引言

瓦斯發(fā)電是新能源開(kāi)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(shí)，一直沒(méi)有一套準(zhǔn)確、可靠的計(jì)量系統(tǒng)，只能被動(dòng)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(jì)量要求計(jì)量器具必須不受上述因素影響。目前，常規(guī)的孔板流量計(jì)、V錐流量計(jì)、各式巴類流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)、渦街流量計(jì)、熱式流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)等，受各自測(cè)量原理限制，都不能達(dá)到要求。氣體渦輪流量計(jì)雖然可以作為貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，但瓦斯氣中含煤粉雜質(zhì)，儀表長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)葉輪有磨損，顯然也不適合貿(mào)易結(jié)算計(jì)量使用。而且氣體渦輪流量計(jì)一般應(yīng)用于中小直徑管道計(jì)量，在大直徑管道很難應(yīng)用。另外在準(zhǔn)確計(jì)量含水混氣流量的基礎(chǔ)上，計(jì)量系統(tǒng)需要進(jìn)一步實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地計(jì)算出混氣中純瓦斯量，且計(jì)算不受濃度變化、水分含量等影響，而市面上通用積算儀無(wú)法滿足要求，需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)、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(jì)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(jì)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(jì)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

計(jì)量系統(tǒng)以插入式氣體超聲流量計(jì)（流量計(jì)內(nèi)含溫度傳感器及壓力傳感器）為核心，氣體超聲流量計(jì)采集混合氣體的瞬時(shí)及累計(jì)體積流量值，并通過(guò)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(jì)值和瞬時(shí)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(guò)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(jì)值與濃度值相乘，計(jì)算出1個(gè)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(chǔ)，并隨時(shí)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(wú)線抄表模塊連接，配合抄表軟件，用戶通過(guò)電腦或手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線抄表。計(jì)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(jì)

氣體超聲流量計(jì)工作原理采用時(shí)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(shí)間差與氣體介質(zhì)的軸向平均流速有關(guān)，計(jì)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(cè)量不受氣體密度/壓力/溫度等影響、測(cè)量量程寬、測(cè)量下限流速低、測(cè)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(cè)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(jì)所不具備的特點(diǎn)。本文計(jì)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(jì)，采用插入式探頭，防爆等級(jí)Exd[ia]IMb，測(cè)量精度1.0級(jí)，適用口徑DN50～3000mm。（2）壓力及溫度傳感器

氣體超聲流量計(jì)本身具有壓力和溫度傳感器2個(gè)接口，實(shí)時(shí)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(jì)體積流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)況累計(jì)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(jiàn)的有催化燃燒式、紅外檢測(cè)式、激光檢測(cè)式等。3種傳感器的性能比較如表1所示。本計(jì)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(cè)不準(zhǔn)和校驗(yàn)周期短等問(wèn)題，保證CH4濃度實(shí)時(shí)、高精度地測(cè)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(cè)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(cè)量氣室。這也是保證計(jì)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)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(chǎng)情況定制，實(shí)時(shí)采集1個(gè)周期內(nèi)氣體超聲流量計(jì)的標(biāo)況及工況累計(jì)流量值和混氣濃度值，然后二者相乘，計(jì)算出標(biāo)況及工況

純瓦斯累計(jì)體積流量。它可液晶顯示瞬時(shí)流量、工況瓦斯累計(jì)量、標(biāo)況瓦斯累計(jì)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(wú)線抄表系統(tǒng)

遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)一般由4G無(wú)線通信模塊及遠(yuǎn)程通信采集軟件構(gòu)成，4G無(wú)線通信模塊通過(guò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳至客戶端，客戶端通過(guò)電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程獲得計(jì)量數(shù)據(jù)。

 

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)測(cè)量精度可達(dá)±1%，是氣體流量計(jì)中測(cè)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(shí)性、準(zhǔn)確性，及時(shí)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(hào)均采用數(shù)字通信方式采集，相比模擬信號(hào)方式，采集的信號(hào)更準(zhǔn)確。

（2）安全性

根據(jù)安標(biāo)國(guó)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(huì)會(huì)議紀(jì)要》第7條對(duì)瓦斯管道測(cè)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(hào)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(jì)防爆等級(jí)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(shū)，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(jì)，也是整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格占比非常大的設(shè)備，目前為止，它是國(guó)內(nèi)僅有的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的礦用防爆型氣體超聲流量計(jì)，其價(jià)格是國(guó)外同類進(jìn)口產(chǎn)品的1/3~1/2，整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)性價(jià)比很高。

（4）實(shí)用性目前，能用于大管徑濕氣體測(cè)量的插入式氣體超聲流量計(jì)主要是國(guó)外進(jìn)口的幾種氣體超聲流量計(jì)，由于價(jià)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(jì)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(lái)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(chǎng)應(yīng)用情況

2021年2月底，該計(jì)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(cè)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(shí)焊開(kāi)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(shí)間如1~2h內(nèi)濃度值較穩(wěn)定，但長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，尤其白天時(shí)段與夜晚時(shí)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(jì)時(shí)間段，連續(xù)運(yùn)行39d，具體數(shù)據(jù)如表2所示。通過(guò)瓦斯折純積算儀計(jì)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(duì)比、分析計(jì)量數(shù)據(jù)后，均無(wú)異議，一致認(rèn)可計(jì)量數(shù)據(jù)，并將計(jì)量數(shù)據(jù)作為日后結(jié)算依據(jù)。

 

5計(jì)量系統(tǒng)改進(jìn)與完善

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)雙插探頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝開(kāi)孔位置尺寸要求較高，誤差必須控制在毫米級(jí)，否則2個(gè)探頭對(duì)接不正造成測(cè)量信號(hào)較弱，影響正常測(cè)量，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法測(cè)量。建議效仿進(jìn)口產(chǎn)品使用單桿插入式雙探頭，如德國(guó)SICK公司生產(chǎn)的FLOWSIC100Flare氣體超聲流量計(jì)，只需開(kāi)1個(gè)孔插入即可，不需要調(diào)節(jié)對(duì)接探頭信號(hào)，更方便現(xiàn)場(chǎng)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(jì)，如美國(guó)GEPT-878型便攜外夾式氣體超聲流量計(jì)，定期校驗(yàn)在線運(yùn)行的氣體超聲流量計(jì),以保證計(jì)量系統(tǒng)更可靠地運(yùn)行。6結(jié)語(yǔ)通過(guò)研究與分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(jì)量問(wèn)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(wú)法直接、準(zhǔn)確計(jì)量造成的結(jié)算糾紛，為今后瓦斯氣、煤層氣的開(kāi)發(fā)與利用提供了計(jì)量保證。