摘要：分析了温度和压力对膜式燃气表计量误差的影响，提出了温度压力补偿的技术措施，探讨了电子温度补偿膜式燃气表和机械式温度补偿膜式燃气表的结构、补偿原理和特点。
关键词：膜式燃气表；供销差率；机械补偿；温度补偿；压力补偿
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 温度和压力补偿的必要性
燃气公司与居民用户的结算，几乎都是通过没有温度、压力补偿功能的膜式燃气表计量用气量。由于燃气的可压缩性和膨胀性，计量结果均应折算为标准状态下(20℃，101.325kPa)的体积[1]。而实际上膜式燃气表是在非标准状态下工作，因此产生了计量误差。在国内大部分地区，非标准温度、压力影响的最终结果是燃气公司承担损失，对于用气量较大的商业用户和居民用户，燃气公司的损失气量更大[2]。
2 温度和压力对计量误差的影响
理想气体状态方程见式(1)。
式中p1、p2——1、2状态下的气体绝对压力，Pa
V1、V2——1、2状态下的气体体积，m3
T1、T2——1、2状态下的气体热力学温度，K
假设1状态为标准状态，2状态为燃气公司与用户的结算状态(即膜式燃气表的使用状态)。p1=101.325kPa，T1=293.15K，燃气公司的户内管道运行压力大都在2kPa左右，故取p2=103.325kPa，当温度降低1℃，即T2=292.15K，则V2=0.9773V1。即使用膜式燃气表时，气体温度降低1℃，体积比标准状态时减少2.27%。
由于膜式燃气表没有温度补偿，所以低于20℃的燃气通过膜式燃气表时，计量值偏小，产生计量误差。气体温度降低1℃，燃气公司的计量损失达到2.27%，气体温度降低10℃将使计量损失达到5.28%。可见冬季温度对膜式燃气表计量误差的影响特别突出，计量损失较大。
3 温度和压力引起的计量损失分析
为研究温度和压力对供销差率[3]的影响程度，选择我国北部、中部、南部的3个城市(廊坊市、开封市、长沙市)进行计量损失的近似计算，以便于对比。3个城市的年平均气温均低于20℃。
假设3个城市均有某居民用户每天用气2h，用气量为1.6m3/h，总用气量为1168m3/a。尽管居民用气的价格有地区差异，但均按2元/m3近似计算，则每年的燃气费用是2336元。针对该居民用户，近似计算在相同的用气量下，温度和压力导致的各城市的计量损失和经济损失，见表1。
表1 温度和压力引起的计量损失和经济损失
|
城市
|
夏季平均气温/℃
|
冬季平均气温/℃
|
年平均气温/℃
|
计量损失/%
|
损失的
燃气体
积(m3·a-1)
|
损失金额/(元·a-1)
|
|
廊坊
|
26.07
|
-0.06
|
13.34
|
4.21
|
49.17
|
98.34
|
|
开封
|
26.23
|
2.11
|
15.65
|
3.44
|
40.18
|
80.36
|
|
长沙
|
29.O0
|
6.00
|
18.58
|
2.46
|
28.73
|
57.46
|
天然气灶前温度基本等于经过膜式燃气表的天然气温度。王杏芳等人[4]曾对杭州市天然气灶前温度和气温进行了实测分析，认为：一般4月—8月天然气月平均温度比月平均气温低1～2℃，11月—次年2月天然气月平均温度比月平均气温高约1～2℃。全年天然气平均温度与平均气温基本相等，故可采用年平均气温代替天然气温度计算计量损失。北方冬季时间较南方长，采用年平均气温进行计算增大了计量损失，偏差程度需要根据具体城市的气温进一步实测分析。
由表1可知，温度对膜式燃气表的计量误差影响较大，尤其是冬季的影响最大。若燃气企业采取户外集中挂表的方式，应高度重视温度的影响，采取各种形式进行补救，如使用具有温度修正功能的膜式燃气表，对现有户外挂表采取外覆隔热材料等，防止冬季出现较大的供销差率。使用具有温度修正功能的膜式燃气表，应根据当地气温等条件进行选择。
某地新奥燃气公司的月供销差率见表2。可以看出，供销差率基本随温度同步变化。在冬季低温时，供销差率最大。12月、1月和2月温度较低，用气量骤增。膜式燃气表计量的燃气体积偏小，而购气的总计量表是带有温度压力补偿的工业燃气表，计量值为标准状态下的燃气体积，因此供销差率较大。夏季计量的燃气体积偏大，但与冬季相比，温差(实际温度与20℃之差)不完全相等㈧，且冬夏季的用气量也不相等，造成全年的计量损失仍然存在。
表2 月供销差率
|
月份
|
供气量/m3
|
销气量/m3
|
供销差率/%
|
|
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 温度补偿技术
采用温度和压力补偿技术，使计量体积修正到温度为20℃、绝对压力为103.325kPa时的体积，则计量损失可以降到最低。压力补偿可在膜式燃气表出厂时直接设定。
目前民用膜式燃气表温度补偿的途径主要有两种：一种是增加电子温度补偿装置，另一种是采用热敏双金属材料进行机械补偿。
① 电子温度补偿
在IC卡预付费膜式燃气表上增加电子温度补偿装置，测温元件实时测温和补偿，通过预付费和温度补偿功能的组合，方便用气的管理。
目前国内已开发了此类型膜式燃气表，IC卡预付费的功能可选[5]。这一技术比较成熟，可靠性较高。温度补偿的燃气表表壳内设有中央控制处理单片机，分别连接着温度传感器、控制燃气通断的电动阀，与燃气表的计数器连接并获取用气量信号的采样传感器。读取购气卡上的购气量反馈给中央控制处理单片机的读卡器，显示累计用气量的显示器，存储温度、用气量和购气量数据的存储器以及电源。
电子温度补偿膜式燃气表的优点是修正精度高，实时修正，效果好，有科学的实验数据支持；缺点是燃气表价格高，且增加了安装成本。
② 机械补偿
国内已有不少厂家开发了机械温度补偿膜式燃气表，可在低温环境下使用，修正因温度低导致的计量偏差。
机械式温度补偿结构是采用热敏双金属弹簧作为温度敏感元件。热敏双金属是多层复合材料，由至少两种具有不同热延展率的材料组成。延展率的差异性使热敏双金属随温度变化产生弯曲，热敏双金属材料会储存并释放弯曲变形能量，通过机械结构，调整膜式燃气表膜片的行程，改变膜片的回转体积，补偿温度产生的计量误差，达到修正燃气表的目的。
市场上的机械式温度补偿膜式燃气表有两种：一种是滑阀为往复式结构，另一种是滑阀为旋转式结构。
a. 滑阀为往复式结构
滑阀为往复式结构的机械式温度补偿膜式燃气表是传统式结构，体积较大，见图1。
主要包括大拉杆、小拉杆、立轴和膜片等。大拉杆与立轴连接，立轴经折板与膜片连接，大拉杆上连接有一个热敏双金属片的大拉杆支架，该大拉杆支架经调节杆与小拉杆连接来实现温度补偿。温度变化时，大拉杆支架发生形变，带动大拉杆位置偏移，大拉杆和折板绕立轴的旋转角度发生变化，引起折板带动平行板的位移变化，导致膜片回转体积变化，计数装置的数值就发生变化。
b. 滑阀为旋转式结构
滑阀为旋转式结构的机械式温度补偿膜式燃气表是新型结构，体积小，结构简单紧凑，见图2。
主要包括转阀、芯轴盘、拨叉、变位轴等。其特殊之处是芯轴盘与转阀连接，芯轴盘上连接有热敏螺旋弹簧片和具有内、外叉的拨叉。变位轴置于拨叉外叉，拨叉内叉位于热敏螺旋弹簧片外端，故温度升高或降低，热敏螺旋弹簧片外张或内缩，推动拨叉，带动变位轴向外或向内摆移，增加或减小与转阀轴心的偏心尺寸，由此改变表内膜片的运动行程，实现温度补偿。
机械式温度补偿膜式燃气表成本较低，但由于目前未实现大批量应用，没有有效的应用数据来证明补偿效果，因此使用效果短期无法得到证实。
5 结论
① 与标准状态相比，实际使用压力高和环境温度低使膜式燃气表产生了计量损失，尤其是冬季供气温度低对计量误差的影响特别突出，燃气公司的计量损失较大。
② 机械式温度补偿膜式燃气表，相对于电子温度补偿膜式燃气表投入少、效益突出，值得燃气公司考虑，但其稳定性有待考察和研究。如果考察合格，可替代现有的膜式燃气表，在户外集中挂表时采用。
③ 电子温度补偿膜式燃气表精度高，实时修正，效果好，但投入费用较高，燃气企业可根据当地的平均环境温度等情况，采取措施降低成本后采用，减小供销差率。
参考文献：
[1] 四川石油管理局天然气研究院，四川石油管理局勘察设计院.GB 17820—1999天然气[S].北京：中国标准出版社，1999：1.
[2] 康逸.浅谈工商用膜式燃气表采用温度补偿装置的必要性[J].城市燃气，2006(增刊)：16-17.
[3] 孙晓文.燃气流量计选型对供销差率的影响[J].煤气与热力，2008，28(8)：B05-B06.
[4] 王杏芳，李恒敬，严益剑.天然气灶前压力和温度对供销差率的影响[J].煤气与热力，2007，27(10)：46-49.
[5] 康逸.预付费温度补偿煤气表：中国，200820062573.7[P].2009-04-01.
(本文作者：王海芳1 于航2 李树旺1 姚海玉3 张娅玲1 王长林1 王健3 高铸1 1.新奥能源控股有限公司 河北廊坊 065001；2.威海港华燃气有限公司 山东威海 264200；3.中国石油天然气管道局海洋工程分公司 河北廊坊 065000)
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