天然气管网能量计量与管理系统的实现*

叶　朋　顾志烈　施世信

(天信仪表集团有限公司，苍南 325800)

0　引言

天然气贸易交接计量有体积计量和能量计量两种方式。体积计量实现了对消耗的天然气体积的积算，而天然气能量计量，积算的是有发热价值的“烃类”物质的发热量，符合交易双方的利益。在发达国家的天然气管网系统中已采用能量计量方式进行贸易结算，并制定了天然气能量计量国际标准ISO 15112《天然气能量测定》。

目前国内天然气输配管网中，绝大多数的工商终端用户和区域气体计量站点，贸易交接使用燃气体积计量。在少数计量场站使用能量计量贸易交接，一般采用流量计算机的形式计量。

具备能量计量功能的体积修正仪与能量计量管理监控中心构成的天然气管网能量计量与管理系统，将能量计量扩展到所有工商用户终端和区域气体计量站，可实现天然气计量方式既有能量计量又有体积计量，使天然气流量计量更科学、更能体现公平贸易。

1　能量计量原理

天然气的能量就是在基准状态下的天然气体积量和单位发热量的乘积。一定量气体所含能量(E)为气体量(Q)与对应发热量(Hs)的乘积[1]，在一段时间内总能量即为全部乘积的累积(见式(1))。但为了使能量计量具有更高的精度，在具备条件的场合，应对天然气的发热量(Hs)和组分进行动态监测，并将信息及时发送到现场计量仪表。计量仪表根据所测到的天然气的压力、温度、流量和接收的组分或热值信息进行积算(见式(2))。

E=∑Q·Hs

(1)

(2)

式中：E为天然气的能量总量，MJ；Q为某段时间内基准条件下的体积量，m3；F(t)为天然气在测量条件下t时刻的体积流量，m3/s；Hs为某段时间内或t时刻基准条件下天然气单位发热量，MJ/m3;p为天然气压力，MPa；T为天然气温度,K；Z为天然气压缩因子；下标b代表基准状态，(t)表示在t时刻。

ISO标准的基本方法为：在一个计费区内，采用气相色谱仪测量交接点进气发热量，流量计算机在线从气相色谱仪下载发热量计算能量；或者在输气管线系统的交汇处或大流量的城市门站安装气相色谱仪，测量气质数据(发热量、相对密度等)，并发布小时(或日)平均发热量，根据所有交接点的流量计计量的体积量与发布的平均发热量计算出各交接点的天然气能量[2]。

2　天然气管网能量计量与管理系统设备构成

天然气能量计量是建立在体积计量基础上，涉及流量测量、组成分析和物性参数测定等设备、标准及方法。设备通常由气相色谱仪、流量计、温度计、压力计以及流量计算机、能量计量体积修正仪等部分组成。

天然气管网能量计量与管理系统如图1所示，系统整合天然气能量计量高端仪器仪表。在能量计量方面，应用了新颖的能量计量体积修正仪，实现了天然气区域气体计量站和工商终端用户的能量计量。

图1　天然气管网能量计量与管理系统

能量计量体积修正仪如图2所示，是一体化的基于无线通信和能量计量的体积修正仪，可与罗茨流量计、涡轮流量计、涡街流量计配套使用。修正仪通过无线通信或其他方法获取燃气的热值信息，从流量计获取流速信息以及从所配套的压力和温度传感器获取燃气温度、压力值，按相关国家标准规定的计算方法，计算天然气标准体积流量和能量。计算和测量的能量和体积流量、温度、压力等数据，通过无线通信传送到中心服务器。修正仪可由电池供电进行定时或定间隔的无线通信，也可由专用安全电源供电实时在线工作，可满足多种场合完成气质信息接收、燃气能量与体积流量计量、流量数据无线上传的需要。

图2　能量计量体积修正仪

3　能量管理系统软件和热值传递

在天然气公司通信网络的基础上建立天然气能量管理系统。系统软件实现天然气能量管理、管网维护、内部管理三大功能，可由以下几部分子系统组成：能量计量系统、远程通信系统、站点管理系统、生产调度管理系统、管网地理信息系统。

在天然气组成分析测定方面，多数大流量计量站都配备有外置在线色谱仪，可提供系统相应管道的气质信息。天然气能量管理系统除了传统的数据采集和监控功能外，还能够就地或远程与气相色谱仪通信，读取组分数据、热值等气质信息。根据燃气的组分信息和热值信息、燃气管网配置、气体流场、不同来源天然气配比、热值数学模型计算出对应区域的燃气单位发热量值，通过无线网络发送给相应区域或气体计量站的能量计量体积修正仪。

在一个气质区域内使用一个发热量进行结算，可采用指定发热量、加权平均发热量[3]、实时发热量赋值等方式。

在燃气输配管网中小计量站、终端用户计量点安装有配置了能量计量体积修正仪的流量计，并以无线通信方式远程接收发布的本区域热量值或组分数据，应用现场采样的流量、温度、压力数据，按式(1)或(2)计算出基准条件下的体积量和能量增量并进行累积得到体积总量和能量。同时定时将能量、体积流量等数据通过无线网络上传到中心服务器。

4　结束语

实施天然气能量计量与计价，可以通过降低商品气中CO2的含量来达到降低天然气输送和利用过程中CO2排放，可以提高天然气输送热值，提高输送效率。同时，可实现贸易公平，保证供需各方的利益。

本应用采用远传赋热值、本地计能量的方法，使之同时具备天然气能量计量和体积计量的功能。目前该系统已经进入试点应用阶段。与天然气公司合作，选择现有天然气管网作为试点，进行管网能量计量升级改造，正在顺利试运行中。在运行中将对天然气能量计量与管理系统的量值传递特性，进行进一步的研究。

[1]GBT 22723—2008天然气能量的测定

[2]杨有涛.天然气的能量流量的计量[J/OL].中国测控网.2012-07-20.http://www.ck365.cn/lunwen/201207/20/21360.html

[3]王池,李春辉,王京安,李涛.天然气能量计量系统及方法[J].计量学报，2008(5)

[4]任作新.网络化监督与控制系统[M].国防工业出版社，2007

[5]王平.测量与控制用无线通信技术[M].电子工业出版社，2008

[6]吴明,孙万富,周诗岽.油气储运自动化[M].化学工业出版社，2006

[7]徐兆明,王学文.天然气能量计量标准化——天然气计量改革势在必行[J].石油石化节能，2011(1期)

[8]周志斌,何润明,何春蕾,罗勤,姚莉.中国实施天然气能量计量与计价的基础条件分析[J].国际石油经济，2011(10)