孫治鵬，林尚喜，涂世明，陳永生

（天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

伴隨國家倡導(dǎo)人與自然和諧共生，走綠色可持續(xù)發(fā)展之路，天然氣作為清潔高效的能源在國內(nèi)的占比也逐步提高。天然氣作為能源物質(zhì)，其最終價(jià)值在于其產(chǎn)生的能量值，所以貿(mào)易交接的計(jì)量方式和公平性問題成為貿(mào)易雙方的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。歐美等成熟市場已按照ISO /DIS 15112國際標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施大家認(rèn)可的能量計(jì)量結(jié)算為主[1]，中國雖緊隨國際標(biāo)準(zhǔn)制定了相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但目前除了部分LNG接收站和上游大型管網(wǎng)進(jìn)口買入時(shí)采用能量交接，其余仍以體積計(jì)量為主，特別是下游工商業(yè)用戶。

歸其原因一個(gè)是相關(guān)的法律法規(guī)、價(jià)格政策、計(jì)量方法技術(shù)仍在不斷地完善中，另外為能量計(jì)量系統(tǒng)所需的儀器儀表和配套設(shè)備多為國外進(jìn)口、價(jià)格高，難于滿足大范圍、廣域的市場需求。國內(nèi)天然氣大部分依靠進(jìn)口，氣源較多、質(zhì)量參差不齊，體積發(fā)熱量差異高達(dá)31%以上，所以對(duì)能量計(jì)量更加的迫切[2]。2019年5月國家發(fā)改委、能源局等部門制定了《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》，再次強(qiáng)調(diào)管網(wǎng)運(yùn)營企業(yè)要采用天然氣熱值計(jì)量，并要求在24個(gè)月內(nèi)建立天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系，確認(rèn)在2021年5月份國內(nèi)干線管網(wǎng)公司采用能量交接方式。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種適用于城鎮(zhèn)燃?xì)舛说脑诰€型實(shí)時(shí)能量計(jì)量系統(tǒng)，以滿足城鎮(zhèn)燃?xì)舛擞脩舻挠?jì)量需求。

1 天然氣能量計(jì)量的原理

根據(jù)GB/T 22723《天然氣能量的測定》標(biāo)準(zhǔn)，天然氣的能量測定是基于隨時(shí)間而變化的氣體流量Qb(t)和發(fā)熱量Hs(t)在測定時(shí)間內(nèi)的積分[3]。計(jì)算時(shí)間t0～t1內(nèi)流過的能量E，計(jì)算可以表示為：

式（1）中：

E——天然氣的能量總量，單位：MJ。

Q——天然氣基準(zhǔn)條件下的體積流量，單位：m3。

Hs——天然氣單位高位發(fā)熱量，單位：MJ/m3。

P——天然氣壓力，單位：MPa。

T——天然氣溫度，單位：K。

Z——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）。

由式（1）可知，天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)的測量精度除了受溫度、壓力、流量計(jì)、氣體組分和計(jì)算精度影響外，還受到各分量采集計(jì)算的頻率影響。

2 能量計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由能量計(jì)量原理和數(shù)學(xué)模型公式可知，要計(jì)算天然氣的能量，需要獲得標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積量和單位熱值。

天然氣的單位發(fā)熱量的測定方法有直接測量法和間接測量法。直接測量法采用直接燃燒熱量傳遞到熱交換介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，該方法使用設(shè)備較為復(fù)雜，不適用城鎮(zhèn)燃?xì)舛恕ｉg接測量法采用氣相色譜儀、光質(zhì)聯(lián)用儀等獲得天然氣組分進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算法又分為離線式和在線式。離線式為定時(shí)定點(diǎn)取樣到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，精度較高但實(shí)時(shí)性不佳，熱值組分的傳遞需要配套遠(yuǎn)程站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在線式相比離線式具有分析速度快、實(shí)時(shí)性好、自動(dòng)化操作受人為因素影響小，特別適用于氣源多和復(fù)雜的場合，因此也是國際上較為普遍使用的方法。

天然氣的工況流量一般是通過氣體流量計(jì)測量獲得，再采集管道上的溫度、壓力等，由體積修正儀或流量計(jì)算機(jī)等電子轉(zhuǎn)換設(shè)備，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積量。在上游高壓管線普遍采用的流量計(jì)算機(jī)配套溫度、壓力變送器組成體積計(jì)量系統(tǒng)，精度較高但投入成本較大。目前，市場的體積修正儀的穩(wěn)定性和精度已相當(dāng)高，具有防爆功能可直接在現(xiàn)場與流量計(jì)集成，且均已帶有能量計(jì)算功能。因此，綜合考慮更適用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖哪芰坑?jì)量系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能量計(jì)量[4,5]。

圖1 能量計(jì)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy metering system

圖2 采樣系統(tǒng)框圖Fig.2 Sampling system block diagram

本系統(tǒng)也基于以上設(shè)計(jì)，采用在線式氣相色譜儀、氣體流量計(jì)、能量計(jì)量修正儀配套溫壓傳感器和取樣預(yù)處理裝置，組成一款緊湊型高性價(jià)比能量計(jì)量系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

如圖1能量計(jì)量系統(tǒng)圖所示，城鎮(zhèn)燃?xì)庥媚芰坑?jì)量系統(tǒng)由氣體流量計(jì)、預(yù)處理系統(tǒng)、氣相色譜儀和能量計(jì)量修正儀組成。取樣裝置采集天然氣樣品經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)達(dá)到符合要求的待分析氣體，進(jìn)入色譜分析儀進(jìn)行在線分析計(jì)算，獲得氣體組分參數(shù)、相對(duì)密度和發(fā)熱量。氣質(zhì)數(shù)據(jù)通過（如RS485、RS232、以太網(wǎng)）實(shí)時(shí)通信方式傳輸?shù)侥芰坑?jì)量修正儀，同時(shí)，修正儀結(jié)合采集的工況條件下的體積量、壓力、溫度和壓縮因子修正計(jì)算，獲得某一時(shí)間段內(nèi)天然氣的能量。

2.1 采樣預(yù)處理系統(tǒng)

能量計(jì)量系統(tǒng)的采樣預(yù)處理系統(tǒng)一般由取樣裝置、減壓設(shè)備、安全保護(hù)設(shè)備、流量調(diào)節(jié)裝置等組成，其整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖3 GENIE自帶減壓探頭在中貴管線高壓門站的安裝圖Fig.3 Installation drawing of Genie pressure reducing probe in high pressure gate station of Zhonggui pipeline

取樣裝置負(fù)責(zé)天然氣樣氣的采集，廠家較多，如美國GENIE、日本RIKEN、德國ENOTEC和國產(chǎn)的遠(yuǎn)寰等。其功能參差不齊，有鋼瓶式、活塞式、在線式，有自帶減壓、加溫、反向吹掃等附加功能的特點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用GENIE GPR系列在線式采樣探頭，該探頭具有壓力可調(diào)、在線安裝拆卸、維護(hù)簡便等特點(diǎn)。探頭頭部安裝有可替換的隔膜和過濾器，有效解決了不同場景下惡劣氣質(zhì)產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象。為了所取得的樣氣具有代表性，一般探頭需深入管道1/3～1/2處，該探頭尺寸可選、安裝深度可調(diào)，更方便達(dá)到所需要求[6]。

城鎮(zhèn)燃?xì)獠煌墓芫W(wǎng)系統(tǒng)中有不同的壓力等級(jí)控制，如工商業(yè)、小區(qū)居民等管線一般只需要中低壓，處理系統(tǒng)只需一級(jí)減壓即可，而大型工業(yè)用戶和區(qū)域門站則為次高壓甚至為高壓燃?xì)?，需要多?jí)的減壓以達(dá)到穩(wěn)定壓力的樣氣輸送到分析儀器內(nèi)[7]。采用自帶減壓的探頭（如GENIE GPR系列）不僅可以作為一級(jí)減壓而且還解決了由于高壓采樣管多、長導(dǎo)致的分析延時(shí)問題，如圖3為GENIE自帶減壓探頭在中貴管線高壓門站的安裝圖。安全保護(hù)設(shè)備主要是對(duì)管道內(nèi)的泄漏、過壓、低溫和反向逆流等進(jìn)行保護(hù)的裝置，過壓的保護(hù)一般采用安全閥對(duì)設(shè)備故障時(shí)產(chǎn)生的管道過壓進(jìn)行卸放到放空管。色譜分析儀對(duì)使用環(huán)境和樣氣的溫度較敏感，特別是減壓產(chǎn)生的低溫容易影響其測量精度，所以按照應(yīng)用場合增加溫度保護(hù)設(shè)備，如電伴熱，有必要的還可增加防爆空調(diào)等裝置。

2.2 在線色譜分析儀

氣相色譜法是一種物理化學(xué)分離分析的方法，其工作原理是氣樣被載氣帶入色譜柱時(shí)，由于固定相對(duì)各組分的吸附和溶解能力不同，導(dǎo)致移動(dòng)速度的快慢不同，分配系數(shù)小的組分比分配系數(shù)大的組分先流出色譜柱，從而達(dá)到分離效果。分離后的各組分被檢測器，如熱導(dǎo)檢測器（TCD）檢測達(dá)到定量的分析效果[8]。市場上生產(chǎn)天然氣氣相色譜儀的廠家較多，有Elster EnCal3000、Emerson Daniel570、Agilent3000A、ABB NGC8206、Siemens SAM等。本計(jì)量系統(tǒng)采用的是一款國產(chǎn)自制高可靠、高集成TGC型在線色譜分析儀，表1是其與天然氣上常用品牌的幾款色譜儀主要性能進(jìn)行的比較。

表1 色譜儀性能參數(shù)比較Table 1 Comparison of performance parameters of chromatograph

圖4 TGC色譜儀原理框圖Fig.4 Principle block diagram of TGC chromatograph

該色譜分析儀綜合性價(jià)比較其它幾款國際品牌更高，其采用ISO6976算法，可同時(shí)測量3路樣氣，實(shí)現(xiàn)C6+以下組分高速分析。除了在線色譜儀基礎(chǔ)功能外，還設(shè)計(jì)了多路模擬數(shù)字輸入輸出接口，集成了有線RS485/RS232通信、以太網(wǎng)和4G無線等多種通信方式，應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場景。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示，采用24V DC供電，設(shè)計(jì)有電源檢測和短路保護(hù)電路，用DC-DC模塊隔離外部電源干擾，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。主控芯片采用雙核處理器設(shè)計(jì)搭載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，省去了復(fù)雜的工控板卡，簡化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

2.3 能量計(jì)量修正儀

帶能量計(jì)量的修正儀必要的組成有用于計(jì)算修正的微型處理器和完成計(jì)量所需的各功能模塊。其功能模塊一般包括：電源管理模塊、信號(hào)采集模塊、通信模塊、I/O接口、人機(jī)交互接口。本文設(shè)計(jì)帶能量計(jì)量修正儀為天信FCM-X型修正儀，除以上幾大塊必要性功能外，還采用了防盜氣技術(shù)、自診斷技術(shù)、智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)無線通信等各種技術(shù)，豐富修正儀功能，如圖5所示。

電源管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)外電源進(jìn)行電源檢測、控制管理和為各個(gè)模塊提供可靠的電源。為了使整個(gè)能量計(jì)量系統(tǒng)更加簡潔，修正儀的電源采用與色譜儀通用的24V供電設(shè)計(jì)并進(jìn)行硬件隔離。信號(hào)采集模塊包括：溫度傳感器、壓力傳感器、流量信號(hào)傳感器，為計(jì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的輸入。由于溫度、壓力的采集精度對(duì)系統(tǒng)誤差影響較大，特別采用了高度集成的高精度數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字壓力傳感器，壓力的測量還加入了分段修正和溫度補(bǔ)償修正功能。物理量I/O接口用于檢測值、報(bào)警值、計(jì)量值等物理量的輸入輸出[5]。

為了實(shí)現(xiàn)天然氣組份和熱值的傳遞，通信模塊設(shè)計(jì)成目前主流的4G、NB-IoT遠(yuǎn)程無線通信搭配RS485有線傳輸通信和標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議。有線RS485通信與色譜儀實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)氣質(zhì)數(shù)據(jù)的交換，遠(yuǎn)傳模塊則負(fù)責(zé)定時(shí)將本地狀態(tài)監(jiān)測和計(jì)量數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控和抄表功能。

2.4 整體防爆設(shè)計(jì)

城鎮(zhèn)燃?xì)庥?jì)量場所大部分為危險(xiǎn)區(qū)域，為了適用于存在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的使用，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)并符合國家防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用要求。計(jì)量系統(tǒng)整體采用本安與隔爆結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。色譜儀和隔爆箱均為隔爆型設(shè)計(jì)，采用防爆管連接，電源接入AC-DC轉(zhuǎn)換模塊和保護(hù)模塊，通過防爆箱內(nèi)的安全柵能量限制與修正儀連接，整體設(shè)計(jì)符合1區(qū)IIB T4氣體組別。

修正儀的防爆類型按照GB 3836.4標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)[9]。內(nèi)部電池為專用ER34615型鋰-亞硫酰氯鋰電，有內(nèi)阻大、放電時(shí)間長、短路電流相對(duì)較小的特點(diǎn)，并經(jīng)過能量限制和火花點(diǎn)燃試驗(yàn)，符合防爆要求。不同電源系統(tǒng)采用光耦合器件做能量的隔離，采用功率滿足安全系數(shù)1.5倍的金屬膜電阻、鉗位二極管、齊納穩(wěn)壓二極管進(jìn)行能量限制和保護(hù)。對(duì)于電路板上表面積大于20mm2的元件，進(jìn)行了功率限制，對(duì)小器件通過熱阻計(jì)算表面溫升均符合T4的要求。電源和通信的引入經(jīng)過帶保護(hù)的安全柵隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖5 修正儀原理框圖Fig.5 Principle block diagram of corrector

圖6 系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 System explosion proof design diagram

氣相色譜儀采用隔爆型設(shè)計(jì)，面板玻璃為符合厚度及強(qiáng)度的隔爆玻璃，開孔螺紋為隔爆螺紋。內(nèi)部腔體體積、殼體厚度和隔爆面設(shè)計(jì)成符合GB 3836.1要求的尺寸[10]。系統(tǒng)間的鏈接采用防爆電纜和防爆箱防護(hù)，符合防爆要求且可安裝維護(hù)性高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

能量計(jì)量系統(tǒng)核心軟件為氣質(zhì)分析部分和能量計(jì)量部分，分別集成在色譜分析儀和修正儀內(nèi)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，遵循軟件模塊化原則。各功能模塊相互獨(dú)立、功能單一，降低了復(fù)雜度，提高了可靠性和代碼的復(fù)用性，使軟件結(jié)構(gòu)清晰、易于閱讀、調(diào)試與升級(jí)維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)采用前后臺(tái)的控制方式來協(xié)調(diào)各功能模塊，主程序平時(shí)處于休眠或待機(jī)模式，當(dāng)有外部或內(nèi)部事件任務(wù)觸發(fā)中斷時(shí)，程序進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，調(diào)用功能函數(shù)完成任務(wù)，如圖7所示。

圖7 修正儀主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart of corrector

圖8 能量計(jì)量系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.8 Energy metering system test prototype

另外，在軟件處理中還對(duì)組分計(jì)算進(jìn)行歸一化處理，在修正儀中植入了天然氣、空氣、N2、H2等氣體的壓縮系數(shù)計(jì)算模型，對(duì)于天然氣還集成了AGA8-G1/G2、AGA NX-19和SGERG-88壓縮因子計(jì)算模型可供選擇，以滿足不同計(jì)量場合的需要。

4 系統(tǒng)性能分析與試驗(yàn)

圖9 色譜儀分析數(shù)據(jù)顯示界面Fig.9 Analysis data display interface of chromatograph

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和測量性能，按設(shè)計(jì)搭建了一套能量計(jì)量系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)，其外觀如圖8所示。管道上安裝為天信DN80口徑、準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)的TBQM型氣體渦輪流量計(jì)，其性能指標(biāo)按照EN12261設(shè)計(jì)，通過歐盟認(rèn)證，與FCM-X能量計(jì)量修正儀配套使用，整體防爆性能為Ex ib IIB T4，符合燃?xì)庥?jì)量的危險(xiǎn)場所已使用并大量用于城市燃?xì)獾墓ど虡I(yè)計(jì)量。管道兩端安裝波紋管至穩(wěn)定的風(fēng)機(jī)，樣氣注入端接上已知組分的天然氣標(biāo)準(zhǔn)氣瓶進(jìn)行分析，每隔10min讀取一次數(shù)據(jù)顯示，如圖9所示。

由上文公式（1）可知，系統(tǒng)的不確定度受參比條件體積測量的不確定度、單位發(fā)熱量與計(jì)算方法等因素引入的不確定度的影響，可表示為：

式（2）中，u(qn)——計(jì)量參比條件下的體積流量的不確定度。

表2 色譜分析發(fā)熱量數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 2 Comparison of calorific value data of chromatographic analysis

u(H?)——混合氣體單位提交發(fā)熱量的不確定度。

u(o)——積分方法及其他因素引入的不確定度。

計(jì)量參比條件下的不確定度受流量、溫度、壓力、組分測量和計(jì)算方法模型影響，城燃用系統(tǒng)已普遍由1.0級(jí)基表配0.5級(jí)修正儀組成的系統(tǒng)，考慮其矩陣分布，不確定度引入為0.87%。高位發(fā)熱量測試受到色譜分析儀本身的測量性能、標(biāo)氣標(biāo)定、組分變化的影響，試驗(yàn)測試3次與理論對(duì)比的相對(duì)示值誤差見表2，因此可按照0.5%考慮。

另外，由計(jì)算方法模型、測量穩(wěn)定性及不匹配誤差按照0.1%考慮[11]。由以上測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算格式可得：整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度可以做到1.5%，可滿足城鎮(zhèn)燃?xì)庥?jì)量系統(tǒng)精度要求。

5 結(jié)語

為了響應(yīng)國內(nèi)天然氣能量計(jì)量的號(hào)召，通過對(duì)能量計(jì)量原理和系統(tǒng)的研究，本文給出了一種適用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾哪芰坑?jì)量的相對(duì)低成本、高集成度、高實(shí)時(shí)性的在線型能量計(jì)量系統(tǒng)解決方案，并通過樣機(jī)的制作和測試給予論證。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)整體的不確定度可以控制在1.5%以內(nèi)，相比現(xiàn)有市場采用流量計(jì)算機(jī)配套高精度溫度壓力變送器和高精度流量計(jì)模式相比有一定差距。但綜合考慮，其在城鎮(zhèn)燃?xì)庥?jì)量場所的適用性更強(qiáng)，可滿足日益增多的下游管線能量計(jì)量需求，確保了用戶在天然氣價(jià)格上的公平性，體現(xiàn)了天然氣作為燃料的核心價(jià)值，減少了交易中的供需矛盾。