热式燃气表: 十年认证,品质保障

Konrad Domanski,Sensirion气体流量系统产品经理

热式技术是一项测量气体和液体流量的成熟技术。技术进步和设备微型化使得该技术能大批量应用于对成本敏感的领域,如天然气计量。最近新的两项研究也证实了热式技术在恶劣环境中具有长期可靠性。技术进步和设备微型化使得该技术能大批量应用于一些成本敏感的领域,如天然气计量。2021年最新两项研究也证实了热式技术在恶劣环境中的长期可靠性。研究选取了实地运行10年以上35台的热式燃气表进行测试,测试结果显示:所有燃气表在实地运行10年后示值误差均符合标准要求,且88%的燃气表仍符合初始最大允许误差要求。另,2021年欧洲最新发布了专用标准(EN 17526),由此可看出热式技术是一项经济、成熟、可靠的燃气计量解决方案,全球已有六百万燃气表受益于该技术。此外,该技术还具有强大的自诊断,自适应和泄漏检测功能,可广泛用于天然气,氢气混合气体(23%)和纯氢气的检测。

热式测量原理

八十年来,热式技术一直被用于关键领域的流量计量,比如维持生命的医疗呼吸机、汽车内燃机的进气调节、建筑通风系统和精密的工业过程控制。热式测量是最精确有效的流量测量方法。不过,此前对于成本敏感的大批量应用领域而言,它的价格过于昂贵。

随着微机电系统(MEMS)技术的进步,热式流量测量原理已在单个硅芯片上得以实现。芯片的高度集成CMOS工艺模组微型化和大批量生产成为可能。如此一来,便从根本上降低了热式技术的成本,使其不仅成为高端应用领域的理想解决方案,也为大批量应用的低成本高可靠设备带来福音,如燃气表。

热式燃气计量技术

2000年代初期,Sensirion率先将热式技术应用于燃气计量,其主要优点包括准确度高、结构紧凑、功耗低(对电池供电式燃气表至关重要)、以及成本低。之所以能降低成本,是因为实现了流量传感部件、信号处理及分析电路的高度集成,集成于单个半导体芯片。除流量之外,热式传感器还能随时测量气体的各种热属性,以补偿气体成分的变化。所以对于组成成分复杂的掺氢天然气甚至纯氢气,热式燃气表是流量计量的理想选择。

第一批热式燃气表于2007年完成现场安装。经历了最初的缓慢适应期后,近几年热式技术的增长速度明显加快。截至目前,全球已有超过600万台燃气表利用该技术测量气体流量。另外,全球约有3300万汽车及4500万医疗设备依赖Sensirion热式技术,尽管多年来热式技术已经在很多领域得到验证,但对于最注重性能、安全性和可靠性的燃气计量行业,这仍然是相对较新的技术。

国际标准和各个国家对燃气表的测量精度规定了不同要求、制定了不同等级,其中1.5级在全球范围内应用最广。OIML R137和EN 17526将经温度补偿的1.5级燃气表(如热式燃气表)在高区和低区的最大允许误差(MPE)分别定为2%和3.5%。OIML R137还额外规定对于实地运行后再次测量的燃气表,耐久MPE为初始MPE的2倍(3.5%/6.5%)。因此,普遍认为2倍MPE是燃气表使用期间(通常为10-15年)必须通过的标准。

热式燃气表可靠性实地研究

截至2021年,相当数量的热式燃气表已投入实地运行10年以上。最近有两项独立研究测试了不同类型热式燃气表在燃气中运行将近10年和超过10年后的性能。

第一项研究为荷兰认证机构NMi从2013至2016年期间在意大利安装的2749个G10、G16和G25型工业燃气表中随机抽取20个进行调查。这些燃气表由MeteRSit生产,也由其收集(共19个,另一个安装地点无法到达)并送到NMi进行复测,即在最大流量(Qmax)和最小流量(Qmin)之间测量空气和天然气。结果表明,无论使用年限和累计测量气体量如何,所有燃气表的精准度都在2倍MPE范围内。另外,19个燃气表的天然气测量精度全部在1倍MPE之内,15个燃气表的空气测量精度在1倍MPE之内。也就是说,大多数燃气表的性能可媲美全新产品。

第二项研究抽取了35个ABB公司生产的 “EGZ ”G4型民用热式燃气表。这些燃气表于2010至2011年在瑞士安装,从安装现场返回并重新测量前已运行9至10年。这项研究由MEMS AG开展,其测试设备具有瑞士联邦计量研究院(METAS)认证。同样,研究人员在最大流量(Qmax)和最小流量(Qmin)之间测量了空气和天然气。与NMi得出的研究结果相似,所有被测燃气表在空气和天然气中的精度都在2倍MPE以内。另外,35个燃气表中天然气测量精度全部在1倍MPE之内,31个燃气表的空气测量精度在1倍MPE之内。

这两项研究的共同点在于:第一,被测燃气表都基于Sensirion AG生产的关键计量单元——CMOSense®热式燃气表模组;第二,都证明了热式燃气表在实地运行多年后性能仍可媲美新产品。

即使未来这些燃气表再运行十年,误差增加一倍(无任何迹象表明),也仍然在OIML R137规定的耐久后的最大允许误差之内。因其不受极高气体测量体积(平均值的14倍)的影响,由此可以推测,Sensirion 热式流量燃气模组能够在实地可靠运行20年以上。

EN 17526 – 热式燃气计量新标准

2021年欧洲标准委员会(CEN)发布专用标准,表明热式技术在燃气计量领域的应用已发展成熟。《
EN 17526. Gas meters. Thermal-mass flow-meter based gas meter》一文对现场使用热式燃气表所需的要求和测试进行了概述。EN 17526是以EN 1359膜式燃气表和EN14236家用超声波式燃气表标准为蓝本,同时兼顾OIML R137的要求。所以习惯于现有标准的燃气表制造商及燃气公司可以快速适应热式燃气计量新标准。EN 17526目前也是第一个同时结合民用和工商业用燃气表(最大规格G25)静态测量原理的标准。此外,经修订后相关规范被首选为涵盖可再生气体(如氢气和生物甲烷)的规范,这是对热式技术的极大认可:为统一其他所有EN燃气表标准铺平道路,也从规范角度为欧洲能源转型倡议助力。

热式燃气表:十年认证,品质保障

近年来电子技术(如CMOSense®和MEMS)及燃气自适应技术进步使得热式燃气计量技术成本大幅降低,可靠性不断提高,成为燃气计量应用的理想解决方案。长期实地可靠性研究表明,热式燃气表的使用寿命明显长于一般燃气表的设计使用年限。2021年发布的热式燃气计量专用标准对该技术的成熟度进行了认证,并为这项久经验证的流量测量方法在燃气计量行业的广泛应用铺平道路。除了成本低、可靠度高、结构紧凑外,热式测量技术还具有强大的自诊断,自适应和安全性。另外,该技术还能随时用于测量组成成分复杂的天然气、不同浓度的天然气-氢气混合气体2以及纯氢气。在未来技术前沿——直接能量计量领域,热式技术与现有解决方案相比优势显著。

氢气和生物甲烷测量前景

燃气计量行业即将迎来重大发展——向天然气网络中注入氢气。普遍预计,将逐渐在天然气中混入30%氢气,并最终转向100%氢气。热式燃气表尤其适用于测量含氢混合气体和纯氢气。Sensirion的热式燃气表模块已具备测量混氢天然气和纯氢气的能力并达到 MID精度标准。其另一优势在于,无论氢气含量多少,燃气表都能保持外观结构紧凑。而膜式燃气表则需增大三倍体积才能测量纯氢(因为氢的热值比天然气低3倍)。对于现有的超声波式燃气表,若不增大体积以及使用更快、更贵的电子元件克服氢气中音速过快的问题,也无法有效测量纯氢。

助力能源转型的第二个即将到来的趋势是将生物燃气注入天然气网络。这种可再生气体通常含大量二氧化碳。Sensirion的燃气表模块现已能准确测量二氧化碳比例相对较高的天然气,其热式技术也广泛用于医疗领域,甚至可以测量纯二氧化碳流量。

未来技术保障

随着天然气网内注入点的增加,以及氢气和生物燃气含量的增加,天然气的热值,无论是在地理位置上还是在时间上,相对于目前的变化性更大。因此,安装在天然气网各关键点的气体色谱仪也必须随之增加,或者转向直接能源计量。后者是一个非常有吸引力的解决方案,或许能改变气体计量范式。热式燃气表不仅可以测量气体体积流量,还能测量不同热属性,从而进行气质补偿,并将传感器信号正确转化为流经燃气表的气体体积(标况)。目前,热式燃气表已经可以输出混合天然气中的氢气指数,甚至可以显示气体热值指示(非直接的热值)。因此,热式技术尤其适合用于未来计量表层面的能源含量监测。

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