引言

瓦斯发电是新能源开发与利用的重要途径之一，现已广泛应用。瓦斯发电所需的瓦斯气一般由煤矿或煤层气公司提供，但是瓦斯发电厂的瓦斯气供需双方在用气量贸易结算时，一直没有一套准确、可靠的计量系统，只能被动地从发电量大致反推出用气量。输送瓦斯气管道直径较大（一般φ400mm以上），瓦斯气含大量水，空气含量不定，管道压力较低且变化，温度、流速变化较大。贸易结算计量要求计量器具必须不受上述因素影响。目前，常规的孔板流量计、V锥流量计、各式巴类流量计、标准差压流量计、涡街流量计、热式流量计、旋进旋涡流量计等，受各自测量原理限制，都不能达到要求。气体涡轮流量计虽然可以作为贸易结算的计量器具，但瓦斯气中含煤粉杂质，仪表长期运行对叶轮有磨损，显然也不适合贸易结算计量使用。而且气体涡轮流量计一般应用于中小直径管道计量，在大直径管道很难应用。另外在准确计量含水混气流量的基础上，计量系统需要进一步实时、准确地计算出混气中纯瓦斯量，且计算不受浓度变化、水分含量等影响，而市面上通用积算仪无法满足要求，需要针对现场实际情况定制合适的瓦斯折纯积算仪。为此，本文提出了以插入式气体超声流量计、激光CH4浓度传感器、瓦斯折纯积算仪等为核心，组建一套全新的瓦斯计量系统，可适用于大管径管道、压力/温度/流速变化大、含水瓦斯混气的纯瓦斯准确计量，为瓦斯气供需双方的贸易结算提供直接、可靠的数据。

 

1计量系统总体设计

计量系统以插入式气体超声流量计（流量计内含温度传感器及压力传感器）为核心，气体超声流量计采集混合气体的瞬时及累计体积流量值，并通过RS485数字通信口将采集的混合气体标况及工况流量累计值和瞬时值传输至瓦斯折纯积算仪。激光CH4浓度传感器采集混合气体瓦斯浓度值，也是通过RS485数字通信口将采集的瓦斯浓度值传输至折纯积算仪。折纯积算仪为定制产品，将流量累计值与浓度值相乘，计算出1个采集周期内标况（温度20℃，压力101.325kPa）及工况下的纯瓦斯累积体积流量，然后进行数据存储，并随时可供用户查询、导出数据。瓦斯折纯积算仪具有扩展RS485通信接口，可与远程无线抄表模块连接，配合抄表软件，用户通过电脑或手机进行远程无线抄表。计量系统结构框图如图1所示。

 

2系统构成

（1）气体超声流量计

气体超声流量计工作原理采用时差法。根据超声波束在气体介质中的沿顺流与逆流方向传输时间差与气体介质的轴向平均流速有关，计算出气体流速，再乘以管道的横截面积，得出气体体积流量。它具有测量不受气体密度/压力/温度等影响、测量量程宽、测量下限流速低、测量不受管道直径限制、日常维护方便等优点，尤其是其测量不受管径大小及瓦斯混气含水量大小影响，这是很多常规气体流量计所不具备的特点。本文计量系统采用的是LJS100/850Q型插入式矿用隔爆兼本安型气体超声流量计，采用插入式探头，防爆等级Exd[ia]IMb，测量精度1.0级，适用口径DN50～3000mm。（2）压力及温度传感器

气体超声流量计本身具有压力和温度传感器2个接口，实时采集管道内压力及温度值，然后根据所得的压力及温度值，把工况瓦斯混气累计体积流量转换为标况累计流量，以便于贸易结算使用。

（3）激光CH4浓度传感器

CH4浓度传感器常见的有催化燃烧式、红外检测式、激光检测式等。3种传感器的性能比较如表1所示。本计量系统选用性能非常优的矿用全量程激光

CH4传感器GJG100J(B),较好地解决了高温、高湿条件下测不准和校验周期短等问题，保证CH4浓度实时、高精度地测量。

由于管道瓦斯含水量大、管道压力较低，CH4传感器进气端必须装配合适的水气分离装置，既要保证水汽不能进入测量气室、不能附着滤网孔阻塞进气孔，又要保证管道压力较低情况下瓦斯气体能顺畅地进入测量气室。这也是保证计量系统能准确测量含水混气浓度的关键之一。

（4）瓦斯折纯积算仪

瓦斯折纯积算仪根据现场情况定制，实时采集1个周期内气体超声流量计的标况及工况累计流量值和混气浓度值，然后二者相乘，计算出标况及工况

纯瓦斯累计体积流量。它可液晶显示瞬时流量、工况瓦斯累计量、标况瓦斯累计量、瓦斯浓度、压力、温度等，可实现数据记录、查询及导出，采用触摸屏操作、RS485数字通信。

（5）远程无线抄表系统

远程无线抄表系统一般由4G无线通信模块及远程通信采集软件构成，4G无线通信模块通过RS485通信口与瓦斯折纯积算仪通信，将瓦斯折纯积算仪的数据利用移动网络传至客户端，客户端通过电脑或手机远程获得计量数据。

 

3系统设计要点

（1）准确性

LJS100/850Q型矿用隔爆兼本安型气体超声流量计测量精度可达±1%，是气体流量计中测量精度较高的。CH4浓度传感器采用高精度、稳定性好的GJG100J(B)型煤矿管道用激光CH4浓度传感器。为保证采集数据实时性、准确性，及时跟踪管道内介质流态的变化，流量、压力、温度及瓦斯浓度的数据采集周期均为1s，瓦斯折纯积算仪的采集及数据运算周期也为1s。流量、浓度等信号均采用数字通信方式采集，相比模拟信号方式，采集的信号更准确。

（2）安全性

根据安标国家矿用产品安全标志中心《2012年度防爆产品安全技术研讨会会议纪要》第7条对瓦斯管道测量设备要求“与管道内设备存在本安关联的电源及信号设备的本安电路部分应满足ia的要求”，LJS100/850Q型矿用隔爆兼本安型气体超声流量计防爆等级为Exd[ia]IMb,GJG100J(B)

煤矿管道用激光CH4浓度传感器防爆形式ExiaI，均符合要求。二者均具备防爆证及矿用产品安全标志证书，安全性能达到煤矿井下电气设备安全标准。

（3）经济性

该系统核心单元是LJS100/850Q型矿用隔爆兼本安型气体超声流量计，也是整个系统价格占比非常大的设备，目前为止，它是国内仅有的应用于工业现场的矿用防爆型气体超声流量计，其价格是国外同类进口产品的1/3~1/2，整个计量系统性价比很高。

（4）实用性目前，能用于大管径湿气体测量的插入式气体超声流量计主要是国外进口的几种气体超声流量计，由于价格昂贵及售后不能保证，很难应用于普通用户的贸易结算。该计量系统不但解决了普通用户的瓦斯气、煤层气贸易结算难题，而且供需双方可以直接以纯瓦斯量来贸易结算，结算更科学、更合理、更精准，具有很强的实用性。

 

4现场应用情况

2021年2月底，该计量系统应用于山西晋城永安宏泰煤矿瓦斯抽采泵站，瓦斯输送管道外径为φ426mm，采用普通碳钢卷管，被测介质为井下抽采的瓦斯及空气混合气体，含煤粉，含水量大，安装时焊开管道，管道底部有一层积水。管道压力较低且不稳定，仪表显示压力范围为1～3kPa。温度变化范围为32~42℃。含水混气浓度变化范围为18%~42%，短时间如1~2h内浓度值较稳定，但长时间内，尤其白天时段与夜晚时段，浓度值相差较大。管道内含水混气常规流速6~9m/s。

 

截取2021年3月11日至4月17日作为统计时间段，连续运行39d，具体数据如表2所示。通过瓦斯折纯积算仪计算，39d标况纯瓦斯总累积量897157m3，纯瓦斯平均用量为23004m3/d。供需双方认真对比、分析计量数据后，均无异议，一致认可计量数据，并将计量数据作为日后结算依据。

 

5计量系统改进与完善

通过现场使用，发现有2点需要改进与完善：（1）气体超声流量计双插探头对现场安装开孔位置尺寸要求较高，误差必须控制在毫米级，否则2个探头对接不正造成测量信号较弱，影响正常测量，严重时无法测量。建议效仿进口产品使用单杆插入式双探头，如德国SICK公司生产的FLOWSIC100Flare气体超声流量计，只需开1个孔插入即可，不需要调节对接探头信号，更方便现场安装。

 

（2）正常运行期间，如条件具备，可使用进口便携式气体超声流量计，如美国GEPT-878型便携外夹式气体超声流量计，定期校验在线运行的气体超声流量计,以保证计量系统更可靠地运行。6结语通过研究与分析，结合现场实际应用情况，初步解决了大管径管道内含水瓦斯混气的准确计量问题，极大地方便了瓦斯气供需双方的贸易结算，减少因无法直接、准确计量造成的结算纠纷，为今后瓦斯气、煤层气的开发与利用提供了计量保证。