沼气作为一种清洁能源已经得到广泛应用，其中沼气发电的发展势头尤为迅猛。在沼气的利用过程中，准确、稳定地测量沼气至关重要。本文介绍的超声波流量计，测量沼气流量的精度高，稳定性好，还带有附加的甲烷含量测量功能。

沼气的重要性和发展趋势

沼气是各种有机物质在隔绝空气，并有适宜温、湿度条件下，经过微生物的发酵作用而产生的一种可燃性气体。因沼气是生物在厌氧条件下产生出来的气体，因此又叫生物气。它不是单一的气体，而是由多种气体组成的混合气体，含有甲烷、二氧化碳、硫化氢、一氧化碳、氢、氧、氮等气体。其中主要成分是甲烷和二氧化碳，甲烷占总体积的55%~70%，二氧化碳含量为30%~45%。其他几种气体含量较少，一般不超过总体积的2%。每立方米沼气的发热量约为20800~23600J，即1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的能量。沼气燃烧主要是甲烷的燃烧。由于沼气中含有硫化氢，常会闻到臭鸡蛋的气味，点火燃烧后，这种气味就没有了。

沼气，其实并不是真正意义上的新能源，人类利用沼气已经有上百年的历史。而在中国农村中，很多农户家中都有小型的沼气池，主要用于家庭取暖或者做饭之用，称为户用沼气。但是生物发酵产生沼气的过程绝对是一个绿色的过程。比如将秸秆直接燃烧用于取暖或者做饭，燃烧效率很低，且会产生大量污染环境的粉尘。而将秸秆进行发酵处理之后，通过沼气燃烧，效率会有很大的提升，且对环境几乎没有污染。

但是户用沼气装置只是沼气利用的很小部分，沼气发展的最大趋势是沼气发电。沼气发电市场空间广阔。根据相关测算，到2020年中国沼气资源总量915亿m3，比2000年增加1倍；扣除户用沼气300亿m3，仍有共计615亿m3的沼气资源可以利用，对应发电量922.5~1230亿kWh电力（每立方米沼气产生1.5~2kWh电力），装机容量能达到1537.5~2050万kW。沼气发电市场以原料分类，包括畜禽养殖场粪污、工业有机废水、市政污水的污泥、餐厨垃圾和生活垃圾填埋场的垃圾填埋等。

图1 沼气发电厂

沼气的计量目的

沼气在使用过程中需要进行测量，测量的目的通常是以下几个：

检测发酵罐或填埋场的效率：通过沼气的流量了解发酵罐的效率，万一流量有意外波动，可以及时查看发酵罐的情况。

控制锅炉的燃烧效率：沼气在锅炉中燃烧时需要了解沼气的流量从而控制锅炉的通风量。通风量过大，会降低炉温；通风量过低，燃气无法充分燃烧，造成浪费和污染。

控制温室气体排放：沼气中的甲烷和二氧化碳都是温室气体，其中甲烷是比二氧化碳危害更严重的温室气体。

由此可见准确的计量沼气的流量是非常重要的。

图2 超声波流量计测量沼气

沼气计量的方式

沼气是非常难以计量的一种气体，它有如下几个特点：

压力极低：从发酵罐中出来的原始沼气通常压力不会超过0.1公斤；

组份变化：如前文所述，沼气的是多种气体混合组成的，而且随着产沼原料的不同，沼气的组份不是一成不变的，成分也会有较大的波动；

含水汽：因为沼气是由生物质发酵产生，生物质中含有的水分会被带入沼气中，所以沼气中通常含有饱和的水蒸气；

有腐蚀性：沼气中通常含有硫化氢成分，虽然含量很低，但是硫化氢遇水汽之后形成腐蚀性较强的氢硫酸，对测量元件可能存在腐蚀作用；

流量波动大：随着产沼原料、细菌情况、温度波动等情况变化，产沼流量会有很大的变化，要求测量仪表有较大的量程比。

可以测量气体的流量计通常有4种，差压式仪表（以孔板为代表），热式质量流量计，涡街流量计和超声波流量计。下面将分析一下这几种流量计在测量沼气方面的优缺点：

1. 孔板流量计

以孔板流量计为代表的差压式仪表是测量气体的传统方案之一，它的优点是结构简单且坚固，价格便宜，是世界上使用最广泛的流量计种类之一。测量原理是介质在流过节流元件时在上下游产生压力差，此压差与流速呈一定的关系，从而可以求得流量。但是差压式仪表的节流元件会产生较大的压损，在测量沼气这种本来压力就非常低的气体时就显得不适合了。而且这种仪表在低流速和量程比的方面也无法达到沼气行业的要求，因此在沼气测量中使用的不多。

图3 科隆超声波流量计

2. 热式质量流量计

其测量原理是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量。热式质量流量计来测沼气时不会产生压损，因此低压力的情况下也可以适用。量程比也比较宽，这都是优于孔板流量计的地方。而且热式质量流量计测量的是质量流量，相比其他测量体积流量的仪表，它就无需进行温压补偿的换算，这是热式质量流量计的一个重要优点。

但是热式质量流量计也存在一些致命的缺点：I. 不能测量含水或者水汽的沼气，因为水的比热容与气体相比有很大的差异，一旦气体中含水，传感器的加热功率或者气体的温度变化会有很大的波动，从而造成较大的测量误差。II. 气体组份不能有很大的波动，与前面一个缺点类似，不同的气体会有不同的比热容或称导热系数，需要测量什么气体以及各个气体的比例需要在制造时告知生产工厂，进行预组态，仪表在现场使用时，一旦气体组份与工厂预设的有较大差异，就可能造成测量误差。III. 响应较慢，因为传感器与测量气体的热平衡需要一定的时间，所以就会导致测量的响应时间较慢，从而无法及时反映流量的变化。

综上所述，热式质量流量计在测单一组份或者固定组份的干燥气体时比较合适，但是对于成分波动且含水汽的沼气测量不是非常适合。

3. 涡街流量计

涡街流量计是根据卡门涡街的原理来计量的，流体流经涡街发生体时脱落的漩涡的频率与流速成正比，然后可以求得流量。涡街流量计非常适合测量气体和蒸汽，测量值也不受气体组份的影响，但是在低压和低流速的情况下，一般涡街流量计无法稳定测量，因此在沼气行业的应用上也有所限制。

4. 超声波流量计

超声波流量计是利用时差法的原理来测量。在流体中，顺流而下与逆流而上的超声波会有一个时间差，转换器可以测得这个时间差，流量是与时间差成正比的，所以可以求得流量。

早期的超声波流量计测量气体会受到二氧化碳的干扰，但是随着技术的发展，二氧化碳的含量即使在50%仍然可以正常测量，因此超声波流量计完全可以用于沼气的工况。从原理上可以了解到，超声波流量计的测量不会受到低压力、气体组份波动和水汽的影响，量程比可以达到1:100，完全可以满足计量需求。

超声波流量计的另外一个重要优点是可以测量气体组份。超声波在气体中的传输速度可以通过流量计测得，结合流量计自带的温度传感器，测量介质的分子量就可以测得。沼气主要的成分是甲烷（分子量16）和二氧化碳（分子量44），因此通过混合气体的分子量就可以算出甲烷和二氧化碳的百分比含量。这一特点使得超声波流量计的性价比得到极大的提升，用户购买一台流量计，同时还可以获得气体成分分析仪的附加功能。比如在控制锅炉的燃烧效率时，除了通过流量来控制进风量之外，操作工还可以结合沼气中有效的可燃成分——甲烷的含量来控制进风量。甲烷含量高时，增加进风量，提高氧气的供给，以达到充分燃烧。

前文提到的沼气中因为含有少量的硫化氢而带有腐蚀性的问题，一般仪表（如涡街、热式质量流量计、孔板）通常采用碳钢材质，有些厂家会提供不锈钢材质。不锈钢在耐腐蚀上会比碳钢优异很多，但是硫化氢仍然会对不锈钢有一定的腐蚀。虽然硫化氢的含量很低，但是长时间的运行，日积月累也会对测量元件产生严重的腐蚀。关键的测量元件，如涡街发生体、孔板节流元件、热式质量流量计的热敏元件、超声波流量计的超声波换能器，一旦产生腐蚀，就会对测量造成误差。德国科隆公司生产的气体超声波流量计考虑到了沼气中的硫化氢腐蚀，标准出厂即采用钛材质的换能器，杜绝腐蚀，保证测量的长期稳定性。

总结

政府在大力推进绿色沼气事业的发展，餐厨垃圾的集中回收处理，农业部对禽畜粪便秸秆的厌氧化处理的大力支持，势必会加快沼气发电行业的进展。采用超声波流量计来测量沼气，不但流量测量的精度高，稳定性好，还带有附加的甲烷含量测量功能。政府在支持沼气发电装置的事业，建设和运行都可能获得政府补贴，使用德国科隆的气体超声波流量计可同时获得沼气的流量和质量（即甲烷含量），这将会成为一个发展趋势。