia]IMb,GJG100J(B)

煤礦管道用激光CH4濃度傳感器防爆形式ExiaI，均符合要求。二者均具備防爆證及礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書，安全性能達(dá)到煤礦井下電氣設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)。

（3）經(jīng)濟(jì)性

該系統(tǒng)核心單元是LJS100/850Q型礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計，也是整個系統(tǒng)價格占比非常大的設(shè)備，目前為止，它是國內(nèi)僅有的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的礦用防爆型氣體超聲流量計，其價格是國外同類進(jìn)口產(chǎn)品的1/3~1/2，整個計量系統(tǒng)性價比很高。

（4）實(shí)用性目前，能用于大管徑濕氣體測量的插入式氣體超聲流量計主要是國外進(jìn)口的幾種氣體超聲流量計，由于價格昂貴及售后不能保證，很難應(yīng)用于普通用戶的貿(mào)易結(jié)算。該計量系統(tǒng)不但解決了普通用戶的瓦斯氣、煤層氣貿(mào)易結(jié)算難題，而且供需雙方可以直接以純瓦斯量來貿(mào)易結(jié)算，結(jié)算更科學(xué)、更合理、更精準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

 

4現(xiàn)場應(yīng)用情況

2021年2月底，該計量系統(tǒng)應(yīng)用于山西晉城永安宏泰煤礦瓦斯抽采泵站，瓦斯輸送管道外徑為φ426mm，采用普通碳鋼卷管，被測介質(zhì)為井下抽采的瓦斯及空氣混合氣體，含煤粉，含水量大，安裝時焊開管道，管道底部有一層積水。管道壓力較低且不穩(wěn)定，儀表顯示壓力范圍為1～3kPa。溫度變化范圍為32~42℃。含水混氣濃度變化范圍為18%~42%，短時間如1~2h內(nèi)濃度值較穩(wěn)定，但長時間內(nèi)，尤其白天時段與夜晚時段，濃度值相差較大。管道內(nèi)含水混氣常規(guī)流速6~9m/s。

 

截取2021年3月11日至4月17日作為統(tǒng)計時間段，連續(xù)運(yùn)行39d，具體數(shù)據(jù)如表2所示。通過瓦斯折純積算儀計算，39d標(biāo)況純瓦斯總累積量897157m3，純瓦斯平均用量為23004m3/d。供需雙方認(rèn)真對比、分析計量數(shù)據(jù)后，均無異議，一致認(rèn)可計量數(shù)據(jù)，并將計量數(shù)據(jù)作為日后結(jié)算依據(jù)。

 

5計量系統(tǒng)改進(jìn)與完善

通過現(xiàn)場使用，發(fā)現(xiàn)有2點(diǎn)需要改進(jìn)與完善：（1）氣體超聲流量計雙插探頭對現(xiàn)場安裝開孔位置尺寸要求較高，誤差必須控制在毫米級，否則2個探頭對接不正造成測量信號較弱，影響正常測量，嚴(yán)重時無法測量。建議效仿進(jìn)口產(chǎn)品使用單桿插入式雙探頭，如德國SICK公司生產(chǎn)的FLOWSIC100Flare氣體超聲流量計，只需開1個孔插入即可，不需要調(diào)節(jié)對接探頭信號，更方便現(xiàn)場安裝。

 

（2）正常運(yùn)行期間，如條件具備，可使用進(jìn)口便攜式氣體超聲流量計，如美國GEPT-878型便攜外夾式氣體超聲流量計，定期校驗(yàn)在線運(yùn)行的氣體超聲流量計,以保證計量系統(tǒng)更可靠地運(yùn)行。6結(jié)語通過研究與分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況，初步解決了大管徑管道內(nèi)含水瓦斯混氣的準(zhǔn)確計量問題，極大地方便了瓦斯氣供需雙方的貿(mào)易結(jié)算，減少因無法直接、準(zhǔn)確計量造成的結(jié)算糾紛，為今后瓦斯氣、煤層氣的開發(fā)與利用提供了計量保證。