膜式燃气表户外挂实验研究

摘 要

1 前言 郑州市自1986年开始使用天然气以来，经历23年的发展，年供气规模已达到近5亿m3，民用户近90万户。家用燃气表过去一直采用户内安装方式，近几年为方便用户，也为了便于管理、
1 前言
   郑州市自1986年开始使用天然气以来，经历23年的发展，年供气规模已达到近5亿m3，民用户近90万户。家用燃气表过去一直采用户内安装方式，近几年为方便用户，也为了便于管理、防止偷盗气等原因，郑州燃气大力推行户外挂表安装方式，目前户外挂表已经占有近20%的比例。温度参数对气体计量的影响十分敏感，计量时的燃气温度是由燃气的原有温度、表前管道和表体与周围环境温度的换热程度所决定的，表前管道越长越接近于周围环境温度，必然影响到计量，周围环境温度对计量的影响有多大？而且，不同厂家不同型号的燃气表的哪一种对温度的反应最为敏感？另外，现已有部分厂家为适应户外挂表的需求，开始推出机械温度补偿表这一新产品，其计量效果如何？以上这些问题是值得我们进行研究的。
2 研究目的
    此次实验，我们无意将任何一个品牌的燃气表分出性能优劣，仅是希望通过此次实验我们能够对以下问题得到解答：
    (1) 选取典型表，经过模拟不同流量点运行后，各表的计量特性有无变化及特点。
    (2) 以户外挂的方式，经过一个自然年份的温度变化，各种仪表其计量结果的差异。
    (3) 在户外不同温度条件下，各类燃气表的计量特性或误差。
    (4) 户外挂表计量所造成的燃气购销差。
3 规程依据
《膜式煤气表检定规程JJG577—2005》
4 实验方法与计划步骤
    (1) 实验气源压力，模拟用户灶前压力2700Pa。
    (2) 选取典型表型作为测试对象，该典型表应十分普及。
表1
生产厂家
规格型号
数量
甲公司
补偿表2.5m3/h
4台
J型表2.5m3/h
6台
乙公司
G型表2.5m3/h
5台
改进型2.5m3/h
5台
    (3) 实验前，在实验室对所选表具进行误差和重复性测试。
    (4) 将被检表分为A、B、C、D4个实验组。每组5台表，其中作为参照标准表的一台，放入实验室内，另外4台表置于室外表箱，模拟户外挂表。
    (5) 使用多路温度巡检仪，分别记录：实验室室内温度、户外温度、户外表气体进口温度。
    (6) 测量每块表的进气压力。
    (7) 将流量调节装置设在户外实验表末端，参照普通居民用气量，分别将4组实验表的流量按表2进行设定：
表2
组别
流量(m3/h)
对应流量点
流量选取说明
A
0.8
0.2Qmax
模拟家用双眼灶同时工作时的最大流量
B
0.6
0.15Qmax
模拟家用双眼灶同时工作时一大一小火力时的燃气流量
C
0.4
0.1Qmax
模拟家用双眼灶只使用单眼时的最大流量
D
2.5
0.6Qmax
模拟家用双眼灶与8L燃气热水器同时工作时的最大流量
    (8) 每日抄表一次，间隔24小时，抄表时间固定为8:30。
    (9) 实验时间2008年12月～2009年11月。
    (10) 实验结束后，在实验室对参加实验的表再次进行误差和重复性检测
    (11) 数据分析。
5 试验组别分类
共分为4组，每组表型的配合与代号见表3
表3 试验组别
组别
户内表
户外表
A
改进型2.5
 A0
J型2.5
A1
改进型2.5
A2
补偿型2.5
A3
G型2.5
A4
B
J型2.5
   B0
J型2.5
B1
改进型2.5
B2
补偿型2.5
B3
G型2.5
B4
C
J型2.5
    C0
J型2.5
C1
改进型2.5
C2
补偿型2.5
C3
G型2.5
C4
D
G型2.5
DO
J型2.5
D1
改进型2.5
D2
补偿型2.5
D3
G型2.5
D4
6 实验数据统计与分析
6.1 数据统计
    (1) 温度统计
    通过一个自然年份的温度记录(2008.12～2009.11)，我们得知，在这一年度内，日最高气温出现在6月25日，37.2℃，日最低气温出现在1月24日，-1.6℃；月平均最高气温为7月，30.9℃，月平均最低气温为1月，3.15℃。
    此模拟实验目的在于模拟燃气表在户外的实际工作状态，由于缺少燃气实际温度数据和燃气与周围环境的热交换数据，故只对压力的影响进行修正。
    (2) 流量统计
    由于选取样本有限，我们在进行流量统计时，分别对4种表型的计量误差进行了修正。我们将流量数据按照以月为单位进行分类统计。每块表的累计流量同本组第一块表(即参照标准表)的累计流量相比较，进行误差计算，并绘制出曲线图(其中最后一个点为全年流量总的累计误差)。
6.2 数据分析
(1) 同种型号不同流量点的比较，见图1。
 
    由图1可以看出，这4种表型在流量不同时，误差是不一样的。总体来看，小流量(0.1Qmax)误差最大，大流量(0.6Qmax)误差最小，且与温度变化相关，如在第2点(对应1月份)，都有一个骤然下降过程，尤其是小流量误差曲线最为明显，主要原因是温度下降导致。同时也可以看出，小流量时对温度最为敏感，随着流量的增大，曲线越平缓，对温度的敏感度越低，这是一个值得关注的现象。
   通过表4我们看到，补偿表在低温时确实具有温度补偿功能，最低不超过-18%，随着温度升高，其仅在温度最高时的7月份且在流量点0.15Qmax时变为正误差，其余时间和各流量点均在零轴以下运行。相对来说，G型2.5型波动区间最大，对温度变化最敏感。
表4 4种表型的温度对流量的影响
 
J型2.5
改进型2.5
补偿型2.5
G型2.5
波动区间
-20%～+3%
-19%～+4%
-18%～+0.2%
-20%～+5%
误差变化率/度
0.82%
0.82%
0.65%
0.89%
(2) 同一流量点不同表型的比较，见图2。
 
    很明显，补偿表(第3台表)相对普通表曲线波动平缓，对温度最不敏感，但其流量点的累计误差表现的不尽人意。相较而言，改进型2.5型表(第2台表)的误差是4种表中最好的，其各流量点的误差均小于其他3台表。同时也可看出，各表型随着流量的增大，其误差呈现减小趋势。
    另外，补偿表在0.2Qmax以上流量条件下，随着温度升高有背离趋势，尤其在春秋季更为明显，这一点需要向厂家进一步了解，分析。
    不同流量条件下对温度的敏感度是不一样的，一年中流量误差随温度波动的区间范围有很大差别。流量越小，峰谷差越大，对温度敏感度越高，流量在0.2Qmax以上时，对温度的敏感度相近。
表5 4种表型的全年流量误差
全年误差
J型2.5
改进型2.5
补偿型2.5
G型2.5
0.1Qmax
-10.33%
-9.45%
-9.7%
-10.43%
0.15Qmax
-2.74%
-2.29%
-2.6%
-3.39%
0.2Qmax
-5.42%
-4.32%
-4.71%
-5.01%
0.6Qmax
-2.78%
-2.04%
-2.39%
-2.76%
表6 4种表型的温度
 
0.1Qmax
0.15Qmax
0.2Qmax
0.6Qmax
波动区间
-20%～+2%
-8%～+5%
-9%～+2%
-7%～+4%
误差变化率/度
0.78%
0.46%
0.39%
0.39%
    (3) 不同季节气候条件下，燃气表的误差特性
    为验证上面的分析结果，我们将全年根据气象学所称的冬季(10℃以下)、春秋季(1O℃～22%之间)、夏季(22℃以上)划分为3个时间段，并将此时间段内的累计流量进行统计和误差曲线绘制。
   其中，冬季133天，夏季110天，春秋两季合计122天。通过不同流量条件下绘制的12张误差曲线图，结果见表7、表8、表9，可以得出以下结论：
    a. 从整体来讲，温度补偿表的曲线相对于普通表在低温时与零轴距离最近，实际工况下补偿效果较好，冬季尤为明显。同时也可以清晰的看到，温度补偿表无论哪个季节，误差始终处于负值，尤其在春秋季出现与温度背离，所造成的结果是流量计量一直“跑慢”。因此，该类表有待技术改进。
表7 冬季误差
冬季误差
J型2.5
改进型2.5
补偿型2.5
G型2.5
0.1Qmax
-13.53%
-12.63%
-11.27%
-13.6%
0.15Qmax
-5.03%
-4.62%
-3.25%
-6.17%
0.2Qmax
-7.94%
-7.33%
-4%
-7.77%
0.6Qmax
-5.31%
-4.84%
-2.19%
-5.73%
表8 夏季误差
夏季误差
J型2.5
改进型2.5
补偿型2.5
G型2.5
0.1Qmax
0.0014%
0.52%
-4.4l%
-0.2%
0.15Qmax
3.31%
2.88%
-0.6%
2.98%
0.2Qmax
-1.25%
0.51%
-4.82%
-0.79%
0.6Qmax
1.25%
3.45%
-2.12%
1.89%
表9 春秋季误差
春秋季误差
J型2.5
改进型2.5
补偿型2.5
G型2.5
0.1Qmax
-6.48%
-5.4%
-7.99%
-6.58%
0.15Qmax
-1.31%
-0.92%
-2.63%
-1.92%
0.2Qmax
-4.71%
-3.41%
-5.63%
-4.03%
0.6Qmax
-2%
-1.25%
-2.9%
1.84%
    b. 普通表的误差曲线，完全随着温度的变化而变化，呈正相关。春秋季、冬季均为负误差，只有夏季为正误差，与全年的总计量误差为负值相印证，符合气体对温度的变化规律。
    c. 以上各表型在0.15Qmax流量点时，不管何种季节与其他流量点相比均为较好值，值得关注。
7 结论
7.1 各类表的质量比较
(1) J型2.5有跑快趋势，6块表中有1块严重超差，在0.6Qmax时为+20%，在0.2Qmax时为-19%，估计已经损坏。其余5块在规定范围内。在实验过程中共计发现2次在紧邻2天中，突然出现超出正常的峰谷值，之后归于正常的现象，峰谷值的平均值与前后数据相比是合理的。主要在冬季小流量条件下发生。
(2) G型2.5有跑慢趋势，5块表均在规定误差范围内。在实验过程中共计发现9次在紧邻2天中，突然出现超出正常的峰谷值，之后归于正常的现象，峰谷值的平均值与前后数据相比是合理的。主要在0.15Qmax流量条件下发生。
(3) 改进型2.5有跑慢趋势，但没有G型表明显，5块表均在规定范围内，且误差特性要好于G型。在实验过程中共计发现7次在紧邻2天中，突然出现超出正常的峰谷值，之后归于正常的现象，峰谷值的平均值与前后数据相比是合理的。主要在小流量条件下的春秋季发生。
(4) 补偿型2.5均有跑慢趋势，实验过程中损坏2块，共计使用了6块。各检定流量点无论在实验前后均有超差现象，若使用这类表，初次检定就不合格。在实验过程中共计发现3次在紧邻2天中，突然出现超出正常的峰谷值，之后归于正常的现象，峰谷值的平均值与前后数据相比是合理的。主要在大流量条件下发生。
7.2 各类表所造成的计量偏差影响
目前郑州市的民用户近90万户，每户每月平均理论用气量15m3。由于各个用户的用气习惯不同，无法得知其实际使用天然气时的流量参数，对此，我们将各流量点的示值误差进行累计，而后得出修正误差。
郑州市目前主要使用J型2.5和G型2.5这两种表，数量相当。若以这两种表的平均误差为0，就得到补偿表和改进表分别多计量2.03%和3.33%(见表10)，若更换为此两种新表型，则平均每户每年可多计量3.7m3和6m3，经济效果并不明显。并且，这两种新型表的计量性能还不太稳定，在实验过程中发现易于损坏和计量性能突变次数频繁现象，质量方面有待进一步提高。
表10 各类表的全年误差
全年误差
0.1Qmax
0.15Qmax
0.2Qmax
0.6Qmax
修正误差
J型2.5
-10.33%
-2.74%
-5.42%
-2.78%
0
改进型2.5
-9.45%
-2.29%
-4_32%
-2.04%
3.33%
补偿型2.5
-9.7%
-2.6%
-4.71%
-2.39%
2.03%
G型2.5
-10.43%
-3.39%
-5.01%
-2.76%
0
7.3 关于各型式燃气表应用的一些看法
(1) 小流量条件下即0.4m3/h流量，温度敏感度最强，流量误差也最大，所以，经常使用小流量的用户建议安装使用1.6m3/h及以下的表型。
随着天然气的预期涨价，使用燃气热水器或燃气壁挂炉的用户会相对减少，转而使用电能、太阳能等热水器，这些用户可视为小流量用户，因此，推广使用小流量仪表对燃气公司是有利的。
(2) G型2.5型对温度变化最敏感，不建议将此型表列入户外表，安装在户内较为有利，尤其对大流量用户更是如此。
(3) 户外挂表的用表选择
从技术角度，通过前面流量误差的分析，我们认为户外挂表还没有较优的选择。在温度不同的条件下，各型表在各个流量点均有优缺点，而用户的用气习惯也是干差万别，那么，在户外挂表选型之前，应抽取充分的样本进行本地模拟实验，得到可靠数据后再做选择。
从经济角度，无论是补偿型还是改进型表的价格肯定要比普通型高，燃气公司作为一个经济组织，需要统筹考虑。
 
(本文作者：尚旭 柴峰 付峰利 郑州华润燃气有限公司 450006)