葉　朋　顧志烈　施世信

(天信儀表集團(tuán)有限公司，蒼南 325800)

0　引言

天然氣貿(mào)易交接計(jì)量有體積計(jì)量和能量計(jì)量兩種方式。體積計(jì)量實(shí)現(xiàn)了對(duì)消耗的天然氣體積的積算，而天然氣能量計(jì)量，積算的是有發(fā)熱價(jià)值的“烴類”物質(zhì)的發(fā)熱量，符合交易雙方的利益。在發(fā)達(dá)國家的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中已采用能量計(jì)量方式進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，并制定了天然氣能量計(jì)量國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15112《天然氣能量測(cè)定》。

目前國內(nèi)天然氣輸配管網(wǎng)中，絕大多數(shù)的工商終端用戶和區(qū)域氣體計(jì)量站點(diǎn)，貿(mào)易交接使用燃?xì)怏w積計(jì)量。在少數(shù)計(jì)量場(chǎng)站使用能量計(jì)量貿(mào)易交接，一般采用流量計(jì)算機(jī)的形式計(jì)量。

具備能量計(jì)量功能的體積修正儀與能量計(jì)量管理監(jiān)控中心構(gòu)成的天然氣管網(wǎng)能量計(jì)量與管理系統(tǒng)，將能量計(jì)量擴(kuò)展到所有工商用戶終端和區(qū)域氣體計(jì)量站，可實(shí)現(xiàn)天然氣計(jì)量方式既有能量計(jì)量又有體積計(jì)量，使天然氣流量計(jì)量更科學(xué)、更能體現(xiàn)公平貿(mào)易。

1　能量計(jì)量原理

天然氣的能量就是在基準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣體積量和單位發(fā)熱量的乘積。一定量氣體所含能量(E)為氣體量(Q)與對(duì)應(yīng)發(fā)熱量(Hs)的乘積[1]，在一段時(shí)間內(nèi)總能量即為全部乘積的累積(見式(1))。但為了使能量計(jì)量具有更高的精度，在具備條件的場(chǎng)合，應(yīng)對(duì)天然氣的發(fā)熱量(Hs)和組分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并將信息及時(shí)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量儀表。計(jì)量儀表根據(jù)所測(cè)到的天然氣的壓力、溫度、流量和接收的組分或熱值信息進(jìn)行積算(見式(2))。

E=∑Q·Hs

(1)

(2)

式中：E為天然氣的能量總量，MJ；Q為某段時(shí)間內(nèi)基準(zhǔn)條件下的體積量，m3；F(t)為天然氣在測(cè)量條件下t時(shí)刻的體積流量，m3/s；Hs為某段時(shí)間內(nèi)或t時(shí)刻基準(zhǔn)條件下天然氣單位發(fā)熱量，MJ/m3;p為天然氣壓力，MPa；T為天然氣溫度,K；Z為天然氣壓縮因子；下標(biāo)b代表基準(zhǔn)狀態(tài)，(t)表示在t時(shí)刻。

ISO標(biāo)準(zhǔn)的基本方法為：在一個(gè)計(jì)費(fèi)區(qū)內(nèi)，采用氣相色譜儀測(cè)量交接點(diǎn)進(jìn)氣發(fā)熱量，流量計(jì)算機(jī)在線從氣相色譜儀下載發(fā)熱量計(jì)算能量；或者在輸氣管線系統(tǒng)的交匯處或大流量的城市門站安裝氣相色譜儀，測(cè)量氣質(zhì)數(shù)據(jù)(發(fā)熱量、相對(duì)密度等)，并發(fā)布小時(shí)(或日)平均發(fā)熱量，根據(jù)所有交接點(diǎn)的流量計(jì)計(jì)量的體積量與發(fā)布的平均發(fā)熱量計(jì)算出各交接點(diǎn)的天然氣能量[2]。

2　天然氣管網(wǎng)能量計(jì)量與管理系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

天然氣能量計(jì)量是建立在體積計(jì)量基礎(chǔ)上，涉及流量測(cè)量、組成分析和物性參數(shù)測(cè)定等設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)及方法。設(shè)備通常由氣相色譜儀、流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)以及流量計(jì)算機(jī)、能量計(jì)量體積修正儀等部分組成。

天然氣管網(wǎng)能量計(jì)量與管理系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)整合天然氣能量計(jì)量高端儀器儀表。在能量計(jì)量方面，應(yīng)用了新穎的能量計(jì)量體積修正儀，實(shí)現(xiàn)了天然氣區(qū)域氣體計(jì)量站和工商終端用戶的能量計(jì)量。

圖1　天然氣管網(wǎng)能量計(jì)量與管理系統(tǒng)

能量計(jì)量體積修正儀如圖2所示，是一體化的基于無線通信和能量計(jì)量的體積修正儀，可與羅茨流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)配套使用。修正儀通過無線通信或其他方法獲取燃?xì)獾臒嶂敌畔?，從流量?jì)獲取流速信息以及從所配套的壓力和溫度傳感器獲取燃?xì)鉁囟?、壓力值，按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算方法，計(jì)算天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量和能量。計(jì)算和測(cè)量的能量和體積流量、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，通過無線通信傳送到中心服務(wù)器。修正儀可由電池供電進(jìn)行定時(shí)或定間隔的無線通信，也可由專用安全電源供電實(shí)時(shí)在線工作，可滿足多種場(chǎng)合完成氣質(zhì)信息接收、燃?xì)饽芰颗c體積流量計(jì)量、流量數(shù)據(jù)無線上傳的需要。

圖2　能量計(jì)量體積修正儀

3　能量管理系統(tǒng)軟件和熱值傳遞

在天然氣公司通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立天然氣能量管理系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)天然氣能量管理、管網(wǎng)維護(hù)、內(nèi)部管理三大功能，可由以下幾部分子系統(tǒng)組成：能量計(jì)量系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、站點(diǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)、管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)。

在天然氣組成分析測(cè)定方面，多數(shù)大流量計(jì)量站都配備有外置在線色譜儀，可提供系統(tǒng)相應(yīng)管道的氣質(zhì)信息。天然氣能量管理系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能外，還能夠就地或遠(yuǎn)程與氣相色譜儀通信，讀取組分?jǐn)?shù)據(jù)、熱值等氣質(zhì)信息。根據(jù)燃?xì)獾慕M分信息和熱值信息、燃?xì)夤芫W(wǎng)配置、氣體流場(chǎng)、不同來源天然氣配比、熱值數(shù)學(xué)模型計(jì)算出對(duì)應(yīng)區(qū)域的燃?xì)鈫挝话l(fā)熱量值，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)區(qū)域或氣體計(jì)量站的能量計(jì)量體積修正儀。

在一個(gè)氣質(zhì)區(qū)域內(nèi)使用一個(gè)發(fā)熱量進(jìn)行結(jié)算，可采用指定發(fā)熱量、加權(quán)平均發(fā)熱量[3]、實(shí)時(shí)發(fā)熱量賦值等方式。

在燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)中小計(jì)量站、終端用戶計(jì)量點(diǎn)安裝有配置了能量計(jì)量體積修正儀的流量計(jì)，并以無線通信方式遠(yuǎn)程接收發(fā)布的本區(qū)域熱量值或組分?jǐn)?shù)據(jù)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)采樣的流量、溫度、壓力數(shù)據(jù)，按式(1)或(2)計(jì)算出基準(zhǔn)條件下的體積量和能量增量并進(jìn)行累積得到體積總量和能量。同時(shí)定時(shí)將能量、體積流量等數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到中心服務(wù)器。

4　結(jié)束語

實(shí)施天然氣能量計(jì)量與計(jì)價(jià)，可以通過降低商品氣中CO2的含量來達(dá)到降低天然氣輸送和利用過程中CO2排放，可以提高天然氣輸送熱值，提高輸送效率。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)貿(mào)易公平，保證供需各方的利益。

本應(yīng)用采用遠(yuǎn)傳賦熱值、本地計(jì)能量的方法，使之同時(shí)具備天然氣能量計(jì)量和體積計(jì)量的功能。目前該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入試點(diǎn)應(yīng)用階段。與天然氣公司合作，選擇現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)作為試點(diǎn)，進(jìn)行管網(wǎng)能量計(jì)量升級(jí)改造，正在順利試運(yùn)行中。在運(yùn)行中將對(duì)天然氣能量計(jì)量與管理系統(tǒng)的量值傳遞特性，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

[1]GBT 22723—2008天然氣能量的測(cè)定

[2]楊有濤.天然氣的能量流量的計(jì)量[J/OL].中國測(cè)控網(wǎng).2012-07-20.http://www.ck365.cn/lunwen/201207/20/21360.html

[3]王池,李春輝,王京安,李濤.天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)及方法[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2008(5)

[4]任作新.網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)督與控制系統(tǒng)[M].國防工業(yè)出版社，2007

[5]王平.測(cè)量與控制用無線通信技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008

[6]吳明,孫萬富,周詩崠.油氣儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006

[7]徐兆明,王學(xué)文.天然氣能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化——天然氣計(jì)量改革勢(shì)在必行[J].石油石化節(jié)能，2011(1期)

[8]周志斌,何潤明,何春蕾,羅勤,姚莉.中國實(shí)施天然氣能量計(jì)量與計(jì)價(jià)的基礎(chǔ)條件分析[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2011(10)