燃气流量装置智能解决方案创新

20世纪印度能源格局以化石燃料为主，柴油、石油、煤油用于大多数工业民用。农村印度大部分人口仍用煤、木材、牛粪火烹饪。但近几十年印度致力成为更以天然气为基础经济，液化石油气（LPG）和压缩天然气（CNG）广泛用于烹饪甚至交通。近期管道天然气也向许多城市家庭供应，提供不间断烹饪燃气直达消费者家中。新发展要求燃气公用事业提供商测量燃气消耗量。如何？靠燃气表。

燃气表是用于住宅、商业、工业建筑测量管道输送燃料气体（如CNG或LPG）量的专用流量计。气体高度可压缩，因对温压变化敏感比液体更难测量。燃气表测量定义体积，无论流经表的加压气体量或质量。因此需在温度、压力、热值上调整以准确测量通过表实际气量。根据待测气体体积流率、预期流量范围、气体类型等因素，几种不同燃气表设计常见。主要燃气表类型包括膜式表、旋转活塞表、涡轮表、超声流量计、科里奥利流量计。

Raychem RPG是印度家用燃气表主要供应商之一。古吉拉特邦Raychem创新中心（RIC）研究人员利用多物理场仿真软件概念化、优化、验证四种新型燃气流量计设计。

燃气流量计设计挑战

印度现有所有燃气表各有局限。例：膜式表运动部件和膜片泄漏导致测量误差。旋转活塞表和涡轮表约35组件，增加机械故障疲劳概率。且任何燃气表外壳尺寸固定，新设计须适应给定外壳尺寸。因此设备尺寸也是新燃气表设计重要标准。所有这些不同标准使设备最终质量测试阶段通过困难。事实上拒收率极高。

Ishant Jain先生领导Raychem团队着手最小化燃气流量计组件数并降低质量测试阶段拒收率，从而降低器件总制造成本。为此Raychem团队在COMSOL Multiphysics®软件中进行仿真分析。

仿真验证设计

团队基于TRIZ问题解决方法和客户要求开发四种燃气表，通过设计优化。先验证常规燃气表设计有限元模型。再延伸发现评估提议设计。

首个新燃气表设计是现有膜式系统修改：用苏格兰-ヨーク机构替换连杆组件减少组件数。

达成优化设计（图1）后，团队除消除原设计多个机械组件外，还提高测量精度和灵敏度。表系统组件数从早期膜式设计35个显著减至5或6个，确保系统机械坚固性和完整性。

下一设计是莫比乌斯带涡轮，利用涡轮旋转测量燃气流率。这些燃气表通过确定流经莫比乌斯带气体速度测量燃气体积。莫比乌斯带形转子置于气流路径上，气流经过旋转轴。轴输出传递给锥齿轮系。涡轮推断气体速度，机械传递给电子或机械计数器。

Raychem团队用CFD模块和多体动力学模块建模湍流燃气流（图2）及涡轮产生应力扭矩。

注意莫比乌斯带涡轮燃气表在高燃气流率时性能好。因燃气体积由流量决定，低压降流量测量装置功效有限。为规避此问题，团队基于同极磁铁相斥已知原理设计另一流量计。

第三表设计中，物体（通常球或盘）布置在管内使磁力使其悬浮。物体随管内气流上升，燃气流量由磁性板上升高度测量。此类表高灵敏度，能测微小压降。研究人员用交流/直流模块和CFD模块研究磁性和器件性能，达成优化设计（图3）。

此案团队提出高灵敏度设备，即使燃气流率微小变化也表现良好。

最终设计也基于涡轮旋转，但用不同涡轮设计。此处带固定导叶和动叶涡轮组件置主通道作阻流元件（图4）。旋转涡轮捕获能量用于激励热传感器，使装置成自供能系统。

导叶作喷嘴引导气流向动叶旋转轴和锥齿轮对。燃气流量基于锥齿轮对旋转测量，或用热传感器测温度降测量。

未来展望与应用

仿真研究使Raychem团队设计仅含U型管和壳体传感器的智能能源燃气表，极紧凑易安装。验证仿真结果是Raychem四新燃气表设计核心。

Raychem团队对这些流量计性能满足家用工业应用要求充满信心。这些设计已入围生产，不久将向印度城市消费者提供，直接安装在家中燃气表内。

本文由COMSOL Inc.市场经理Aditi Karandikar撰写。更多信息请访问 www.comsol.com .

Raychem团队感谢Tito Kishan协助TRIZ应用和Ganesh Bhoye设计工程。