智能燃气表选型和应用分析

同济大学 曾祥福

随着人们生活水平的提高，城市化进程的加快，燃气普及率的提高，燃气经营企业及用户对燃气使用的安全性、可靠性、智能性提出了更高的要求。燃气表作为燃气计量和结算的重要依据，燃气表计量数据采集及抄收的准确性、及时性至关重要。城市燃气供应用户多、范围广的特点使得燃气表的应用情况极为复杂。物联网、大数据等技术的发展，除了实现了燃气表智能计量实时采集用户计量数据功能外，还实现了异常流量切断报警、拆表报警、泄漏切断报警等智能报警功能。这些应用功能一方面解决了入户抄表难、工作量大的难题，另一方面，智能报警及切断等功能的实现，很大程度上提高了燃气使用的安全性。因此，智能燃气表的应用成为解决燃气经营企业用气管理及用户使用需求中痛点与难点的关键所在[1-2]。

1 燃气表基表类型

常用的燃气表基表按计量原理分，主要有容积式燃气表和速度式燃气表。

1.1 容积式燃气表

容积式燃气表是利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，然后根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积的总量，是一种总量表或直接测量表，如膜式燃气表、罗茨(腰轮)流量计等。容积式燃气表的优点是测量精度高、量程比较宽、压损相对较小、流场变化对计量精度无影响、没有前置直管段要求等；缺点是结构复杂、体积大且笨重，在大口径、大流量的测量中尤为明显。

1.2 速度式燃气表

速度式燃气表是利用测量元件测量管道内平均流速(或压力)的变化，通过平均流速(或压力)的变化与流体体积的相对关系来推算流体体积流量。通常由传感器和显示仪两部分组成，为间接测量仪表，如超声波燃气表、涡轮流量计、超声波流量计等[3]。速度式燃气表的优点为测量精度高、结构紧凑轻巧、安装维护方便、流通能力大等；缺点是量程比相对较窄、流场变化对计量精度影响较大、有严格的前置直管段的要求、压损相对较大、流体的物性对仪表的流量特性影响较大、根据精度要求需要在线补偿等。

2 智能燃气表的智能方式

燃气表基表通过附加装置实现智能远传功能，将数据传输到燃气经营企业的管理系统。数据传输通道主要分为有线和无线两种方式。有线通道信号线的安装和维护比较困难，已逐步淘汰；无线方式是指通过无线电波进行数据传输，随着通信技术的发展，主要有FSK、LoRa、GPRS、SCADA、NB-IoT等技术，其中前两项是自建通信网络，后三项是公共通信网络[4]。

2.1 调制解调通信技术

FSK和LoRa均为调制解调通信技术。FSK技术即频移键控技术，利用载波的频率变化来传递数字信息，是使用较早的一种传输方式。随着通信技术的发展，最新一代LoRa即扩频通信技术应运而生，LoRa相比FSK通信距离更远，电池寿命更长，并且LoRa模块兼容FSK。近年来基于LoRa扩频技术的智能燃气表也得到了迅速发展[4]。这种智能方式适合燃气表集中安装的模式，效果好、成本低、性价比高，解决了抄表入户难等问题。

2.2 GPRS

GPRS是通用无线分组业务，采用通信运行商的授权频段将数据通过网络接入燃气公司管理系统。此种智能方式网络成熟、信号稳定、实时性好，具有传输距离远、数据传输稳定性强、安装方便等优点，但存在信号覆盖有盲区、功耗较大、通信技术更替有风险等不足[5]。

2.3 SCADA

SCADA系统即数据采集与监视控制系统，主要由调度中心、远程终端、通信系统组成。调度中心完成采集数据的处理、显示、入库以及与燃气经营企业系统的信息集成；远程终端完成数据采集；通信系统实现远程终端与调度中心的通信，保证SCADA系统数据交换的实时性，使其及时、准确、可靠、协调、高效率地工作[6]。此种智能方式可接通不间断市电，因此不需要考虑功耗问题。

2.4 NB-IoT

NB-IoT即窄带物联网，是一项物联网领域的新兴技术。其构建是基于蜂窝网络，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有覆盖广、连接多、成本低等优点[7]。此种智能方式适用于公寓、学校、居民楼等。

3 智能燃气表选型与应用分析

3.1 智能燃气表选型

根据用户的类型及用气特点，结合燃气表计量原理及智能方式选择合适的智能燃气表，可以有效提高计量精度并减小用气损失。

表1所示的智能燃气表选型参考中，可通过燃气表类型、成本、智能方式等的对比，整理出各种燃气表实际使用中的适用场景。其中居民楼、公寓等用户由于用气设备较为固定且用量较小，多使用具有智能功能的膜式燃气表和超声波燃气表；工业等用户由于用气设备不一且用气量较大，一般选用具有智能功能的涡轮流量计、罗茨(腰轮)流量计和超声波流量计。

表1 智能燃气表选型参考

3.2 智能燃气表应用分析

使用智能燃气表能极大提高抄表效率，还能通过对计量数据的解析及安装信号传感装置对异常用气情况进行感知，实现智能报警功能，如流量异常、拆表、泄漏等。报警信息能够在表端及企业系统中显示：一方面利于用户及时发现问题，采取措施；另一方面便于企业维修人员进行针对性的维修。智能燃气表能够帮助燃气经营企业及时有效地掌握用户用气情况，在节约燃气、减小购销差、及时发现和处理非正常计量情况等方面也表现出较大的优势[8]。

以某燃气经营企业为例，通过近五年来燃气表智能化率与购销差的变化趋势，分析智能燃气表实际应用情况。

(1) 智能化率。智能燃气表数量占用户燃气表总数的比率，称为智能化率。智能燃气表的投用主要是到年限表的调换和新发展用户的新装。

某燃气经营企业近五年来智能化率的变化情况，如图1所示。从图1可以看出：燃气表总数在逐年增加，且增长速率较稳定，说明该区域燃气用户未饱和，还具有一定的用户发展潜力；智能化率呈逐年上升趋势，截至 2020年底，智能化率达到88.27%，剔除长期门锁未更换表和未到使用年限燃气表的因素，说明智能化应用的硬件基础已具备,智能化率已经达到较高水平。随着时间的发展，最终该地区智能燃气表将实现全覆盖，智能化率也将达到百分之百。

图1 某燃气经营企业智能化率变化趋势

(2) 购销差。购销差为实施天然气购入、销售过程中，由于计量、泄漏等各种因素产生的购入量与销售量之间的损失。购销差率为购入量与销售量的差值占购入量的百分比。产生购销差的内部因素有计量器具型号多样，检测、标定和质量的差异；计量表配置不合理；管线及相关设施年久引起的泄漏以及抄表人员工作质量不佳等。外部因素有人为损坏造成计量表失效或管线泄漏事故、非正常计量以及门锁、拒抄等不配合行为[9]。购销差在燃气经营企业中居举足轻重的地位，购销差率越低对企业经营越有利。

智能燃气表的应用使得计量数据抄收更加准确及时，很大程度上避免了抄表人员工作质量造成的抄表问题，此外由于可不入户抄表有效解决了门锁、拒抄等问题，更重要的是通过智能报警和数据分析使得企业能够主动发现燃气表失效、泄漏、非正常计量等问题并及时处理，减少了企业的损失。

某燃气经营企业近五年来购销差率的变化情况，如图2所示。从图2可以看出：2016年至2019年购销差率呈现持续降低趋势，主要原因是燃气表的智能化率在持续增加，智能化技术和应用对降低购销差起到了积极作用。2020年与前一年的购销差率基本持平，一方面是肆虐全球的新型冠状病毒给人们生产及生活带来的影响，使得燃气经营企业处理燃气报警等事件入户率大大降低，即使发现燃气表失效、非正常计量等问题由于不能入户也无法及时进行处理；另一方面，购销差是多方面因素产生的，对于其他因素的影响还需要用进一步的技术方法来解决。

图2 某燃气经营企业购销差率变化趋势

4 结语

智能燃气表的推广和应用是必然趋势，不仅有效解决抄表入户难的状况，还通过智能报警功能，使企业主动并及时有效掌握用户的用气情况，有助于提升服务水平，树立安全可靠的企业形象，增强燃气用户的体验感。智能燃气表的应用具有诸多的优点，但同样也存在一些需要改进和解决的问题。在今后的发展中，需要注意以下几个方面：

(1) 抄读成功率。随着使用年限的增长，智能燃气表抄读成功率会逐渐降低，主要是因为内置式电池的使用寿命远小于燃气表的使用寿命，使得使用过程中由于失电而造成远传故障。增强电池的耐用性及安全性是亟需解决的问题。

(2) 使用年限。智能燃气表电子元件与表具的整体质量参差不齐，造成实际使用年限小于规定使用年限，且智能燃气表本身成本就较高，造成燃气经营企业的成本增加。

(3) 运行维护。表具使用后出现数据传输故障，维修质量以及及时率不仅影响到计量数据的传输，多次维修的情况还会降低用户使用体验感。

(4) 产品差异。燃气经营企业应加强对智能燃气表使用情况的把控，通过抄读情况、维修情况等分析不同厂家产品的使用性能，甄选出值得推广应用的智能燃气表。