李持佳， 王欣瑋， 陳 敏， 肖 勇， 張燕平， 王 遜

(1.北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100035； 2.北京優(yōu)奈特燃?xì)夤こ碳夹g(shù)有限公司， 北京 100023)

1 概述

目前我國(guó)城市天然氣計(jì)量仍采取體積計(jì)量方式，而國(guó)際天然氣貿(mào)易和消費(fèi)通行能量計(jì)量方式。天然氣按能量計(jì)量能保證天然氣的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)按值定價(jià)，確保用戶使用不同天然氣在價(jià)格上的公平性，體現(xiàn)天然氣作為燃料的核心價(jià)值，減少天然氣交易中的供需矛盾。隨著城市燃?xì)舛鄽庠垂飧窬值男纬珊腿蚪?jīng)濟(jì)一體化的加快，按能量計(jì)量已成為我國(guó)天然氣計(jì)量、結(jié)算的必然趨勢(shì)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22723—2008《天然氣能量的測(cè)定》，天然氣能量計(jì)量是測(cè)定一段時(shí)間內(nèi)，通過(guò)某界面的氣體能量。確定氣體熱值是天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)的主要特征和關(guān)鍵之一。天然氣熱值的測(cè)定原理主要有：燃燒、組成分析、物性參數(shù)關(guān)聯(lián)等幾種[1-2]。其中，基于燃燒原理的水流式熱量計(jì)由于操作繁雜而難以應(yīng)用于日常測(cè)量。基于組成分析的色譜儀可以在線連續(xù)測(cè)量，精度高，但系統(tǒng)投資及運(yùn)行維護(hù)成本高，運(yùn)行維護(hù)流程較復(fù)雜，一般在長(zhǎng)輸管線和門站應(yīng)用，以及在熱電廠等對(duì)熱值和組成均關(guān)心的用戶使用。對(duì)大量的下游工商業(yè)用戶，需要選取既能準(zhǔn)確測(cè)定熱值，又安全可靠、使用簡(jiǎn)便、投資及運(yùn)行維護(hù)成本低的設(shè)備?；诩t外氣體分析技術(shù)或物性參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)的在線天然氣熱值儀既可以在線連續(xù)測(cè)量，又具有使用成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，適合于無(wú)需組成測(cè)量的用戶，目前多應(yīng)用于天然氣氣質(zhì)監(jiān)測(cè)以及生產(chǎn)工藝的控制，在天然氣貿(mào)易計(jì)量中應(yīng)用較少。

為確定熱值儀應(yīng)用于下游天然氣能量計(jì)量的可行性，本文建立了基于熱值儀的能量測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)與在線色譜儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到熱值儀測(cè)量偏差、測(cè)量重復(fù)性；通過(guò)連續(xù)運(yùn)行，驗(yàn)證儀器可靠性及穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于改進(jìn)熱值儀熱值測(cè)定程序、提高測(cè)量準(zhǔn)確性，為在供熱廠站、一般工商業(yè)用戶等推廣能量測(cè)量、降低實(shí)施成本提供參考。

2 熱值儀工藝特點(diǎn)

熱值儀可在線測(cè)量天然氣高熱值，測(cè)量原理基于物性關(guān)聯(lián)，由于質(zhì)量流量取決于氣體組成，通過(guò)測(cè)量樣品氣質(zhì)量流量與參考?xì)?12T天然氣)質(zhì)量流量的差異以及測(cè)量溫度和壓力，根據(jù)一定的映射關(guān)系通過(guò)與熱值儀相連的計(jì)算機(jī)中的軟件得到樣品氣熱值與參考?xì)鉄嶂档牟町?，最終由軟件計(jì)算得到樣品氣熱值。

2.1 熱值儀工作原理

熱值儀工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 熱值儀工作原理q0.參考?xì)?q1.樣品氣 q2.排氣1.邏輯單元 2.閥門控制口 3.閥門控制口 4.電磁閥 5.電磁閥 6.管道 7.溫度傳感器 8.壓力傳感器 9.溫度傳感器接口 10.壓力傳感器接口 11.流體限流器(孔口或微型噴嘴) 12.質(zhì)量流量計(jì) 13.質(zhì)量流量傳感器 14.質(zhì)量流量傳感器接口

邏輯單元1通過(guò)閥門控制口2和3，開(kāi)啟閥門4，關(guān)閉閥門5，首先進(jìn)行樣品氣測(cè)量。樣品氣q1進(jìn)入管道，測(cè)定溫度和壓力，并將溫度和壓力通過(guò)溫度傳感器7和壓力傳感器8輸送至邏輯單元1。然后樣品氣進(jìn)入流體限流器11，出來(lái)后進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)12測(cè)定質(zhì)量流量，通過(guò)質(zhì)量流量傳感器13和質(zhì)量流量傳感器接口14，輸送至邏輯單元1。然后關(guān)閉閥門4，開(kāi)啟閥門5，對(duì)參考?xì)?假定為甲烷)進(jìn)行類似測(cè)量，輸出信號(hào)也輸送至邏輯單元1。交替進(jìn)行樣品氣與參考?xì)獾臏y(cè)量，依照熱值與測(cè)量參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，得到樣品氣高熱值，經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)下式[3]：

Qh=A+BY

Y=f1(Za，Zb，Zc)

式中Qh——樣品氣的高熱值，MJ/m3

A，B——關(guān)聯(lián)系數(shù)

Y——熱值的映射參數(shù)，MJ/m3

f1——某函數(shù)

Za，Zb，Zc——參數(shù)因子

qm，1——樣品氣質(zhì)量流量，kg/s

qm，0——參考?xì)赓|(zhì)量流量，kg/s

p1——樣品氣壓力，Pa

p0——參考?xì)鈮毫?，Pa

r,k——限流器設(shè)計(jì)參數(shù)

T1——樣品氣溫度，K

T0——參考?xì)鉁囟?，K

2.2 性能及特點(diǎn)

① 連續(xù)測(cè)量樣品氣和參考?xì)獾馁|(zhì)量流量、溫度及壓力，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)連續(xù)計(jì)算樣品氣熱值，并每隔5 min記錄熱值結(jié)果。

② 對(duì)歐洲天然氣氣源，天然氣熱值測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于1%。

③ 裝置配備儀器記錄數(shù)據(jù)，可以通過(guò)Mini-USB線連接到電腦，并讀取數(shù)據(jù)。在線數(shù)據(jù)可連接到本地SCADA。

④ 操作步驟少，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需人工值守。

⑤ 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，僅需純度99.9%的CH4氣瓶進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。

⑥ 結(jié)構(gòu)緊湊，熱值儀尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為300 mm×140×mm×600 mm ，便于各類用戶安裝使用。

2.3 安裝要求

① 為正確測(cè)量熱值，設(shè)備需要調(diào)節(jié)樣品氣流量至0.12～0.14 m3/ h。

② 工作溫度為0～40 ℃。環(huán)境溫度高于40 ℃時(shí)，需將熱值儀置于有空調(diào)或冷卻設(shè)施的空間內(nèi)。

③ 天然氣壓力為0.1～0.25 MPa。安裝調(diào)壓裝置后，可用于更高壓力的天然氣測(cè)量，可在電廠、供熱廠站、門站使用。

④ 必須具備電源。

⑤ 設(shè)備必須安裝在通風(fēng)良好的地方，因?yàn)槿細(xì)鉁y(cè)得質(zhì)量流量后需要通過(guò)軟管排出，因此需要安裝環(huán)境通風(fēng)良好。

⑥ 設(shè)備可安裝在室外穩(wěn)定的地面上，但必須有防止雨淋、太陽(yáng)輻射、積雪的措施。

⑦ 該設(shè)備可固定在墻上或金屬架子上。

⑧ 設(shè)備停用1 d以上要預(yù)熱至規(guī)定溫度(一般需要45 min左右)。

⑨ 設(shè)備通過(guò)球閥與天然氣管道相連。

3 熱值儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該熱值儀在歐洲已得到應(yīng)用，無(wú)須測(cè)定組成，且測(cè)量準(zhǔn)確度滿足能量計(jì)量要求。由于測(cè)量原理基于熱值和質(zhì)量流量等物理性質(zhì)的映射關(guān)系，該映射關(guān)系與氣源氣質(zhì)有關(guān)，國(guó)內(nèi)燃?xì)馀c歐洲燃?xì)鈿赓|(zhì)存在差異，因此為達(dá)到準(zhǔn)確度要求，需要根據(jù)測(cè)量結(jié)果修正現(xiàn)有映射規(guī)律。分別對(duì)2種氣源進(jìn)行熱值測(cè)定。氣源1為常規(guī)管道天然氣，由CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10、i-C5H12、n-C5H12、N2、CO2等組成。氣源2為煤制天然氣，由CH4、H2、C2H6、C3H8、N2、CO2組成。

圖2為熱值測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括樣品分析箱(含一級(jí)調(diào)壓器、過(guò)濾器)、二級(jí)調(diào)壓器、熱值儀、甲烷氣瓶(甲烷純度99.9%)、放散管、微量水分析儀、H2S分析儀。該實(shí)驗(yàn)裝置將對(duì)兩種氣源進(jìn)行熱值測(cè)定，得到熱值儀與色譜儀的熱值測(cè)定偏差及其重復(fù)性，并驗(yàn)證儀器可靠性及穩(wěn)定性。

樣品氣進(jìn)入樣品分析箱，經(jīng)一級(jí)調(diào)壓器調(diào)壓至0.2～0.3 MPa，經(jīng)一級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾后分為兩部分，一部分進(jìn)入微量水分析儀，測(cè)得水露點(diǎn)；另一部分進(jìn)入二級(jí)過(guò)濾器，去除水分后又分為兩路，一路經(jīng)過(guò)二級(jí)調(diào)壓器調(diào)壓，壓力降至0.1～0.15 MPa后分別進(jìn)入在線色譜儀和熱值儀，分別測(cè)定燃?xì)鉄嶂?，用于比?duì)和能量計(jì)量；第二路進(jìn)入H2S分析儀。最后樣品氣經(jīng)放散管排出室外。熱值儀與計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，測(cè)量結(jié)果由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀出。

圖2 熱值測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1.樣品分析箱 2.一級(jí)調(diào)壓器 3.一級(jí)過(guò)濾器 4.微量水分析儀 5.二級(jí)過(guò)濾器 6.二級(jí)調(diào)壓器 7.熱值儀 8.在線色譜儀 9.H2S分析儀 10.放散管 11.計(jì)算機(jī) 12.甲烷氣瓶

4 結(jié)果及分析

圖3為對(duì)氣源1在相同時(shí)段內(nèi)采用熱值儀和在線色譜儀進(jìn)行高熱值測(cè)量的結(jié)果對(duì)比，其中熱值儀-修正后高熱值曲線將在后文闡述。由圖3可見(jiàn)，對(duì)該常規(guī)天然氣，熱值儀和在線色譜儀測(cè)得的高熱值變化規(guī)律一致，但數(shù)值存在差異，是由于測(cè)量的天然氣氣質(zhì)與熱值儀得到的關(guān)聯(lián)參數(shù)所依據(jù)的天然氣氣質(zhì)存在一定差異，熱值儀尚未根據(jù)當(dāng)?shù)貧庠礆赓|(zhì)進(jìn)行模型和參數(shù)調(diào)整，因此二者測(cè)量結(jié)果不同。

圖3 氣源1的熱值儀和在線色譜儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

對(duì)氣源1，熱值儀與在線色譜儀的高熱值測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差見(jiàn)圖4。由于在線色譜儀定期檢定，滿足貿(mào)易計(jì)量要求，本文認(rèn)為其測(cè)量結(jié)果為氣體真實(shí)高熱值。熱值儀測(cè)量結(jié)果與其相對(duì)誤差可反映熱值儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在該時(shí)間段，在線色譜儀測(cè)量結(jié)果平均值為39.02 MJ/m3，熱值儀測(cè)量結(jié)果平均值為41.14 MJ/m3。熱值儀測(cè)量結(jié)果偏高，與在線色譜儀測(cè)量結(jié)果的最大相對(duì)誤差為9.1%，平均相對(duì)誤差為8.2%。標(biāo)準(zhǔn)偏差反映數(shù)值相對(duì)于平均值的離散程度。測(cè)量結(jié)果偏差的重復(fù)性為0.16%。如果取修正系數(shù)0.924，對(duì)熱值儀測(cè)量結(jié)果加以修正，修正后的測(cè)量曲線見(jiàn)圖3中的熱值儀-修正后高熱值曲線，與在線色譜儀測(cè)量結(jié)果平均相對(duì)誤差降為0.136%，最大相對(duì)誤差降為0.87%。如果能對(duì)模型和關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步修正，可以繼續(xù)提高測(cè)量準(zhǔn)確性，達(dá)到貿(mào)易計(jì)量要求。

圖4 氣源1的熱值儀和在線色譜儀測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差

對(duì)氣源2，也進(jìn)行了類似分析。圖5為相同時(shí)段，采用熱值儀和在線色譜儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比。與氣源1不同，氣源2含有氫氣，而熱值儀的熱值計(jì)算方法中未考慮該組分。對(duì)該氣源的組成采用在線色譜儀進(jìn)行測(cè)定，得到主要組分甲烷和氫氣含量變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.18%和19.5%。以某時(shí)刻甲烷(氫氣)含量與測(cè)量時(shí)間段的甲烷(氫氣)平均含量之比表示組分含量隨時(shí)間的波動(dòng)，得知?dú)錃夂康牟▌?dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甲烷。熱值儀目前未考慮氫氣組分，僅考慮了常規(guī)天然氣組分，色譜儀則已根據(jù)氣質(zhì)組分對(duì)色譜柱進(jìn)行調(diào)整，因此熱值儀對(duì)熱值波動(dòng)的敏感性不及在線色譜儀。因此，為適應(yīng)當(dāng)?shù)貧庠礂l件，熱值儀熱值關(guān)聯(lián)模型和參數(shù)應(yīng)體現(xiàn)氫氣組分影響。

圖5 氣源2的熱值儀和在線色譜儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

介紹一種熱值儀的工作原理、性能和安裝要求。搭建熱值測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，與在線色譜儀比對(duì)，分別對(duì)常規(guī)管道天然氣和煤制天然氣進(jìn)行熱值測(cè)定。對(duì)于常規(guī)管道天然氣，采取修正系數(shù)修正后，與在線色譜儀測(cè)量結(jié)果平均相對(duì)誤差為0.136%。對(duì)于煤制天然氣，熱值儀的熱值計(jì)算方法中未考慮氫氣組分，熱值關(guān)聯(lián)模型和參數(shù)應(yīng)該體現(xiàn)氫氣組分的影響。