孙治鹏，林尚喜，涂世明，陈永生

（天信仪表集团有限公司，浙江 苍南 325800）

0 引言

伴随国家倡导人与自然和谐共生，走绿色可持续发展之路，天然气作为清洁高效的能源在国内的占比也逐步提高。天然气作为能源物质，其最终价值在于其产生的能量值，所以贸易交接的计量方式和公平性问题成为贸易双方的一个关注点。欧美等成熟市场已按照ISO /DIS 15112国际标准实施大家认可的能量计量结算为主[1]，中国虽紧随国际标准制定了相对应的标准，但目前除了部分LNG接收站和上游大型管网进口买入时采用能量交接，其余仍以体积计量为主，特别是下游工商业用户。

归其原因一个是相关的法律法规、价格政策、计量方法技术仍在不断地完善中，另外为能量计量系统所需的仪器仪表和配套设备多为国外进口、价格高，难于满足大范围、广域的市场需求。国内天然气大部分依靠进口，气源较多、质量参差不齐，体积发热量差异高达31%以上，所以对能量计量更加的迫切[2]。2019年5月国家发改委、能源局等部门制定了《油气管网设施公平开放监管办法》，再次强调管网运营企业要采用天然气热值计量，并要求在24个月内建立天然气能量计量计价体系，确认在2021年5月份国内干线管网公司采用能量交接方式。

鉴于此，本文设计了一种适用于城镇燃气端的在线型实时能量计量系统，以满足城镇燃气端用户的计量需求。

1 天然气能量计量的原理

根据GB/T 22723《天然气能量的测定》标准，天然气的能量测定是基于随时间而变化的气体流量Qb(t)和发热量Hs(t)在测定时间内的积分[3]。计算时间t0～t1内流过的能量E，计算可以表示为：

式（1）中：

E——天然气的能量总量，单位：MJ。

Q——天然气基准条件下的体积流量，单位：m3。

Hs——天然气单位高位发热量，单位：MJ/m3。

P——天然气压力，单位：MPa。

T——天然气温度，单位：K。

Z——天然气压缩因子。

（下标“b”代表基准状态，（t）表示在t时刻）。

由式（1）可知，天然气能量计量系统的测量精度除了受温度、压力、流量计、气体组分和计算精度影响外，还受到各分量采集计算的频率影响。

2 能量计量系统设计

由能量计量原理和数学模型公式可知，要计算天然气的能量，需要获得标准条件下的体积量和单位热值。

天然气的单位发热量的测定方法有直接测量法和间接测量法。直接测量法采用直接燃烧热量传递到热交换介质进行计算，该方法使用设备较为复杂，不适用城镇燃气端。间接测量法采用气相色谱仪、光质联用仪等获得天然气组分进行计算，计算法又分为离线式和在线式。离线式为定时定点取样到实验室进行分析，精度较高但实时性不佳，热值组分的传递需要配套远程站控系统实现。在线式相比离线式具有分析速度快、实时性好、自动化操作受人为因素影响小，特别适用于气源多和复杂的场合，因此也是国际上较为普遍使用的方法。

天然气的工况流量一般是通过气体流量计测量获得，再采集管道上的温度、压力等，由体积修正仪或流量计算机等电子转换设备，转换成标准参比条件下的体积量。在上游高压管线普遍采用的流量计算机配套温度、压力变送器组成体积计量系统，精度较高但投入成本较大。目前，市场的体积修正仪的稳定性和精度已相当高，具有防爆功能可直接在现场与流量计集成，且均已带有能量计算功能。因此，综合考虑更适用于城镇燃气管道的能量计量系统中，实现实时能量计量[4,5]。

图1 能量计量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of energy metering system

图2 采样系统框图Fig.2 Sampling system block diagram

本系统也基于以上设计，采用在线式气相色谱仪、气体流量计、能量计量修正仪配套温压传感器和取样预处理装置，组成一款紧凑型高性价比能量计量系统，系统示意图如图1所示。

如图1能量计量系统图所示，城镇燃气用能量计量系统由气体流量计、预处理系统、气相色谱仪和能量计量修正仪组成。取样装置采集天然气样品经过预处理系统达到符合要求的待分析气体，进入色谱分析仪进行在线分析计算，获得气体组分参数、相对密度和发热量。气质数据通过（如RS485、RS232、以太网）实时通信方式传输到能量计量修正仪，同时，修正仪结合采集的工况条件下的体积量、压力、温度和压缩因子修正计算，获得某一时间段内天然气的能量。

2.1 采样预处理系统

能量计量系统的采样预处理系统一般由取样装置、减压设备、安全保护设备、流量调节装置等组成，其整个系统框图如图2所示。

图3 GENIE自带减压探头在中贵管线高压门站的安装图Fig.3 Installation drawing of Genie pressure reducing probe in high pressure gate station of Zhonggui pipeline

取样装置负责天然气样气的采集，厂家较多，如美国GENIE、日本RIKEN、德国ENOTEC和国产的远寰等。其功能参差不齐，有钢瓶式、活塞式、在线式，有自带减压、加温、反向吹扫等附加功能的特点。本系统设计采用GENIE GPR系列在线式采样探头，该探头具有压力可调、在线安装拆卸、维护简便等特点。探头头部安装有可替换的隔膜和过滤器，有效解决了不同场景下恶劣气质产生的堵塞现象。为了所取得的样气具有代表性，一般探头需深入管道1/3～1/2处，该探头尺寸可选、安装深度可调，更方便达到所需要求[6]。

城镇燃气不同的管网系统中有不同的压力等级控制，如工商业、小区居民等管线一般只需要中低压，处理系统只需一级减压即可，而大型工业用户和区域门站则为次高压甚至为高压燃气，需要多级的减压以达到稳定压力的样气输送到分析仪器内[7]。采用自带减压的探头（如GENIE GPR系列）不仅可以作为一级减压而且还解决了由于高压采样管多、长导致的分析延时问题，如图3为GENIE自带减压探头在中贵管线高压门站的安装图。安全保护设备主要是对管道内的泄漏、过压、低温和反向逆流等进行保护的装置，过压的保护一般采用安全阀对设备故障时产生的管道过压进行卸放到放空管。色谱分析仪对使用环境和样气的温度较敏感，特别是减压产生的低温容易影响其测量精度，所以按照应用场合增加温度保护设备，如电伴热，有必要的还可增加防爆空调等装置。

2.2 在线色谱分析仪

气相色谱法是一种物理化学分离分析的方法，其工作原理是气样被载气带入色谱柱时，由于固定相对各组分的吸附和溶解能力不同，导致移动速度的快慢不同，分配系数小的组分比分配系数大的组分先流出色谱柱，从而达到分离效果。分离后的各组分被检测器，如热导检测器（TCD）检测达到定量的分析效果[8]。市场上生产天然气气相色谱仪的厂家较多，有Elster EnCal3000、Emerson Daniel570、Agilent3000A、ABB NGC8206、Siemens SAM等。本计量系统采用的是一款国产自制高可靠、高集成TGC型在线色谱分析仪，表1是其与天然气上常用品牌的几款色谱仪主要性能进行的比较。

表1 色谱仪性能参数比较Table 1 Comparison of performance parameters of chromatograph

图4 TGC色谱仪原理框图Fig.4 Principle block diagram of TGC chromatograph

该色谱分析仪综合性价比较其它几款国际品牌更高，其采用ISO6976算法，可同时测量3路样气，实现C6+以下组分高速分析。除了在线色谱仪基础功能外，还设计了多路模拟数字输入输出接口，集成了有线RS485/RS232通信、以太网和4G无线等多种通信方式，应对不同的应用场景。系统总体设计如图4所示，采用24V DC供电，设计有电源检测和短路保护电路，用DC-DC模块隔离外部电源干扰，为系统提供稳定的电压。主控芯片采用双核处理器设计搭载实时操作系统，省去了复杂的工控板卡，简化了系统电路设计。

2.3 能量计量修正仪

带能量计量的修正仪必要的组成有用于计算修正的微型处理器和完成计量所需的各功能模块。其功能模块一般包括：电源管理模块、信号采集模块、通信模块、I/O接口、人机交互接口。本文设计带能量计量修正仪为天信FCM-X型修正仪，除以上几大块必要性功能外，还采用了防盗气技术、自诊断技术、智能传感器、物联网无线通信等各种技术，丰富修正仪功能，如图5所示。

电源管理模块负责对内外电源进行电源检测、控制管理和为各个模块提供可靠的电源。为了使整个能量计量系统更加简洁，修正仪的电源采用与色谱仪通用的24V供电设计并进行硬件隔离。信号采集模块包括：温度传感器、压力传感器、流量信号传感器，为计量提供基础数据的输入。由于温度、压力的采集精度对系统误差影响较大，特别采用了高度集成的高精度数字温度传感器和数字压力传感器，压力的测量还加入了分段修正和温度补偿修正功能。物理量I/O接口用于检测值、报警值、计量值等物理量的输入输出[5]。

为了实现天然气组份和热值的传递，通信模块设计成目前主流的4G、NB-IoT远程无线通信搭配RS485有线传输通信和标准MODBUS协议。有线RS485通信与色谱仪实时交互，实现气质数据的交换，远传模块则负责定时将本地状态监测和计量数据上传到远程数据中心，从而达到远程监控和抄表功能。

2.4 整体防爆设计

城镇燃气计量场所大部分为危险区域，为了适用于存在爆炸性危险环境的使用，需要对整个系统进行防爆设计并符合国家防爆标准规定的使用要求。计量系统整体采用本安与隔爆结合的方式进行设计，其系统防爆设计示意图如图6所示。色谱仪和隔爆箱均为隔爆型设计，采用防爆管连接，电源接入AC-DC转换模块和保护模块，通过防爆箱内的安全栅能量限制与修正仪连接，整体设计符合1区IIB T4气体组别。

修正仪的防爆类型按照GB 3836.4标准的本质安全型设计[9]。内部电池为专用ER34615型锂-亚硫酰氯锂电，有内阻大、放电时间长、短路电流相对较小的特点，并经过能量限制和火花点燃试验，符合防爆要求。不同电源系统采用光耦合器件做能量的隔离，采用功率满足安全系数1.5倍的金属膜电阻、钳位二极管、齐纳稳压二极管进行能量限制和保护。对于电路板上表面积大于20mm2的元件，进行了功率限制，对小器件通过热阻计算表面温升均符合T4的要求。电源和通信的引入经过带保护的安全栅隔离，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。

图5 修正仪原理框图Fig.5 Principle block diagram of corrector

图6 系统防爆设计示意图Fig.6 System explosion proof design diagram

气相色谱仪采用隔爆型设计，面板玻璃为符合厚度及强度的隔爆玻璃，开孔螺纹为隔爆螺纹。内部腔体体积、壳体厚度和隔爆面设计成符合GB 3836.1要求的尺寸[10]。系统间的链接采用防爆电缆和防爆箱防护，符合防爆要求且可安装维护性高。

3 系统软件设计

能量计量系统核心软件为气质分析部分和能量计量部分，分别集成在色谱分析仪和修正仪内，采用模块化设计理念，遵循软件模块化原则。各功能模块相互独立、功能单一，降低了复杂度，提高了可靠性和代码的复用性，使软件结构清晰、易于阅读、调试与升级维护。整个系统采用前后台的控制方式来协调各功能模块，主程序平时处于休眠或待机模式，当有外部或内部事件任务触发中断时，程序进入相应中断服务程序，调用功能函数完成任务，如图7所示。

图7 修正仪主程序流程图Fig.7 Main program flow chart of corrector

图8 能量计量系统试验样机Fig.8 Energy metering system test prototype

另外，在软件处理中还对组分计算进行归一化处理，在修正仪中植入了天然气、空气、N2、H2等气体的压缩系数计算模型，对于天然气还集成了AGA8-G1/G2、AGA NX-19和SGERG-88压缩因子计算模型可供选择，以满足不同计量场合的需要。

4 系统性能分析与试验

图9 色谱仪分析数据显示界面Fig.9 Analysis data display interface of chromatograph

为了验证系统的可行性和测量性能，按设计搭建了一套能量计量系统试验样机，其外观如图8所示。管道上安装为天信DN80口径、准确度等级1.0级的TBQM型气体涡轮流量计，其性能指标按照EN12261设计，通过欧盟认证，与FCM-X能量计量修正仪配套使用，整体防爆性能为Ex ib IIB T4，符合燃气计量的危险场所已使用并大量用于城市燃气的工商业计量。管道两端安装波纹管至稳定的风机，样气注入端接上已知组分的天然气标准气瓶进行分析，每隔10min读取一次数据显示，如图9所示。

由上文公式（1）可知，系统的不确定度受参比条件体积测量的不确定度、单位发热量与计算方法等因素引入的不确定度的影响，可表示为：

式（2）中，u(qn)——计量参比条件下的体积流量的不确定度。

表2 色谱分析发热量数据对比表Table 2 Comparison of calorific value data of chromatographic analysis

u(H̃)——混合气体单位提交发热量的不确定度。

u(o)——积分方法及其他因素引入的不确定度。

计量参比条件下的不确定度受流量、温度、压力、组分测量和计算方法模型影响，城燃用系统已普遍由1.0级基表配0.5级修正仪组成的系统，考虑其矩阵分布，不确定度引入为0.87%。高位发热量测试受到色谱分析仪本身的测量性能、标气标定、组分变化的影响，试验测试3次与理论对比的相对示值误差见表2，因此可按照0.5%考虑。

另外，由计算方法模型、测量稳定性及不匹配误差按照0.1%考虑[11]。由以上测试试验数据和计算格式可得：整个系统的扩展不确定度可以做到1.5%，可满足城镇燃气计量系统精度要求。

5 结语

为了响应国内天然气能量计量的号召，通过对能量计量原理和系统的研究，本文给出了一种适用于城镇燃气的能量计量的相对低成本、高集成度、高实时性的在线型能量计量系统解决方案，并通过样机的制作和测试给予论证。试验表明，该系统整体的不确定度可以控制在1.5%以内，相比现有市场采用流量计算机配套高精度温度压力变送器和高精度流量计模式相比有一定差距。但综合考虑，其在城镇燃气计量场所的适用性更强，可满足日益增多的下游管线能量计量需求，确保了用户在天然气价格上的公平性，体现了天然气作为燃料的核心价值，减少了交易中的供需矛盾。