天然气能量计量修正仪的研制

谢象佐，陶朝建,2，李孝评，董文润,2，孙治鹏，宋方冰,2

（1.天信仪表集团有限公司，浙江 苍南 325800；2.上海理工大学，上海 200093）

0 引言

天然气是一种混合气体，它含有甲烷、乙烷、丙烷等烃类组分和氮、二氧化碳等非烃类组分，不同地区的天然气组分含量并不相同。当前工商业用户使用的修正仪还是以体积计量为主，但是天然气作为能源使用，最终要体现的是能量价值，相同体积的天然气因为组分不同，发热量不同，最终释放的能量也不同。为了体现公平贸易计量的原则和与国际普遍使用能量计量的贸易结算平台统一、接轨，采用能量计量势在必行[1]。本修正仪采用微功耗设计，可以配套各种带脉冲输出的流量计，采用高精度数字式压力和温度传感器，内嵌多种压缩因子修正数学模型，计算工况体积量，并转换为标况体积量。修正仪采用GPRS无线通信方式与气相色谱仪等气体分析仪器进行通信，修正仪可根据气分析结果计算出能量流量和能量总量值，并且采用kWh作为能量结算单位。

1 天然气能量计量的原理

天然气气体的能量（E）为一定时间内气体标况体积量（Q）与对应发热量（Hs）乘积的累加和。其计算公式如式（1）、（2）。

式中：E-天然气的能量总量，单位kWh；

Q-某段时间内基准条件下的体积量，单位m3；

F(t)-天然气在测量条件下t时刻的的体积流量；

Hs-某段时间内或t时刻基准条件下天然气单位发热量，单位MJ/m3；

P-为天然气压力，单位MPa；

T-为天然气温度，单位K；

Z-为天然气压缩因子。

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

图2 修正仪原理框图Fig.2 Modifi ed block diagram instrument

（下标“b”代表基准状态，(t)表示在t时刻）[2]。

标况条件下的气体体积量的计算通过流量计和修正仪完成。修正仪采集流量计输出的流量信号，计算出工况体积量，再根据压力、温度、压缩因子修正模式，转换为标况条件下的气体体积量。标况条件为大气压101.325 kPa，温度20.0℃。

天然气发热量的测量方式有直接测量（例如燃烧式热量计）、间接测量（例如气相色谱仪）、关联技术等。本方案采用的是间接测量。

如图1所示，气相色谱仪对天然气气质数据分析，计算发热量数值，传输给服务器中心。服务器中心通过GPRS无线方式把天然气发热量传输给修正仪，修正仪根据接收到的发热量和计算得到的标况条件下的气体体积量，计算出气体能量。

2 硬件设计

修正仪的硬件结构如图2所示。按功能分为信号采集、控制输出、通信、显示按键存储、电源管理。内嵌脉冲群抑制、防雷等保护电路，所有输出接口都与内部的主控电路电气隔离，提高了修正仪的抗干扰性和可靠性。

2.1 信号采集部分

信号采集包括流量信号采集和温度、压力信号采集。

修正仪接收来自流量计的流量信号，包括高频和低频信号，并根据设定的模式进行工况流量计量。

温度、压力传感器均为独立的数字式传感器，检测精度与修正仪无关，可单独校准与检定。传感器内部含独立微处理器和AD芯片，能自动检测介质的温度和压力，并进行非线性修正和温度系数校正，稳定性好，温漂小。修正仪通过I2C接口与传感器进行数据通信，直接读取出温度和压力值。温度满量程误差≤±0.2%（0.5℃），压力满量程误差≤±0.2%。

2.2 控制输出部分

控制输出包括电流输出、脉冲输出、报警输出。

电流输出为标准的两线制4-20mA电流信号，对应输出的物理量可以选择温度、压力、标况流量、工况流量之一。模块采用光电隔离，内部包含DA转换和精密电流输出变送器，把数字量转换为电压，再转换为电流值输出，电流输出最大误差≤±0.25%。

脉冲输出是频率为0-2000Hz，幅值24V，占空比50%的方波信号，频率与工况或标况体积流量成正比的，最大误差≤±0.05%。

报警输出包括欠压报警输出和关阀报警输出。在电池电压低于一定值时，输出电池欠压报警，提示更换电池。在电池电压更低于一定值时，输出关阀信号。

2.3 通信部分

修正仪内嵌RS485、射频、GPRS等多种通信方式，可方便组成数据采集与监控系统。

采用光电隔离RS485通信模块，可直接与上位机或二次仪表联网，波特率9600bps，符合Modbus协议。上位机系统可以读取修正仪的当前运行数据和历史数据，以及仪表内部参数。

射频模块采用433MHz频率的CC1100集成块，可以在短距离范围内（无阻挡物时100m内）传输修正仪的有关数据。射频模块主要用在多台修正仪组网时，可以作为无线方式收集从机的数据，收集的数据全部暂存于主修正仪，通过主修正仪的GPRS功能，上传到服务器中心，针对修正仪位置集中的区域，通过这种方式可以减少GPRS模块的使用，节约成本和管理。

传统的有线方式和射频等短距离通信的方式在远程通信方面受到很大限制。因此为了彻底解决远程通信问题，修正仪采用了GPRS无线通信，真正意义上解决了区域和距离的问题。

GPRS是指通用无线业务，是在GSM基础上发展出的一种新的承载业务[3]。本修正仪采用的是摩托罗拉G24通信模块。它是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模块，支持四频850/900/1800/1900MHz，以先进的技术、稳定的性能实现了M2M的高速无缝连接，内置TCP/IP协议栈。修正仪通过GPRS方式上传当前数据到服务器中心，同时接收服务器中心的各种指令，包括接收服务器中心从气相色谱仪读取的天然气发热量。

GPRS模块采用独立CPU，处理模块与GSM网络之间的通信。修正仪与GPRS模块之间采用透明传输方式，修正仪

图3 GPRS模块原理框图及与修正仪连接Fig.3 GPRS module principle block diagram and the correction instrument connections

图4 GPRS模块电源原理框图Fig.4 GPRS module power supply schematic diagram

只需把要传输的数据通过RS232接口给GPRS模块即可。

2.4 显示按键存储部分

修正仪采用MST-G240128型大屏幕点阵液晶显示，显示工况、标况的总量和流量，以及温度、压力、转换系数、压缩系数比、日期时间等数据，清晰直观，读数方便。内部UC1608点阵LCD驱动芯片，通过并口方式与修正仪连接。

采用组合按键和一键功能多用，依靠4个按键，完成厂家参数、用户参数、GPRS运行参数等的设置。设置过程中，超过2min没有按键操作，自动退出。修正仪能自动判断环境光线强度，自动打开或关闭液晶背光。在退出设置界面1min后，为了降低修正仪功耗，自动关闭液晶显示和背光。

为了记录修正仪运行时的历史数据和各种故障事件，配备了4Mbit的串行FLASH存储器。存储2个月的小时记录和600条的日记录，200条的上下限报警记录，温度、压力传感器故障记录。

2.5 电源管理部分

修正仪电源电路由内电池和外电源组成，可以根据实际情况自动切换使用的电源模式。有外电源情况下，由外电源供电，内电池基本不耗电。在没有外电源的情况下，内电池给修正仪主板和GPRS模块供电。修正仪主板采用微功耗技术，GPRS模块不工作时，修正仪平均工作电流大约0.3-0.4mA。GPRS模块工作时，瞬态电流激增。鉴于此，在GPRS模块电源增加可大电流放电的充电型电池，满足GPRS工作时瞬间大电流的需要。原理框图如图4所示，通过检测判断，自动选择合适的电源提供给GPRS模块，并控制对充电电池的安全充电。

图5 主程序流程图Fig.5 The main program fl ow chart

3 软件设计

修正仪软件包括压缩因子计算程序，键盘设置程序，温压测量程序，流量计算总量累加程序，LCD显示程序，电流输出程序，频率输出程序，GPRS传输程序，中断程序。软件设计采用模块化结构，各个功能程序设计为独立的模块，在事件触发时，由主程序调用运行。流程清晰，运行时间短，系统多数时间处于休眠状态，有效降低功耗。

压缩因子计算程序是涉及到计量精度的重要程序，参与工况体积量转换为标况体积量的计算。本修正仪中使用的压缩因子数学模型有AGA NX-19，SGERG-88。在使用范围和精度方面，SGERG-88高于前者。SGERG-88主要用于正常进行输气和配气条件范围内的管输干气，包括交接计量或其他用于结算的计量[4]。通常输气和配气的操作温度为263-338K（-10~+65℃），操作压力不超过12MPa。在此范围内，如果不计包括相关的压力和温度等输入数据的不确定度，则SGERG-88的计算最大误差≤±0.1%。根据AGA NX-19的计算公式，在要求范围内的超压缩因子Fz=f1(τ,H)=f2(P1,t)因此可将上述过程简化为二维数据表格，再查表并进行线性插值计算。SGERG-88的计算方法，按GB/T17747.2-1999天然气压缩因子计算的标准要求，输入真实相对密度、氢气摩尔含量、二氧化碳含量、高位发热量进行计算[5]。计算流程如图6所示。

图6 SGERG-88计算流程图Fig.6 SGERG-88 fl ow

GPRS远程无线通信上传修正仪数据到服务器中心，接收服务器中心下传的天然气发热量和服务器中心对修正仪的参数设置。通信协议有自定义协议，Modbus-RTU协议，Modbus-TCP协议。GPRS模块工作模式可以选择“长期在线”/“非长期在线”模式。非长期在线模式下，可以通过选择“定时”/“间隔”模式以及设定相应的定时时间点或间隔时间来确定GPRS模块的上线时间。长期在线模式下，GPRS模块一直在线，“定时”/“间隔”模式无效。

4 整机最大综合误差

本修正仪采集输入的物理量有流量、温度、压力。温度、压力信号采集的准确度，流量计算的准确度，很大程度上决定了修正仪的准确度。

本修正仪采用的数字式温度、压力传感器精度与修正仪无关，传感器自动进行非线性修正和温度系数校正，在量程范围内，温度传感器的最大误差Et≤±0.2%，压力传感器的最大误差Ep≤±0.2%，流量计算和转换误差Ev≤±0.1%。在不考虑气相色谱仪气体组分分析误差和流量计基表误差的情况下修正仪整机的最大综合误差Ec≤±0.5%，计算公式如式（3）。

式中：Ec-修正仪最大综合误差；

Et-温度最大误差；

Ep-压力最大误差；

Ee-流量计算最大误差[6]。

5 结束语

为了满足天然气计量贸易结算的发展趋势，设计了天然气能量计量修正仪。本修正仪能与气体涡轮、腰轮、旋进旋涡、涡街等带脉冲信号输出的气体流量计配套使用，采用高精度数字式温度压力传感器，同时具备多种压缩因子数学模型，将工况体积量转换为标况体积量和能量，计量准确度高。内嵌GPRS、射频、RS485等多种通信方式，具备多种组网方式，方便与其它二次仪表或计算机联网，一旦国家相关能量计量政策确定后，它必将是城市燃气、石油、化工、冶金等行业气体流量计的理想配套仪表。

[1]安建川,梁光川,天然气计量技术现状及趋势[J].内蒙古石油化工,2007(1).

[2]GB/T22723-2008.天然气能量的测定[S].

[3]GB/T17747.天然气压缩因子的计算[S].

[4]张福元.用于计量的天然气压缩因子计算方法比较[J].天然气工业,2000,20(5):73-76.

[5]任建国.GPRS无线通讯在 计量检测中的应用[J].计量与测试技术,2012,39(9).

[6]陈赓良.天然气能量计量的不确定度评定探讨[J].天然气工业,2009,25(4).