一種民用燃氣能量計量裝置及方法與流程
2023-06-14 08:02:46 1
本發明涉及高效建築節能領域，尤其涉及一種民用燃氣能量計量裝置及方法。
背景技術：
作為供給居民生活、商業(公共建築)和工業企業生產作燃料用的公用性質的燃氣，一般包括天然氣、液化石油氣和人工煤氣。隨著國家節能減排政策、城市燃氣管網普及和「西氣東輸」工程的順利實施，天然氣很快成為城市燃氣中的最為重要的來源。天然氣是一種多組分的混合氣態化石燃料，主要成分是可燃氣體烷烴，其中甲烷佔絕大部分，另有少量的乙烷、丙烷、丁烷，以及少量的氮氣、二氧化碳等非可燃性氣體。燃燒後幾乎無粉塵、硫化物的產生，具有安全、熱值高、潔淨等優點。
天然氣更多地被用作燃料，其作為清潔燃料的核心價值在於供出的發熱量。不同氣田的天然氣每個組分含量並不相同，不同國家的天然氣組分含量也可能有所不同，即使是同一地區、同一氣田的天然氣各個開採階段其成分也可能不同。由於組分的差異，同樣體積的天然氣所產生的能量是不同的。現階段民用燃氣多通過皮膜式燃氣表計量燃氣的體積，燃氣公司與用戶通過燃氣的體積進行結算，燃氣的體積在不同的溫度和壓力下也會發生一定的變化。天然氣銷售使用的實質是天然氣的能量，而不是體積。因此通過現行的體積量結算的方式無法準確、直觀的體現天然氣作為能源的價值，不利於資源的合理利用和有效配置，對供需雙方也是不合理的。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種民用燃氣能量計量裝置及方法，不僅能準確計量燃氣的供氣體積，而且能對燃氣的供氣體積實現溫度和壓力修正，進而實現燃氣的能量計量。
為了實現上述目的，本發明採用下述技術方案：
民用燃氣能量計量裝置，包括上表殼和下表殼，所述的上表殼設於下表殼的上部，所述的下表殼的內部橫向安裝有超聲波測量管道，所述的超聲波測量管道的一端與進氣口連通，所述的超聲波測量管道的另一端與出氣口連通；所述的超聲波測量管道的內部設有一對斜向布置的超聲波換能器，所述的上表殼的內部設有壓力傳感器和溫度傳感器。溫度傳感器和壓力傳感器實時採集燃氣的溫度和壓力，超聲波燃氣表將燃氣的供氣體積進行溫度壓力修正，得到燃氣在標準狀態下的體積。同時在已知燃氣的摩爾組成時，通過計算求得燃氣的熱值，進而求得用戶所消耗的燃氣能量。
所述的超聲波換能器設於超聲波測量管道的兩端內部，用於交替發射和接收對方的超聲波信號，採集超聲波順逆流時差，進而得到燃氣的體積。
所述的超聲波測量管道內部為矩形腔體，所述的矩形腔體內設有五層等間距的導流片，用於均勻來流燃氣，提高測量精度。
所述的進氣口和出氣口垂直於超聲波測量管道，所述的進氣口和出氣口延伸至上表殼的上部。
民用燃氣能量計量裝置的計量方法為：
燃氣經進氣口進入燃氣能量計量裝置內部，後流經超聲波測量管道，並在導流片的整流作用下，使得流經矩形腔體內部由於五個導流片分割成的六個小腔室內的來流分布均勻；此時，一對斜向布置的超聲波換能器交替發射和接收對方的超聲波信號，採集時差得到燃氣在供氣狀態下的體積流量qg，溫度傳感器採集溫度Tg，壓力傳感器採集壓力Pg；
燃氣在標準狀態下的體積qn為：
qn＝qg(Pg/Pn)(Tn/Tg)(Zn/Zg) (1)
其中，Pn為燃氣在標準狀態下的壓力，Tn為燃氣在標準狀態下的溫度，Zn為標準狀態下的天然氣壓縮因子，Zg為供氣狀態下的天然氣壓縮因子；
一般天然氣在管道內的供氣壓力為2000-3000Pa，城市供氣管道內處於低壓時，壓縮因子變化不大，即：
Zn/Zg＝1 (2)
將(2)式代入(1)式得：
qn＝qg(Pg/Pn)(Tn/Tg) (3)
將燃氣視作理想氣體，理想氣體的狀態方程為：
pV＝mRgT (4)
其中，
其中：p為壓強，T為絕對溫度，M為混合物的摩爾質量，Mi為組分i的相對分子質量，xi為組分i的摩爾分數，R為通用氣體常數，Rg為混合物的氣體常數，m為燃氣的質量，N為燃氣各個組分的總數；
在已知來流燃氣的摩爾組成時，通過公式(4)—公式(6)實現燃氣的體積計量向燃氣的質量計量的轉換；
燃氣的質量發熱量H為：
其中：Hi為組分i的質量發熱量。
故燃氣的能量計量通過下式實現：
E＝m·H (8)
其中：E為用戶消耗的燃氣能量。
本發明的有益效果：
本發明的燃氣能量計量裝置內部的溫度、壓力傳感器實時採集燃氣的溫度和壓力，超聲波燃氣表將燃氣的供氣體積進行溫度壓力修正，得到燃氣在標準狀態下的體積；不僅能準確計量燃氣的供氣體積，而且能對燃氣的供氣體積實現溫度和壓力修正，進而實現燃氣的能量計量。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為本發明的超聲波測量管道的主視圖；
圖3為本發明的超聲波測量管道的左視圖；
圖4為本發明的超聲波測量管道的俯視圖；
其中，1-上表殼，2-下表殼，3-進氣口，4-出氣口，5-壓力傳感器，6-溫度傳感器，7-超聲波測量管道，8-超聲波換能器，9-超聲波信號傳播路徑，10-導流片。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
如圖1-圖4所示，民用燃氣能量計量裝置，包括上表殼1和下表殼2，所述的上表殼1設於下表殼2的上部，所述的下表殼2的內部橫向安裝有超聲波測量管道7，所述的超聲波測量管道7的一端與進氣口3連通，所述的超聲波測量管道7的另一端與出氣口4連通；所述的超聲波測量管道7的內部設有一對斜向布置的超聲波換能器8，所述的上表殼1的內部設有壓力傳感器5和溫度傳感器6。溫度傳感器6和壓力傳感器5實時採集燃氣的溫度和壓力，超聲波燃氣表將燃氣的供氣體積進行溫度壓力修正，得到燃氣在標準狀態下的體積。同時在已知燃氣的摩爾組成時，通過計算求得燃氣的熱值，進而求得用戶所消耗的燃氣能量。
所述的超聲波換能器8設於超聲波測量管道7的兩端內部，用於交替發射和接收對方的超聲波信號，採集超聲波順逆流時差，進而得到燃氣的體積。
所述的超聲波測量管道7內部為矩形腔體，所述的矩形腔體內設有五層等間距的導流片10，用於均勻來流燃氣，提高測量精度。
所述的進氣口3和出氣口4垂直於超聲波測量管道7，所述的進氣口3和出氣口4延伸至上表殼的上部。
民用燃氣能量計量裝置的計量方法為：
燃氣經進氣口3進入燃氣能量計量裝置內部，後流經超聲波測量管道7，並在導流片10的整流作用下，使得流經矩形腔體內部由於五個導流片10分割成的六個小腔室內的來流分布均勻；此時，一對斜向布置的超聲波換能器8交替發射和接收對方的超聲波信號，採集時差得到燃氣在供氣狀態下的體積流量qg，溫度傳感器採集溫度Tg，壓力傳感器採集壓力Pg；
燃氣在標準狀態下的體積qn為：
qn＝qg(Pg/Pn)(Tn/Tg)(Zn/Zg) (1)
其中，Pn為燃氣在標準狀態下的壓力，Tn為燃氣在標準狀態下的溫度，Zn為標準狀態下的天然氣壓縮因子，Zg為供氣狀態下的天然氣壓縮因子；
一般天然氣在管道內的供氣壓力為2000-3000Pa，城市供氣管道內處於低壓時，壓縮因子變化不大，即：
Zn/Zg＝1 (2)
將(2)式代入(1)式得：
qn＝qg(Pg/Pn)(Tn/Tg) (3)
將燃氣視作理想氣體，理想氣體的狀態方程為：
pV＝mRgT (4)
其中，
其中：p為壓強，T為絕對溫度，M為混合物的摩爾質量，Mi為組分i的相對分子質量，xi為組分i的摩爾分數，R為通用氣體常數，Rg為混合物的氣體常數，m為燃氣的質量，N為燃氣各個組分的總數；
在已知來流燃氣的摩爾組成時，通過公式(4)—公式(6)實現燃氣的體積計量向燃氣的質量計量的轉換；
燃氣的質量發熱量H為：
其中：Hi為組分i的質量發熱量。
故燃氣的能量計量通過下式實現：
E＝m·H (8)
其中：E為用戶消耗的燃氣能量。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。