四方仪器|超声波气体流量计在沼气流量计量中的应用

　　目前，沼气市场非常活跃，且发展非常迅速，沼气具有多种用途，例如把沼气作为车辆燃料，或者在热电联产厂中用沼气来发电和供暖。对沼气生产设备来讲，对所有影响沼气生产的因素进行有效监控是保证沼气设备安全稳定生产的前提。其中Z重要的因素包括沼气池中的压力、发酵温度和沼气产气量，沼气产气量是衡量沼气生产设备经济效益的重要参数，同时也是影响发酵过程是否安全可靠的重要因素。

　　一、沼气计量的目的

　　在沼气生产与使用过程中需要对其进行流量计量，主要目的有以下几个方面：

　　1、为沼气站提供参考数据：沼气供应站安装流量计的目的在于为沼气的调度和控制提供基本数据。

　　2、检测发酵罐或填埋场效率：通过沼气流量了解发酵罐效率，若流量有意外波动，可以及时查看发酵罐的情况。

　　3、控制锅炉的燃烧效率：沼气锅炉燃烧时，需要了解沼气的流量从而控制锅炉的通风量。通风量过大，会降低炉温；通风量过低，燃气无法充分燃烧造成浪费和污染。

　　4、控制温室气体排放：沼气中的CH4和CO2都是温室气体，其中CH4是比CO2危害更严重的温室气体。

　　5、民用沼气计量收费：民用户安装流量计主要是为了计量收费，管理部门进行成本核算。

　　二、沼气计量难点与技术

　　1、沼气计量难点

　　沼气是非常难以计量的一种气体，它有如下几个特点：

　　（1）压力极低：从发酵罐中出来的原始沼气通常压力不会超过0.1公斤（10kPa）。

　　（2）组分变化：沼气由多种混合气体组成，产气原料不同，产生的沼气成分也会有较大波动。

　　（3）流量波动大：随着产沼原料、细菌情况、温度波动等情况变化，产出的沼气流量也会有很大变化，因此要求流量计有较大的量程比。

　　（4）含水汽：沼气由生物质发酵产生，生物质中的水分会被带入沼气中，所以沼气中通常含有饱和的水蒸气。

　　（5）有腐蚀性：沼气通常含有H2S，虽然含量较低，但H2S遇水汽后会形成腐蚀性较强的氢硫酸，对计量元件存在较大腐蚀隐患。

　　2、沼气计量技术

　　目前，有几种沼气流量计量技术已经在沼气领域广泛应用，主要包括涡轮流量计、涡街流量计、孔板流量计、超声波气体流量计等。但由于沼气压力低、沼气组分流量变动大、腐蚀性强、粘稠杂质等特性，这些流量计量技术也存在一些应用问题，对流量计量的稳定性和日常维护带来麻烦。

表1.几种沼气流量计量技术应用对比

　　如表1所述，超声波气体流量计是通过检测流体流动对超声波的作用进而测量流量的仪器，属于非接触测量仪器，所以不会对流体流动产生干扰。超声波气体流量计与孔板、涡轮、涡街等传统流量计相比，具有适应性强，操作方便等特点；与差压流量计、容积式流量计相比，还具有无压力损失、性价比高、测量范围宽等特点。所以超声波气体流量计在流体测量中得到了非常广泛的应用，也是发展极为迅速的一类沼气流量测量设备。

　　根据对信号检测的原理不同，可以将超声波流量计分为以下几种类型：传播速度差法（时差法、相位差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、噪声法等等。其中以时差法超声波流量计Z常见，下面针对这种Z常见的方法来进行叙述。

　　（1）测量原理

　　时差法超声波气体流量计利用超声波传播的声速差原理，即通过测量超声波气流顺向和逆向传播的声速差算出气体的流速和流量。它由超声波转换器将电能转换为超声波能量，以一定的方式发射并穿过被测气体，接收器接收到超声波信号，供显示积算仪显示和积算，实现流量的检测显示。超声波气体流量计的2个超声波传感器（又称超声波探头或超声波换能器）分别安装在管道外壁两侧，以一定的倾角对称（见图l-a）或在同侧（见图1-b）。前者是Z常用的方式，如超声波气体流量计BF-3000均为此种安装方法（见图2）。

　　（a）

　　（b）

　　图1.超声波气体流量计测量原理

　　以超声波沼气流量计BF-3000为例，它采用一对收发一体式超声波换能器作为发射和接收元件。探头由特制陶瓷超声波换能器制成，在电的激励下，换能器产生超声波以一定的入射角射入管壁，在管壁内以横波形式传播射入被测气体，并以纵波的形式在流动气体内传播，Z后透过介质，穿过管壁被另一传感器所接收。在测量时2个换能器互为发射和接收探头，为保证2个方向传输的超声波处于相同的气体流速下，设计时使2个换能器同时向对方发射超声波。

　　图2.超声波沼气流量计BF-3000剖析图

　　（2）优势分析

　　①高精度

　　超声波气体流量计的主要优点之一是高精度，不受气体中固体颗粒和液滴的影响，并且可采用多次反射将声程加长。单通道超声波气体流量计的精度通常在1%至2%的范围内，而通过使用多条路径，它可以达到0.5或更高的精度范围。

　　②测量范围宽

　　超声波气体流量计的量程比很宽，一般可达到20:1，时差法超声波气体流量计的测量范围可达到300:1，可以测到很低的流量。在沼气工程站内流量计量中，超声波气体流量计的低流量测量功能可以适应小型沼气工程供气过程明显的“峰谷”特性。而在民用领域，白天用气高峰和夜间用气低谷气流量差别悬殊，超声波气体流量计测量范围宽的特点也能很好地适应这一点。

　　③极少的压力损失

　　压损是沼气输送存在的主要问题。孔板流量计流体压力损失的主要原因是孔板前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦，它使得流体具有的总机械能的一部分不可逆转地变成了热能，消失在流体内。涡轮流量计依赖转子转速来确定流量，当沼气流经涡轮，引起转子旋转，同样会产生压损。

　　使用超声波气体流量计，不用在流体中安装测量元件，故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行，因而极少或无压力损失，是一种理想的节能型流量计。

　　④计量部件无磨损

　　运动部件主要是涡轮流量计的问题，涡轮流量计的转子，包括轴承，都会受到磨损。化学品和污垢在影响轴承的同时，也会影响涡轮流量计的性能。超声波气体流量计不存在易于磨损的运动部件，可保证长期使用精度不变，与此同时，无机械传动部件也让超声波气体流量计具有低维护特性。

　　⑤低维护，使用成本低

　　无机械传动部件是超声波气体流量计低维护的原因之一，另一个因素则与它本身无磨损有关。孔板流量计随着时间推移不断遭受磨损，导致测量准确性劣化。当流体中存在污垢或任何其它杂质，则尤其如此。因此，孔板式流量计需要定期检查磨损，并确定它们是否仍然读数准确。与之相反的，由于超声波气体流量计不会磨损，并且没有运动部件，维护成本非常低。

　　⑥测量对象广泛

　　超声波气体流量计属于非接触式仪表，由于其测量时不用与被测对象进行直接接触，所以可以对那些诸如高腐蚀性、易挥发性、易燃易爆等具有恶劣性质的对象进行流量测量，而且对设备本身也不会产生损害。正是由于其不受被测对象限制这一特点，给测量工作带来了极大的便利。

　　⑦可同时测量流量、成分

　　为满足我国生物燃气产业的快速发展带来的需求，四方仪器自控自主研发了BF系列超声波气体流量计实现了沼气流量、成分的同时测量，而传统气体流量计均无法完成沼气中CH4体积浓度测量这项重要的功能。

　　三、超声波气体流量计在沼气领域的应用

　　超声波气体流量计是极ng确计量气体的理想解决方案，与传统地测量方式相比，大大降低了成本。同时，仪表的量程比很宽，可以测到很低的流量。超声波气体流量计仪表内置有流量计算机，通过温压补偿，可完成标况流量的转换。耐脏，耐湿，耐磨损等特性，使其广泛应用于天然气管线测量，压缩空气、燃料气、腐蚀性气体、有毒性气体、高纯气体、空分气体、蒸汽计量领域，下面以沼气领域应用为例作简要介绍。

　　1、沼气工程站内流量计量

　　沼气流量是沼气工程运行中的重要参数之一。流量测量值的准确与否，直接影响到沼气工程运行的稳定性和交接计量中双方的经济利益。对含有高水分和高H2S的沼气流量测量，超声波气体流量计较之传统仪表具有更强的抗腐蚀性。

图3.BF-3000在沼气工程现场的应用

　　近年来，物联网信息化管理成为沼气行业发展趋势。四方仪器自控作为业内领xian的沼气工程监测解决方案供应商，率先推出了沼气工程远程监测系统的应用。其中沼气流量测量系统由兼具甲烷浓度与流量测量功能的超声波气体流量计BF-3000、沼气工程控制器两部分构成，可实时监测沼气工程运行数据，如温度、压力、沼气流量、成分等参数，同时沼气工程控制器可将数据传输至沼气物联网监控平台，还可分省、市、县、业主四级网络权限访问，对沼气工程流量数据进行统计报表，包括日、月、季度、年度数据报表，历史趋势分析等，是沼气工程运行、监督的可靠数据来源。

　　2、户用燃气计量

　　超声波气体流量计还可用于入户沼气流量计量，如超声波气体流量计BF-2000、BF-2008，由于超声波气体流量计无皮膜，因此可以承受较高的压力冲击。仪表无机械传动部件，不受机械磨损影响，长期使用精度不变。探头采用特制陶瓷超声波探测器，具有的耐腐蚀性，因而在沼气流量测量中更具优势。

图4.BF-2000在户用燃气计量中的应用

　　相较于传统膜式燃气表，超声波气体流量计在精度、量程、可重复性以及寿命、维护成本上都有着无可比拟的优势，是传统膜式燃气表的**替代品。

　　四、超声波气体流量计的选型

　　如何根据流量、流态、安装要求与环境条件、经济性等因素合理选型，是应用好流量仪表的基础。除了仪表自身质量要得到保证，工艺数据的提供和仪表的安装、使用、维护是否合理也相当重要。具体来说，超声波气体流量计的选型应考虑以下几点：

　　1、额定流量及Zda流量

　　根据工程需要，正确选择超声波气体流量计的流量范围，特别要注意的是超过使用Zda流量的范围时，流量计的误差会变大或者不能计量。计算用气装置的耗气量，应按所装各种燃具的额定流量，考虑增设燃气的可能性及目前各种燃具的同时使用系数。

　　2、流量计设置温压补偿的必要性

　　按照气体状态方程计算，供气温度与标准状态20℃相比较，每降低2.93℃，贸易计量值与标准状态计量值相比较将降低1%，因此，在冬季，特别是平均温度较低的北方城市，温度对计量误差的影响特别突出。同理，按照气体状态方程计算，用户供气压力与标准状态101.325kPa相比较，每升高1.0kPa，贸易计量值约降低1%。所以，上游供气单位贸易结算必须采用带有温度、压力自动补偿功能的智能超声波气体流量计，以保证其计量结果是折算为标准状态（101.325kPa，20℃）下的体积，从而避免温度、压力因素导致的计量误差。超声波气体流量计BF-3000、BF-3000B均具备温度、压力补偿功能，可实现温度、压力、气体标准流量的测量。

　　3、仪表参数和工艺情况的匹配度

　　流量计选型应仔细了解用气设备各流量点与流量计的匹配程度，选择合适的规格，保证使用流量点均落在误差稳定区域。其次，沼气属于易燃易爆气体，因此流量计的防爆等级和防护等级不可忽视。超声波气体流量计BF-3000、BF-3000B（防爆等级：ExibIIAT4Gb，防护等级：IP65），超声波气体流量计BF-2000、BF-2008（防爆等级：ExibIIAT3Gb）均有防爆等级和防护等级认证，仪表具备灰尘封闭、防护射水、防爆特性，是安全利用的前提和基础。

　　4、仪表生产厂家的研发、生产及售后能力

　　在选型时，除要综合考虑流量计的投资、维修及定期检验等费用外，选择有实力的厂家也是至关重要的，这样才能保证流量仪表产品的先进性与稳定性，以及售后的及时性。

　　四方仪器自控拥有建筑面积22000平米的气体传感器及气体分析仪器仪表生产基地，4500平米的技术研发ZX，建设有环境实验室、流量实验室、压力标定室、光学实验室等，拥有各类研究开发及产品可靠性测试设备300余台/套，具备给知名大型企业提供完整配套的服务经验与能力。公司凭借母公司武汉四方光电传感器生产水平，及自身标准化整机制造能力，专业化的技术设备咨询、服务体系，使得超声波气体流量计的国产化批量生产在始终保持低单位成本以及高质量水平的同时，还可为客户提供专业及时的售后服务。

　　五、结语

　　超声波气体流量计在进行气体测量时，能够满足低压、流量波动大的气体计量要求，并且具有较高的测量极ng确性。超声气体流量计没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性的问题，其声道长度，声道角及管道横截面面积是恒定的参数；也没有引压管线之类易引起故障的部件，大大降低了计量装置故障的发生概率，延长了计量设备的寿命，避免了一些不必要的计量纠纷，这对提升计量准确性，公平性，也是十分有益的。