膜式燃?xì)獗淼臏囟葔毫ρa償

摘 要

摘要：分析了溫度和壓力對膜式燃?xì)獗碛嬃空`差的影響，提出了溫度壓力補償?shù)募夹g(shù)措施，探討了電子溫度補償膜式燃?xì)獗砗蜋C械式溫度補償膜式燃?xì)獗淼慕Y(jié)構(gòu)、補償原理和特點。關(guān)鍵詞：膜
摘要：分析了溫度和壓力對膜式燃?xì)獗碛嬃空`差的影響，提出了溫度壓力補償?shù)募夹g(shù)措施，探討了電子溫度補償膜式燃?xì)獗砗蜋C械式溫度補償膜式燃?xì)獗淼慕Y(jié)構(gòu)、補償原理和特點。
關(guān)鍵詞：膜式燃?xì)獗恚还╀N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?shù)谋匾?/span>
   燃?xì)夤九c居民用戶的結(jié)算，幾乎都是通過沒有溫度、壓力補償功能的膜式燃?xì)獗碛嬃坑脷饬?。由于燃?xì)獾目蓧嚎s性和膨脹性，計量結(jié)果均應(yīng)折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(20℃，101.325kPa)的體積[1]。而實際上膜式燃?xì)獗硎窃诜菢?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下工作，因此產(chǎn)生了計量誤差。在國內(nèi)大部分地區(qū)，非標(biāo)準(zhǔn)溫度、壓力影響的最終結(jié)果是燃?xì)夤境袚?dān)損失，對于用氣量較大的商業(yè)用戶和居民用戶，燃?xì)夤镜膿p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(tài)方程見式(1)。
 
式中p1、p2——1、2狀態(tài)下的氣體絕對壓力，Pa
    V1、V2——1、2狀態(tài)下的氣體體積，m3
    T1、T2——1、2狀態(tài)下的氣體熱力學(xué)溫度，K
    假設(shè)1狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，2狀態(tài)為燃?xì)夤九c用戶的結(jié)算狀態(tài)(即膜式燃?xì)獗淼氖褂脿顟B(tài))。p1=101.325kPa，T1=293.15K，燃?xì)夤镜膽魞?nèi)管道運行壓力大都在2kPa左右，故取p2=103.325kPa，當(dāng)溫度降低1℃，即T2=292.15K，則V2=0.9773V1。即使用膜式燃?xì)獗頃r，氣體溫度降低1℃，體積比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時減少2.27%。
    由于膜式燃?xì)獗頉]有溫度補償，所以低于20℃的燃?xì)馔ㄟ^膜式燃?xì)獗頃r，計量值偏小，產(chǎn)生計量誤差。氣體溫度降低1℃，燃?xì)夤镜挠嬃繐p失達到2.27%，氣體溫度降低10℃將使計量損失達到5.28%?？梢姸緶囟葘δな饺?xì)獗碛嬃空`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(shè)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(qū)差異，但均按2元/m3近似計算，則每年的燃?xì)赓M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(dǎo)致的各城市的計量損失和經(jīng)濟損失，見表1。
表1 溫度和壓力引起的計量損失和經(jīng)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?xì)怏w
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(jīng)過膜式燃?xì)獗淼奶烊粴鉁囟?。王杏芳等?sup>[4]曾對杭州市天然氣灶前溫度和氣溫進行了實測分析，認(rèn)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(jù)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?xì)獗淼挠嬃空`差影響較大，尤其是冬季的影響最大。若燃?xì)馄髽I(yè)采取戶外集中掛表的方式，應(yīng)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?xì)獗?，對現(xiàn)有戶外掛表采取外覆隔熱材料等，防止冬季出現(xiàn)較大的供銷差率。使用具有溫度修正功能的膜式燃?xì)獗?，?yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁氐葪l件進行選擇。
    某地新奧燃?xì)夤镜脑鹿╀N差率見表2?？梢钥闯觯╀N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?xì)獗碛嬃康娜細(xì)怏w積偏小，而購氣的總計量表是帶有溫度壓力補償?shù)墓I(yè)燃?xì)獗?，計量值為?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的燃?xì)怏w積，因此供銷差率較大。夏季計量的燃?xì)怏w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(shù)
    采用溫度和壓力補償技術(shù)，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?xì)獗沓鰪S時直接設(shè)定。
    目前民用膜式燃?xì)獗頊囟妊a償?shù)耐緩街饕袃煞N：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(yù)付費膜式燃?xì)獗砩显黾与娮訙囟妊a償裝置，測溫元件實時測溫和補償，通過預(yù)付費和溫度補償功能的組合，方便用氣的管理。
    目前國內(nèi)已開發(fā)了此類型膜式燃?xì)獗?，IC卡預(yù)付費的功能可選[5]。這一技術(shù)比較成熟，可靠性較高。溫度補償?shù)娜細(xì)獗肀須?nèi)設(shè)有中央控制處理單片機，分別連接著溫度傳感器、控制燃?xì)馔〝嗟碾妱娱y，與燃?xì)獗淼挠嫈?shù)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(shù)據(jù)的存儲器以及電源。
    電子溫度補償膜式燃?xì)獗淼膬?yōu)點是修正精度高，實時修正，效果好，有科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)支持；缺點是燃?xì)獗韮r格高，且增加了安裝成本。
   ② 機械補償
   國內(nèi)已有不少廠家開發(fā)了機械溫度補償膜式燃?xì)獗?，可在低溫環(huán)境下使用，修正因溫度低導(dǎo)致的計量偏差。
   機械式溫度補償結(jié)構(gòu)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(fù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，調(diào)整膜式燃?xì)獗砟て男谐蹋淖兡て幕剞D(zhuǎn)體積，補償溫度產(chǎn)生的計量誤差，達到修正燃?xì)獗淼哪康摹?/span>
   市場上的機械式溫度補償膜式燃?xì)獗碛袃煞N：一種是滑閥為往復(fù)式結(jié)構(gòu)，另一種是滑閥為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。
   a. 滑閥為往復(fù)式結(jié)構(gòu)
滑閥為往復(fù)式結(jié)構(gòu)的機械式溫度補償膜式燃?xì)獗硎莻鹘y(tǒng)式結(jié)構(gòu)，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(jīng)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(jīng)調(diào)節(jié)桿與小拉桿連接來實現(xiàn)溫度補償。溫度變化時，大拉桿支架發(fā)生形變，帶動大拉桿位置偏移，大拉桿和折板繞立軸的旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，引起折板帶動平行板的位移變化，導(dǎo)致膜片回轉(zhuǎn)體積變化，計數(shù)裝置的數(shù)值就發(fā)生變化。
   b. 滑閥為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)
   滑閥為旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)的機械式溫度補償膜式燃?xì)獗硎切滦徒Y(jié)構(gòu)，體積小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，見圖2。
 

    主要包括轉(zhuǎn)閥、芯軸盤、撥叉、變位軸等。其特殊之處是芯軸盤與轉(zhuǎn)閥連接，芯軸盤上連接有熱敏螺旋彈簧片和具有內(nèi)、外叉的撥叉。變位軸置于撥叉外叉，撥叉內(nèi)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(nèi)縮，推動撥叉，帶動變位軸向外或向內(nèi)擺移，增加或減小與轉(zhuǎn)閥軸心的偏心尺寸，由此改變表內(nèi)膜片的運動行程，實現(xiàn)溫度補償。
    機械式溫度補償膜式燃?xì)獗沓杀据^低，但由于目前未實現(xiàn)大批量應(yīng)用，沒有有效的應(yīng)用數(shù)據(jù)來證明補償效果，因此使用效果短期無法得到證實。
5 結(jié)論
    ① 與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相比，實際使用壓力高和環(huán)境溫度低使膜式燃?xì)獗懋a(chǎn)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?xì)夤镜挠嬃繐p失較大。
   ② 機械式溫度補償膜式燃?xì)獗?，相對于電子溫度補償膜式燃?xì)獗硗度肷?、效益突出，值得燃?xì)夤究紤]，但其穩(wěn)定性有待考察和研究。如果考察合格，可替代現(xiàn)有的膜式燃?xì)獗?，在戶外集中掛表時采用。
   ③ 電子溫度補償膜式燃?xì)獗砭雀?，實時修正，效果好，但投入費用較高，燃?xì)馄髽I(yè)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐钠骄h(huán)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：
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(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?xì)庥邢薰?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)