燃气丹热仪

编者按：2018年，深圳市GDP首次超越香港，成为粤港澳大湾区城市经济总量第一的城市。从一个小渔村，变成世界大都市，深圳用40年创造了举世瞩目的“深圳速度”。经济发展得好，生态环境也得跟上。2018年，深圳市政府积极响应了十九大提出的“蓝天保卫战”，定下严苛的排放目标：要求在2018年10月31日前，深圳市所有燃气电厂需各完成一台以上燃气机组排放达到15mg/m3（约7.5ppm）以下的改造，未完成的电厂将被禁止上网发电。这一标准已经领先国内大部分地区，并接近全球其他对氮氧化物排放标准严苛的发达国家和区域。近日，在全球权威行业媒体《发电杂志》（Power Magazine）最新公布的2019年度“最佳电厂”奖项中，深圳南山热电股份有限公司荣膺2019年度燃气电厂类别组“最佳电厂”！“深圳蓝”改造项目中的其他发电企业（深圳新电力，深圳大唐宝昌燃气发电，深圳钰湖电力，中海油深圳电力）也同时获得了肯定。2018年，为了打造“深圳蓝”的城市新名片，深圳市以最严苛的标准、必胜的决心，走在打赢污染防治攻坚战中的最前沿。深圳市五家9E燃机电厂积极应战，作为最早参与深圳燃机电厂建设的原始设备制造商，GE义不容辞，以先进的技术对五家发电企业的九台机组进行DLN1.0+升级改造，成功将燃机NOx排放从原有的50mg/m3（约25ppm）降低到15mg/m3（约7.5ppm），达到全球领先水平。这是该项技术的全球首批次应用，为未来在全球近700台运行机组上部署DLN1.0+提供了参考。在这次“深圳蓝”改造项目中，9E这款经久不衰的机组通过DLN1.0+燃烧室升级解决方案释放了全新活力，完美应对最新的环保要求。GE的改造方案让机组在维持原有运行效率的同时实现了低排放运行，这也是GE这次获得深圳五家电厂青睐的重要原因。此外，这次升级有可能使燃烧系统的检修间隔延长至32,000小时或1,300次启停（相当于连续四年的稳定运行），降低维护成本，延长相关设备的使用寿命。自诞生以来，GE 的干式低氮燃烧技术（DLN）覆盖了不同种类、不同级别的燃机，并在历次迭代中始终保持领先，见证、引领着燃机燃烧技术朝着更高效、更低碳的趋势发展。20世纪50年代到80年代，GE一直采用的是单喷嘴的燃烧器，在1984年GE实现了多喷嘴的进化，推出了多款多喷嘴燃烧器。从20世纪80年代开始，GE致力于开发和改进燃机干式低氮燃烧技术（DLN），在1991年推出DLN1.0；又于2006年推出DLN1.0+，应用于7E机组，成功实现了5ppm的超低排放量。除了技术的先进性，GE执行团队也为这场闪电战发光发热，起到了极为重要的促进作用。在项目执行过程中，快速的响应能力、强大的本土服务能力和完备的全球技术支持都是取胜的关键。为了完成“10月31日完成调试验收”的目标，这次项目从启动到10月底实施完成，仅仅用了180天！期间，无论是供货还是施工，都做得及时而有效。在这原本就极为紧张的时间里，还面临机组检修的高峰期。为了同时满足五家电厂的需求，GE团队在人手方面做了充分的调配，集中国乃至全球服务团队的精英，一同攻坚，全面贯彻“本土化2.0战略”。这次项目的成功也是GE全球力量和本土能力完美结合的绝佳展示。GE本土工程师将DLN1.0+技术进行了很好的消化、学习，并结合当地五家电厂不同的机组状况和需求进行了调整，以达到目标排放要求。同时，GE高效率的全球采购，和质量、速度双保险的本土供应链支持也为项目如期完工提供了强大后盾。DLN1.0+解决方案在9E机组上的顺利升级为中国现役9E机组的减排之路开启了更加广阔的未来，“深圳蓝”电厂升级改造项目的圆满成功也为更多的省份和城市提供了借鉴。未来，GE将继续以先进的技术和完善的服务，为中国客户量身打造更加低碳环保的解决方案，让更多城市拥有靓丽的“蓝天名片”！

一、燃气表行业背景分析近年来，我国加快推进“煤改气”工程建设，天然气已经成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。到2020年，天然气在一次能源消费结构中的占比力争达到10%左右，到 2030 年，占比提高到15%左右。在这些燃气迅速发展的利好消息促进下，燃气计量行业将迎来巨大的发展契机。膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定和价格低廉等优点，在我国城市燃气发展中得到广泛应用，随着计算机和微电子技术的发展，膜式表也逐步实现了智能化，目前在燃气计量行业仍然占据着主导地位。但膜式燃气表结构复杂、易磨损、易受管道介质温度压力等客观因素的影响，导致测量精度降低。热式（MEMS）燃气表是利用热传递原理测量燃气标准状况下流量的一种新型燃气计量器具，采用全电子结构，无机械运转部件，体积小、精度高。虽然可以针对特定天然气组分进行修正，但是从原理上还是易受多种不同气体组分影响，温度的影响修正也相对复杂，同时长期的污染物沉积使得MEMS芯片响应变慢影响精度，使得其应用受到限制。超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度和可结合更多的智能化应用等优势，引起国内外的高度重视，是近年来燃气计量领域的开发热点。 二、超声波燃气表的研究与应用现状其实早在上世纪九十年代，英国、德国等国的多家燃气公司已陆续开发了超声波燃气表。受当时超声波探头、计时芯片、电子技术等的因素限制，价格还是非常高昂，无法与传统膜式燃气表竞争。进入二十世纪后，超声波燃气表的关键部件价格大大降低，迎来了超声波燃气表的快速发展。日本东京燃气公司于2003年7月开展了超声波燃气表的各种现场测试，于2005年率先安装了5000台超声波燃气表至用户家中，在2008年全面使用超声波燃气表。目前国际上的超声波燃气表技术主要来源于松下、西门子等公司，他们在超声波领域深耕多年，从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机，都有着诸多专利。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波燃气表，但是大多数厂家还是使用松下的超声波燃气表传感器方案，也就是购买松下的电路板和超声波探测器，自己配套外壳组装成超声波燃气表。这样的模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格偏高，市场推广受到限制。我国燃气表产业生态已经基本建立，因此积极开展自主知识产权、可以满足燃气表规范要求的超声波气体流量传感器的技术研究，对于打破国外技术垄断、促进我国燃气表转型升级发展具有重要意义。 三、超声波燃气表用气体流量传感器核心关键（1）超声波换能器的自主研制。目前满足超声波燃气表计量要求的核心部件的超声波换能器基本都是进口，价格占总成本的40%。国产化的难点是其带宽以及高低温特性，既要保证较长的测试距离提高测试分辨率、较高灵敏度提高信噪比，还需要考虑不同温度下的测试漂移。 （2）燃气表的性能和稳定性问题。超声波燃气表由于无机械部件，理论上稳定性较传统膜式表要高很多，但膜式表在国内多年的使用中，已广泛被燃气表公司和客户接受。超声波燃气表如何在稳定性上达到燃气表公司的需求，打消燃气表公司的顾虑，是超声波燃气表迈向市场化的非常重要的一关。（3）气体污染问题。与膜式燃气表一样，由于超声波燃气表的常年运行，燃气中的粉尘或杂质会附着在超声波换能器上，影响换能器对信号的接收敏感度，从而影响燃气表测量准确度。（4）气源适应性问题。天然气密度比空气小，信号也较空气小；不同密度的气体通过超声波换能器后，其信号的波形会很不稳定。超声波信号传输会受传播介质、环境（温度、湿度、压力）以及管道内反射等各种因素影响，接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变化。因此，家用波燃气表要想进入家庭，并广泛使用，对气源的适应性是需要克服的最重要一关。 四、超声波燃气表用气体流量传感器技术特点四方光电公司自2008年开展对超声波气体传感器的研究以来，通过在超声波换能器、时间计量芯片以及时差自动计算方法、流程成分同时感知等领域取得突破，特别是在超声波氧气流量传感器、超声波沼气流量计等领域实现了规模化生产应用，具有较好的技术和产业基础。针对家用燃气表需要的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动气流测量等特殊要求，开发成功满足超声波燃气表用的超声波气体流量传感器。（1）“L”型流道结构设计。超声波燃气表用超声波气体流量传感器采用“L”型流道设计，包括腔体、进气口、出气口及两个超声波换能器，通过将气室腔体的横截面设置为圆形，将超声波信号在第一个换能器安装孔和第二换能器安装孔之间的传播路径设置为“L”型流道，如图1所示。 图1. 燃气表用超声波气体流量传感器结构原理图传统超声波燃气表气体流量计量气室的“W”型发射流道，“V”型对射单通单流道以及“N”型对射单通单流道，都是通过超声波在流道内产生一次或多次反射而形成的路径以增加超声波声程，间接增大了换能器的有效距离，从而获得更高测量精度。但其缺点是通过反射后探测器信号较弱，信噪比降低，对换能器的要求很高。因此造成成本也较高。采用“L”型流道、圆形横截面的超声波燃气模块，克服了现有超声波燃气表气体流量计量气室管道的横截面积较大，气室体积较大，成本较高的问题，以及两个超声波换能器之间传播距离较短，降低测量结果准确性的问题。同时，还避免了被测气体中的污染物污染超声波换能器，从而影响检测结果准确性的问题。（2）用双阈值过零检测与数据选择技术。以时差法超声波气体流量计为基础，采用双阈值过零检测与数据选择算法技术，区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。（3）自动调零算法。燃气表在温度、压力等外部因素变化条件下，对超声信号产生一定的影响，从而影响计量的时间差；此产生的时间差变化，可能只有ns级别，对高端流量几乎没影响；但对于低端流量，特别是Qmin，影响非常大，造成测量精度超过标准要求。另外，燃气表在无流量情况下的零点，可能受到超声波换能器零点的漂移影响，产生整体计量的漂移，对低端流量造成较大的影响，这是低端流量精度和稳定性超标最重要的原因。针对超声波换能器的零点漂移问题，在软件算法上，采用自动调零的处理算法，超声波燃气表采用可调整的零点，并根据超声波换能器的信号波动特点，软件上自动调整超声波燃气表的零点，保证在外部因素或内部因素作用下，超声波燃气表的零点随环境变化而适当做出调整，抵消由于零点漂移对低端流量产生的影响；同时，考虑电路整体对时间差值的影响，在软件算法上，补偿此部分对测量的影响。 五、超声波燃气表用气体流量传感器的应用基于专利的气体流量传感器硬件和软件核心技术，四方光电公司针对我国家用表以及五小工商户客户的需求，成功开发出超声波家用和商用燃气表。其核心传感器部件见图2：图2. 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件解决核心燃气表气体流量传感器后，就可以利用以往具有的外壳、皮膜阀、电源管理等组装燃气表。图3是采用超声波核心流量传感器的G4燃气表。 图3. G4超声波燃气表(内置国产化核心流量传感器)根据燃气表的计量要求，进行了宽量程的燃气表误差特性以及耐久性实验。 图4. G4超声波燃气表典型误差曲线 图5. G4超声波燃气表耐久性误差曲线由于我国超声波燃气表的国家标准还处于征求意见稿阶段，因此借鉴了EN-14236欧洲有关“ultrasonic-domestic-gas-meters”标准进行完整的测试。除以上图示的基本试验，还进行了线性度、压损、高低温、交变湿热、耐粉尘、脉动流量等试验。试验表明基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表均满足燃气表的各项指标要求。作者简介熊友辉博士，教授级高工。中国科协九大代表、中国仪器仪表学会理事、分析仪器分会副理事长。主持过科技部重大科学仪器设备开发专项、工信部物联网专项、湖北省重大科技专项等多项国家和省市科技项目。现任武汉四方光电科技有限公司总经理。 公司简介武汉四方光电科技有限公司是一家专业从事气体传感器、气体分析仪器及物联网解决方案的国家高新技术企业，其全资子公司——四方仪器自控系统有限公司，以自主知识产权的核心传感器技术为依托，陆续推出了红外/紫外烟气分析仪、红外煤气分析仪、红外天然气热值仪、激光拉曼气体分析仪等气体成分分析仪器，并先后研制了超声波气体流量计、超声波燃气表核心传感器部件、智能超声波燃气表等燃气流量测量产品。四方光电通过了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有关质量、环境、健康安全、汽车电子等体系认证，目前已与多家世界五百强企业建立长期配套合作关系。

近日，湖南省质监局公布了2010年全省燃气具抽检结果，燃气灶4成不合格，燃气热水器1成不合格，涉及好迪、万邦、志高等知名品牌。　　“燃气灶具存在的最突出问题就是漏气。”国家燃气用具质量监督检验中心主任王启提醒消费者。本报还将热线征集20户家庭，为您免费检测燃气用具。　　燃气灶4项指标不达标　　“燃气热水器的质量相对较好，合格率89.8%，燃气灶合格率62%，质量问题相对较多的是调压器，合格率只有37.5%。”省质监局工作人员告诉记者。　　抽查报告显示，燃气热水器6个不合格产品中，热水产率不达标的有5个。包括广东志高空调有限公司的志高家用燃气快速热水器、广东好迪生活电器有限公司的好迪家用燃气快速热水器、中山市黄圃镇长凌电器燃具制造厂的万家美家用燃气快速热水器等。“热水产率应不小于额定产热水能力的90%。”湖南省燃气、燃气具及能源产品质量监督检测中心高级工程师罗从杰告诉记者。王启解释，热水产率的问题是指热水器在单位时间内产出的热水量与产品自身所标注的产率不一致。“通俗一点理解就是相当于是热水器产品交易行为当中的缺斤少两。”　　而燃气灶具的主要问题是干烟气中一氧化碳浓度、热负荷、燃气导管和熄火保护装置结构4项指标达不到标准要求。“干烟气中一氧化碳浓度过高将会带来安全隐患，可能造成一氧化碳中毒。” 罗从杰解释。而燃气导管不符合要求可能导致燃气泄漏。导管不达标造成的燃气泄漏以及一氧化碳排放量的不合格，可能造成微量中毒。比如有些人在做完饭后却没有胃口吃饭，很可能就是因为这两个问题。　　资料显示，湖南市场的燃气用具绝大部分来自外省企业。其中，燃气灶具主要是广东中山、顺德、佛山等地企业的产品，燃气热水器相对分散，主要来自广东佛山、四川成都、江苏昆山、山东青岛等地，而调压器主要产自浙江省的慈溪和余姚两市。湖南本土企业仅有湘潭迅达集团和娄底碧波尔公司(贴牌生产)两家。本次抽查两家公司产品均符合标准要求。　　对于这些不合格产品，湖南省质监局范海军表示，被抽查出来不合格的产品由相应的市县质检部门处理。广东省中山市质量技术监督局工作人员告诉记者：“一般由相关省份质监部门将抽检结果告知我们，然后对那些不合格的产品厂家进行相应处理。”　　提醒：要买能效高的燃气灶具　　王启指出，当前市面上热水器主要存在漏气以及使用期间烟气不能及时排出的问题。前者在造成资源浪费的同时还会对使用者的人身安全构成威胁，而后者对于使用者的健康乃至生命都有巨大的威胁。“燃气灶具存在的最突出问题就是漏气。”王启说。　　他提醒消费者，除选购品牌产品外，还可以根据自身条件选购不同型号但是能效高的燃气用具。“现在市场上能效较高的燃气用具虽然价格相对较高，但是安全性能以及燃气的利用率都相对要高很多。”　　罗从杰则提醒消费者买燃气具时要注意两点：一要选购买地点。一般情况下，大商场和大超市的专柜以及品牌专卖店比较有保障 二看包装、标志是否齐全。包装箱外应标明产品名称、型号、使用燃气种类或适用地区。每台灶具包装箱内应有产品附件清单、合格证、保修单和安装使用说明书，另外灶具侧面板还应有铭牌。