城燃用天然氣在線能量計量系統的研制

孫治鵬，林尚喜，涂世明，陳永生

（天信儀表集團有限公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

伴隨國家倡導人與自然和諧共生，走綠色可持續發展之路，天然氣作為清潔高效的能源在國內的占比也逐步提高。天然氣作為能源物質，其最終價值在于其產生的能量值，所以貿易交接的計量方式和公平性問題成為貿易雙方的一個關注點。歐美等成熟市場已按照ISO /DIS 15112國際標準實施大家認可的能量計量結算為主[1]，中國雖緊隨國際標準制定了相對應的標準，但目前除了部分LNG接收站和上游大型管網進口買入時采用能量交接，其余仍以體積計量為主，特別是下游工商業用戶。

歸其原因一個是相關的法律法規、價格政策、計量方法技術仍在不斷地完善中，另外為能量計量系統所需的儀器儀表和配套設備多為國外進口、價格高，難于滿足大范圍、廣域的市場需求。國內天然氣大部分依靠進口，氣源較多、質量參差不齊，體積發熱量差異高達31%以上，所以對能量計量更加的迫切[2]。2019年5月國家發改委、能源局等部門制定了《油氣管網設施公平開放監管辦法》，再次強調管網運營企業要采用天然氣熱值計量，并要求在24個月內建立天然氣能量計量計價體系，確認在2021年5月份國內干線管網公司采用能量交接方式。

鑒于此，本文設計了一種適用于城鎮燃氣端的在線型實時能量計量系統，以滿足城鎮燃氣端用戶的計量需求。

1 天然氣能量計量的原理

根據GB/T 22723《天然氣能量的測定》標準，天然氣的能量測定是基于隨時間而變化的氣體流量Qb(t)和發熱量Hs(t)在測定時間內的積分[3]。計算時間t0～t1內流過的能量E，計算可以表示為：

式（1）中：

E——天然氣的能量總量，單位：MJ。

Q——天然氣基準條件下的體積流量，單位：m3。

Hs——天然氣單位高位發熱量，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“b”代表基準狀態，（t）表示在t時刻）。

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

2 能量計量系統設計

由能量計量原理和數學模型公式可知，要計算天然氣的能量，需要獲得標準條件下的體積量和單位熱值。

天然氣的單位發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進行計算，該方法使用設備較為復雜，不適用城鎮燃氣端。間接測量法采用氣相色譜儀、光質聯用儀等獲得天然氣組分進行計算，計算法又分為離線式和在線式。離線式為定時定點取樣到實驗室進行分析，精度較高但實時性不佳，熱值組分的傳遞需要配套遠程站控系統實現。在線式相比離線式具有分析速度快、實時性好、自動化操作受人為因素影響小，特別適用于氣源多和復雜的場合，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算機等電子轉換設備，轉換成標準參比條件下的體積量。在上游高壓管線普遍采用的流量計算機配套溫度、壓力變送器組成體積計量系統，精度較高但投入成本較大。目前，市場的體積修正儀的穩定性和精度已相當高，具有防爆功能可直接在現場與流量計集成，且均已帶有能量計算功能。因此，綜合考慮更適用于城鎮燃氣管道的能量計量系統中，實現實時能量計量[4,5]。

圖1 能量計量系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy metering system

圖2 采樣系統框圖Fig.2 Sampling system block diagram

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

如圖1能量計量系統圖所示，城鎮燃氣用能量計量系統由氣體流量計、預處理系統、氣相色譜儀和能量計量修正儀組成。取樣裝置采集天然氣樣品經過預處理系統達到符合要求的待分析氣體，進入色譜分析儀進行在線分析計算，獲得氣體組分參數、相對密度和發熱量。氣質數據通過（如RS485、RS232、以太網）實時通信方式傳輸到能量計量修正儀，同時，修正儀結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算，獲得某一時間段內天然氣的能量。

2.1 采樣預處理系統

能量計量系統的采樣預處理系統一般由取樣裝置、減壓設備、安全保護設備、流量調節裝置等組成，其整個系統框圖如圖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

取樣裝置負責天然氣樣氣的采集，廠家較多，如美國GENIE、日本RIKEN、德國ENOTEC和國產的遠寰等。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。本系統設計采用GENIE GPR系列在線式采樣探頭，該探頭具有壓力可調、在線安裝拆卸、維護簡便等特點。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產生的堵塞現象。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，更方便達到所需要求[6]。

城鎮燃氣不同的管網系統中有不同的壓力等級控制，如工商業、小區居民等管線一般只需要中低壓，處理系統只需一級減壓即可，而大型工業用戶和區域門站則為次高壓甚至為高壓燃氣，需要多級的減壓以達到穩定壓力的樣氣輸送到分析儀器內[7]。采用自帶減壓的探頭（如GENIE GPR系列）不僅可以作為一級減壓而且還解決了由于高壓采樣管多、長導致的分析延時問題，如圖3為GENIE自帶減壓探頭在中貴管線高壓門站的安裝圖。安全保護設備主要是對管道內的泄漏、過壓、低溫和反向逆流等進行保護的裝置，過壓的保護一般采用安全閥對設備故障時產生的管道過壓進行卸放到放空管。色譜分析儀對使用環境和樣氣的溫度較敏感，特別是減壓產生的低溫容易影響其測量精度，所以按照應用場合增加溫度保護設備，如電伴熱，有必要的還可增加防爆空調等裝置。

2.2 在線色譜分析儀

氣相色譜法是一種物理化學分離分析的方法，其工作原理是氣樣被載氣帶入色譜柱時，由于固定相對各組分的吸附和溶解能力不同，導致移動速度的快慢不同，分配系數小的組分比分配系數大的組分先流出色譜柱，從而達到分離效果。分離后的各組分被檢測器，如熱導檢測器（TCD）檢測達到定量的分析效果[8]。市場上生產天然氣氣相色譜儀的廠家較多，有Elster EnCal3000、Emerson Daniel570、Agilent3000A、ABB NGC8206、Siemens SAM等。本計量系統采用的是一款國產自制高可靠、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行的比較。

表1 色譜儀性能參數比較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比較其它幾款國際品牌更高，其采用ISO6976算法，可同時測量3路樣氣，實現C6+以下組分高速分析。除了在線色譜儀基礎功能外，還設計了多路模擬數字輸入輸出接口，集成了有線RS485/RS232通信、以太網和4G無線等多種通信方式，應對不同的應用場景。系統總體設計如圖4所示，采用24V DC供電，設計有電源檢測和短路保護電路，用DC-DC模塊隔離外部電源干擾，為系統提供穩定的電壓。主控芯片采用雙核處理器設計搭載實時操作系統，省去了復雜的工控板卡，簡化了系統電路設計。

2.3 能量計量修正儀

帶能量計量的修正儀必要的組成有用于計算修正的微型處理器和完成計量所需的各功能模塊。其功能模塊一般包括：電源管理模塊、信號采集模塊、通信模塊、I/O接口、人機交互接口。本文設計帶能量計量修正儀為天信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、自診斷技術、智能傳感器、物聯網無線通信等各種技術，豐富修正儀功能，如圖5所示。

電源管理模塊負責對內外電源進行電源檢測、控制管理和為各個模塊提供可靠的電源。為了使整個能量計量系統更加簡潔，修正儀的電源采用與色譜儀通用的24V供電設計并進行硬件隔離。信號采集模塊包括：溫度傳感器、壓力傳感器、流量信號傳感器，為計量提供基礎數據的輸入。由于溫度、壓力的采集精度對系統誤差影響較大，特別采用了高度集成的高精度數字溫度傳感器和數字壓力傳感器，壓力的測量還加入了分段修正和溫度補償修正功能。物理量I/O接口用于檢測值、報警值、計量值等物理量的輸入輸出[5]。

為了實現天然氣組份和熱值的傳遞，通信模塊設計成目前主流的4G、NB-IoT遠程無線通信搭配RS485有線傳輸通信和標準MODBUS協議。有線RS485通信與色譜儀實時交互，實現氣質數據的交換，遠傳模塊則負責定時將本地狀態監測和計量數據上傳到遠程數據中心，從而達到遠程監控和抄表功能。

2.4 整體防爆設計

城鎮燃氣計量場所大部分為危險區域，為了適用于存在爆炸性危險環境的使用，需要對整個系統進行防爆設計并符合國家防爆標準規定的使用要求。計量系統整體采用本安與隔爆結合的方式進行設計，其系統防爆設計示意圖如圖6所示。色譜儀和隔爆箱均為隔爆型設計，采用防爆管連接，電源接入AC-DC轉換模塊和保護模塊，通過防爆箱內的安全柵能量限制與修正儀連接，整體設計符合1區IIB T4氣體組別。

修正儀的防爆類型按照GB 3836.4標準的本質安全型設計[9]。內部電池為專用ER34615型鋰-亞硫酰氯鋰電，有內阻大、放電時間長、短路電流相對較小的特點，并經過能量限制和火花點燃試驗，符合防爆要求。不同電源系統采用光耦合器件做能量的隔離，采用功率滿足安全系數1.5倍的金屬膜電阻、鉗位二極管、齊納穩壓二極管進行能量限制和保護。對于電路板上表面積大于20mm2的元件，進行了功率限制，對小器件通過熱阻計算表面溫升均符合T4的要求。電源和通信的引入經過帶保護的安全柵隔離，提高了系統的穩定性和抗干擾能力。

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

圖6 系統防爆設計示意圖Fig.6 System explosion proof design diagram

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

3 系統軟件設計

能量計量系統核心軟件為氣質分析部分和能量計量部分，分別集成在色譜分析儀和修正儀內，采用模塊化設計理念，遵循軟件模塊化原則。各功能模塊相互獨立、功能單一，降低了復雜度，提高了可靠性和代碼的復用性，使軟件結構清晰、易于閱讀、調試與升級維護。整個系統采用前后臺的控制方式來協調各功能模塊，主程序平時處于休眠或待機模式，當有外部或內部事件任務觸發中斷時，程序進入相應中斷服務程序，調用功能函數完成任務，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 能量計量系統試驗樣機Fig.8 Energy metering system test prototype

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

4 系統性能分析與試驗

圖9 色譜儀分析數據顯示界面Fig.9 Analysis data display interface of chromatograph

為了驗證系統的可行性和測量性能，按設計搭建了一套能量計量系統試驗樣機，其外觀如圖8所示。管道上安裝為天信DN80口徑、準確度等級1.0級的TBQM型氣體渦輪流量計，其性能指標按照EN12261設計，通過歐盟認證，與FCM-X能量計量修正儀配套使用，整體防爆性能為Ex ib IIB T4，符合燃氣計量的危險場所已使用并大量用于城市燃氣的工商業計量。管道兩端安裝波紋管至穩定的風機，樣氣注入端接上已知組分的天然氣標準氣瓶進行分析，每隔10min讀取一次數據顯示，如圖9所示。

由上文公式（1）可知，系統的不確定度受參比條件體積測量的不確定度、單位發熱量與計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)——計量參比條件下的體積流量的不確定度。

表2 色譜分析發熱量數據對比表Table 2 Comparison of calorific value data of chromatographic analysis

u(H?)——混合氣體單位提交發熱量的不確定度。

u(o)——積分方法及其他因素引入的不確定度。

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

另外，由計算方法模型、測量穩定性及不匹配誤差按照0.1%考慮[11]。由以上測試試驗數據和計算格式可得：整個系統的擴展不確定度可以做到1.5%，可滿足城鎮燃氣計量系統精度要求。

5 結語

為了響應國內天然氣能量計量的號召，通過對能量計量原理和系統的研究，本文給出了一種適用于城鎮燃氣的能量計量的相對低成本、高集成度、高實時性的在線型能量計量系統解決方案，并通過樣機的制作和測試給予論證。試驗表明，該系統整體的不確定度可以控制在1.5%以內，相比現有市場采用流量計算機配套高精度溫度壓力變送器和高精度流量計模式相比有一定差距。但綜合考慮，其在城鎮燃氣計量場所的適用性更強，可滿足日益增多的下游管線能量計量需求，確保了用戶在天然氣價格上的公平性，體現了天然氣作為燃料的核心價值，減少了交易中的供需矛盾。