熱值儀在天然氣能量計量的應用研究

李持佳， 王欣瑋， 陳 敏， 肖 勇， 張燕平， 王 遜

(1.北京燃氣集團有限責任公司， 北京 100035； 2.北京優奈特燃氣工程技術有限公司， 北京 100023)

1 概述

目前我國城市天然氣計量仍采取體積計量方式，而國際天然氣貿易和消費通行能量計量方式。天然氣按能量計量能保證天然氣的質量，實現按值定價，確保用戶使用不同天然氣在價格上的公平性，體現天然氣作為燃料的核心價值，減少天然氣交易中的供需矛盾。隨著城市燃氣多氣源供氣格局的形成和全球經濟一體化的加快，按能量計量已成為我國天然氣計量、結算的必然趨勢。

根據國家標準GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》，天然氣能量計量是測定一段時間內，通過某界面的氣體能量。確定氣體熱值是天然氣能量計量系統的主要特征和關鍵之一。天然氣熱值的測定原理主要有：燃燒、組成分析、物性參數關聯等幾種[1-2]。其中，基于燃燒原理的水流式熱量計由于操作繁雜而難以應用于日常測量。基于組成分析的色譜儀可以在線連續測量，精度高，但系統投資及運行維護成本高，運行維護流程較復雜，一般在長輸管線和門站應用，以及在熱電廠等對熱值和組成均關心的用戶使用。對大量的下游工商業用戶，需要選取既能準確測定熱值，又安全可靠、使用簡便、投資及運行維護成本低的設備。基于紅外氣體分析技術或物性參數關聯技術的在線天然氣熱值儀既可以在線連續測量，又具有使用成本低、維護簡便等優勢，適合于無需組成測量的用戶，目前多應用于天然氣氣質監測以及生產工藝的控制，在天然氣貿易計量中應用較少。

為確定熱值儀應用于下游天然氣能量計量的可行性，本文建立了基于熱值儀的能量測定實驗系統。通過與在線色譜儀的測量數據進行對比，得到熱值儀測量偏差、測量重復性；通過連續運行，驗證儀器可靠性及穩定性。實驗結果用于改進熱值儀熱值測定程序、提高測量準確性，為在供熱廠站、一般工商業用戶等推廣能量測量、降低實施成本提供參考。

2 熱值儀工藝特點

熱值儀可在線測量天然氣高熱值，測量原理基于物性關聯，由于質量流量取決于氣體組成，通過測量樣品氣質量流量與參考氣(12T天然氣)質量流量的差異以及測量溫度和壓力，根據一定的映射關系通過與熱值儀相連的計算機中的軟件得到樣品氣熱值與參考氣熱值的差異，最終由軟件計算得到樣品氣熱值。

2.1 熱值儀工作原理

熱值儀工作原理見圖1。

圖1 熱值儀工作原理q0.參考氣 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.質量流量計 13.質量流量傳感器 14.質量流量傳感器接口

邏輯單元1通過閥門控制口2和3，開啟閥門4，關閉閥門5，首先進行樣品氣測量。樣品氣q1進入管道，測定溫度和壓力，并將溫度和壓力通過溫度傳感器7和壓力傳感器8輸送至邏輯單元1。然后樣品氣進入流體限流器11，出來后進入質量流量計12測定質量流量，通過質量流量傳感器13和質量流量傳感器接口14，輸送至邏輯單元1。然后關閉閥門4，開啟閥門5，對參考氣(假定為甲烷)進行類似測量，輸出信號也輸送至邏輯單元1。交替進行樣品氣與參考氣的測量，依照熱值與測量參數的經驗公式，得到樣品氣高熱值，經驗公式見下式[3]：

Qh=A+BY

Y=f1(Za，Zb，Zc)

式中Qh——樣品氣的高熱值，MJ/m3

A，B——關聯系數

Y——熱值的映射參數，MJ/m3

f1——某函數

Za，Zb，Zc——參數因子

qm，1——樣品氣質量流量，kg/s

qm，0——參考氣質量流量，kg/s

p1——樣品氣壓力，Pa

p0——參考氣壓力，Pa

r,k——限流器設計參數

T1——樣品氣溫度，K

T0——參考氣溫度，K

2.2 性能及特點

① 連續測量樣品氣和參考氣的質量流量、溫度及壓力，數據采集分析系統連續計算樣品氣熱值，并每隔5 min記錄熱值結果。

② 對歐洲天然氣氣源，天然氣熱值測量準確度優于1%。

③ 裝置配備儀器記錄數據，可以通過Mini-USB線連接到電腦，并讀取數據。在線數據可連接到本地SCADA。

④ 操作步驟少，操作簡單，無需人工值守。

⑤ 運行維護費用低，僅需純度99.9%的CH4氣瓶進行自動校準。

⑥ 結構緊湊，熱值儀尺寸(長×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 為正確測量熱值，設備需要調節樣品氣流量至0.12～0.14 m3/ h。

② 工作溫度為0～40 ℃。環境溫度高于40 ℃時，需將熱值儀置于有空調或冷卻設施的空間內。

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

④ 必須具備電源。

⑤ 設備必須安裝在通風良好的地方，因為燃氣測得質量流量后需要通過軟管排出，因此需要安裝環境通風良好。

⑥ 設備可安裝在室外穩定的地面上，但必須有防止雨淋、太陽輻射、積雪的措施。

⑦ 該設備可固定在墻上或金屬架子上。

⑧ 設備停用1 d以上要預熱至規定溫度(一般需要45 min左右)。

⑨ 設備通過球閥與天然氣管道相連。

3 熱值儀測定實驗系統

該熱值儀在歐洲已得到應用，無須測定組成，且測量準確度滿足能量計量要求。由于測量原理基于熱值和質量流量等物理性質的映射關系，該映射關系與氣源氣質有關，國內燃氣與歐洲燃氣氣質存在差異，因此為達到準確度要求，需要根據測量結果修正現有映射規律。分別對2種氣源進行熱值測定。氣源1為常規管道天然氣，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為熱值測定實驗系統。該系統包括樣品分析箱(含一級調壓器、過濾器)、二級調壓器、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。該實驗裝置將對兩種氣源進行熱值測定，得到熱值儀與色譜儀的熱值測定偏差及其重復性，并驗證儀器可靠性及穩定性。

樣品氣進入樣品分析箱，經一級調壓器調壓至0.2～0.3 MPa，經一級過濾器過濾后分為兩部分，一部分進入微量水分析儀，測得水露點；另一部分進入二級過濾器，去除水分后又分為兩路，一路經過二級調壓器調壓，壓力降至0.1～0.15 MPa后分別進入在線色譜儀和熱值儀，分別測定燃氣熱值，用于比對和能量計量；第二路進入H2S分析儀。最后樣品氣經放散管排出室外。熱值儀與計算機通過數據線連接，測量結果由數據采集系統讀出。

圖2 熱值測定實驗系統1.樣品分析箱 2.一級調壓器 3.一級過濾器 4.微量水分析儀 5.二級過濾器 6.二級調壓器 7.熱值儀 8.在線色譜儀 9.H2S分析儀 10.放散管 11.計算機 12.甲烷氣瓶

4 結果及分析

圖3為對氣源1在相同時段內采用熱值儀和在線色譜儀進行高熱值測量的結果對比，其中熱值儀-修正后高熱值曲線將在后文闡述。由圖3可見，對該常規天然氣，熱值儀和在線色譜儀測得的高熱值變化規律一致，但數值存在差異，是由于測量的天然氣氣質與熱值儀得到的關聯參數所依據的天然氣氣質存在一定差異，熱值儀尚未根據當地氣源氣質進行模型和參數調整，因此二者測量結果不同。

圖3 氣源1的熱值儀和在線色譜儀的測量結果對比

對氣源1，熱值儀與在線色譜儀的高熱值測量結果相對誤差見圖4。由于在線色譜儀定期檢定，滿足貿易計量要求，本文認為其測量結果為氣體真實高熱值。熱值儀測量結果與其相對誤差可反映熱值儀測量結果的準確性。在該時間段，在線色譜儀測量結果平均值為39.02 MJ/m3，熱值儀測量結果平均值為41.14 MJ/m3。熱值儀測量結果偏高，與在線色譜儀測量結果的最大相對誤差為9.1%，平均相對誤差為8.2%。標準偏差反映數值相對于平均值的離散程度。測量結果偏差的重復性為0.16%。如果取修正系數0.924，對熱值儀測量結果加以修正，修正后的測量曲線見圖3中的熱值儀-修正后高熱值曲線，與在線色譜儀測量結果平均相對誤差降為0.136%，最大相對誤差降為0.87%。如果能對模型和關聯系數進行進一步修正，可以繼續提高測量準確性，達到貿易計量要求。

圖4 氣源1的熱值儀和在線色譜儀測量結果相對誤差

對氣源2，也進行了類似分析。圖5為相同時段，采用熱值儀和在線色譜儀的測量結果對比。與氣源1不同，氣源2含有氫氣，而熱值儀的熱值計算方法中未考慮該組分。對該氣源的組成采用在線色譜儀進行測定，得到主要組分甲烷和氫氣含量變化的相對標準偏差分別為0.18%和19.5%。以某時刻甲烷(氫氣)含量與測量時間段的甲烷(氫氣)平均含量之比表示組分含量隨時間的波動，得知氫氣含量的波動遠遠大于甲烷。熱值儀目前未考慮氫氣組分，僅考慮了常規天然氣組分，色譜儀則已根據氣質組分對色譜柱進行調整，因此熱值儀對熱值波動的敏感性不及在線色譜儀。因此，為適應當地氣源條件，熱值儀熱值關聯模型和參數應體現氫氣組分影響。

圖5 氣源2的熱值儀和在線色譜儀的測量結果對比

5 結論

介紹一種熱值儀的工作原理、性能和安裝要求。搭建熱值測定實驗系統，與在線色譜儀比對，分別對常規管道天然氣和煤制天然氣進行熱值測定。對于常規管道天然氣，采取修正系數修正后，與在線色譜儀測量結果平均相對誤差為0.136%。對于煤制天然氣，熱值儀的熱值計算方法中未考慮氫氣組分，熱值關聯模型和參數應該體現氫氣組分的影響。