热值仪在天然气能量计量的应用研究

李持佳， 王欣玮， 陈 敏， 肖 勇， 张燕平， 王 逊

(1.北京燃气集团有限责任公司， 北京 100035； 2.北京优奈特燃气工程技术有限公司， 北京 100023)

1 概述

目前我国城市天然气计量仍采取体积计量方式，而国际天然气贸易和消费通行能量计量方式。天然气按能量计量能保证天然气的质量，实现按值定价，确保用户使用不同天然气在价格上的公平性，体现天然气作为燃料的核心价值，减少天然气交易中的供需矛盾。随着城市燃气多气源供气格局的形成和全球经济一体化的加快，按能量计量已成为我国天然气计量、结算的必然趋势。

根据国家标准GB/T 22723—2008《天然气能量的测定》，天然气能量计量是测定一段时间内，通过某界面的气体能量。确定气体热值是天然气能量计量系统的主要特征和关键之一。天然气热值的测定原理主要有：燃烧、组成分析、物性参数关联等几种[1-2]。其中，基于燃烧原理的水流式热量计由于操作繁杂而难以应用于日常测量。基于组成分析的色谱仪可以在线连续测量，精度高，但系统投资及运行维护成本高，运行维护流程较复杂，一般在长输管线和门站应用，以及在热电厂等对热值和组成均关心的用户使用。对大量的下游工商业用户，需要选取既能准确测定热值，又安全可靠、使用简便、投资及运行维护成本低的设备。基于红外气体分析技术或物性参数关联技术的在线天然气热值仪既可以在线连续测量，又具有使用成本低、维护简便等优势，适合于无需组成测量的用户，目前多应用于天然气气质监测以及生产工艺的控制，在天然气贸易计量中应用较少。

为确定热值仪应用于下游天然气能量计量的可行性，本文建立了基于热值仪的能量测定实验系统。通过与在线色谱仪的测量数据进行对比，得到热值仪测量偏差、测量重复性；通过连续运行，验证仪器可靠性及稳定性。实验结果用于改进热值仪热值测定程序、提高测量准确性，为在供热厂站、一般工商业用户等推广能量测量、降低实施成本提供参考。

2 热值仪工艺特点

热值仪可在线测量天然气高热值，测量原理基于物性关联，由于质量流量取决于气体组成，通过测量样品气质量流量与参考气(12T天然气)质量流量的差异以及测量温度和压力，根据一定的映射关系通过与热值仪相连的计算机中的软件得到样品气热值与参考气热值的差异，最终由软件计算得到样品气热值。

2.1 热值仪工作原理

热值仪工作原理见图1。

图1 热值仪工作原理q0.参考气 q1.样品气 q2.排气1.逻辑单元 2.阀门控制口 3.阀门控制口 4.电磁阀 5.电磁阀 6.管道 7.温度传感器 8.压力传感器 9.温度传感器接口 10.压力传感器接口 11.流体限流器(孔口或微型喷嘴) 12.质量流量计 13.质量流量传感器 14.质量流量传感器接口

逻辑单元1通过阀门控制口2和3，开启阀门4，关闭阀门5，首先进行样品气测量。样品气q1进入管道，测定温度和压力，并将温度和压力通过温度传感器7和压力传感器8输送至逻辑单元1。然后样品气进入流体限流器11，出来后进入质量流量计12测定质量流量，通过质量流量传感器13和质量流量传感器接口14，输送至逻辑单元1。然后关闭阀门4，开启阀门5，对参考气(假定为甲烷)进行类似测量，输出信号也输送至逻辑单元1。交替进行样品气与参考气的测量，依照热值与测量参数的经验公式，得到样品气高热值，经验公式见下式[3]：

Qh=A+BY

Y=f1(Za，Zb，Zc)

式中Qh——样品气的高热值，MJ/m3

A，B——关联系数

Y——热值的映射参数，MJ/m3

f1——某函数

Za，Zb，Zc——参数因子

qm，1——样品气质量流量，kg/s

qm，0——参考气质量流量，kg/s

p1——样品气压力，Pa

p0——参考气压力，Pa

r,k——限流器设计参数

T1——样品气温度，K

T0——参考气温度，K

2.2 性能及特点

① 连续测量样品气和参考气的质量流量、温度及压力，数据采集分析系统连续计算样品气热值，并每隔5 min记录热值结果。

② 对欧洲天然气气源，天然气热值测量准确度优于1%。

③ 装置配备仪器记录数据，可以通过Mini-USB线连接到电脑，并读取数据。在线数据可连接到本地SCADA。

④ 操作步骤少，操作简单，无需人工值守。

⑤ 运行维护费用低，仅需纯度99.9%的CH4气瓶进行自动校准。

⑥ 结构紧凑，热值仪尺寸(长×宽×高)为300 mm×140×mm×600 mm ，便于各类用户安装使用。

2.3 安装要求

① 为正确测量热值，设备需要调节样品气流量至0.12～0.14 m3/ h。

② 工作温度为0～40 ℃。环境温度高于40 ℃时，需将热值仪置于有空调或冷却设施的空间内。

③ 天然气压力为0.1～0.25 MPa。安装调压装置后，可用于更高压力的天然气测量，可在电厂、供热厂站、门站使用。

④ 必须具备电源。

⑤ 设备必须安装在通风良好的地方，因为燃气测得质量流量后需要通过软管排出，因此需要安装环境通风良好。

⑥ 设备可安装在室外稳定的地面上，但必须有防止雨淋、太阳辐射、积雪的措施。

⑦ 该设备可固定在墙上或金属架子上。

⑧ 设备停用1 d以上要预热至规定温度(一般需要45 min左右)。

⑨ 设备通过球阀与天然气管道相连。

3 热值仪测定实验系统

该热值仪在欧洲已得到应用，无须测定组成，且测量准确度满足能量计量要求。由于测量原理基于热值和质量流量等物理性质的映射关系，该映射关系与气源气质有关，国内燃气与欧洲燃气气质存在差异，因此为达到准确度要求，需要根据测量结果修正现有映射规律。分别对2种气源进行热值测定。气源1为常规管道天然气，由CH4、C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10、i-C5H12、n-C5H12、N2、CO2等组成。气源2为煤制天然气，由CH4、H2、C2H6、C3H8、N2、CO2组成。

图2为热值测定实验系统。该系统包括样品分析箱(含一级调压器、过滤器)、二级调压器、热值仪、甲烷气瓶(甲烷纯度99.9%)、放散管、微量水分析仪、H2S分析仪。该实验装置将对两种气源进行热值测定，得到热值仪与色谱仪的热值测定偏差及其重复性，并验证仪器可靠性及稳定性。

样品气进入样品分析箱，经一级调压器调压至0.2～0.3 MPa，经一级过滤器过滤后分为两部分，一部分进入微量水分析仪，测得水露点；另一部分进入二级过滤器，去除水分后又分为两路，一路经过二级调压器调压，压力降至0.1～0.15 MPa后分别进入在线色谱仪和热值仪，分别测定燃气热值，用于比对和能量计量；第二路进入H2S分析仪。最后样品气经放散管排出室外。热值仪与计算机通过数据线连接，测量结果由数据采集系统读出。

图2 热值测定实验系统1.样品分析箱 2.一级调压器 3.一级过滤器 4.微量水分析仪 5.二级过滤器 6.二级调压器 7.热值仪 8.在线色谱仪 9.H2S分析仪 10.放散管 11.计算机 12.甲烷气瓶

4 结果及分析

图3为对气源1在相同时段内采用热值仪和在线色谱仪进行高热值测量的结果对比，其中热值仪-修正后高热值曲线将在后文阐述。由图3可见，对该常规天然气，热值仪和在线色谱仪测得的高热值变化规律一致，但数值存在差异，是由于测量的天然气气质与热值仪得到的关联参数所依据的天然气气质存在一定差异，热值仪尚未根据当地气源气质进行模型和参数调整，因此二者测量结果不同。

图3 气源1的热值仪和在线色谱仪的测量结果对比

对气源1，热值仪与在线色谱仪的高热值测量结果相对误差见图4。由于在线色谱仪定期检定，满足贸易计量要求，本文认为其测量结果为气体真实高热值。热值仪测量结果与其相对误差可反映热值仪测量结果的准确性。在该时间段，在线色谱仪测量结果平均值为39.02 MJ/m3，热值仪测量结果平均值为41.14 MJ/m3。热值仪测量结果偏高，与在线色谱仪测量结果的最大相对误差为9.1%，平均相对误差为8.2%。标准偏差反映数值相对于平均值的离散程度。测量结果偏差的重复性为0.16%。如果取修正系数0.924，对热值仪测量结果加以修正，修正后的测量曲线见图3中的热值仪-修正后高热值曲线，与在线色谱仪测量结果平均相对误差降为0.136%，最大相对误差降为0.87%。如果能对模型和关联系数进行进一步修正，可以继续提高测量准确性，达到贸易计量要求。

图4 气源1的热值仪和在线色谱仪测量结果相对误差

对气源2，也进行了类似分析。图5为相同时段，采用热值仪和在线色谱仪的测量结果对比。与气源1不同，气源2含有氢气，而热值仪的热值计算方法中未考虑该组分。对该气源的组成采用在线色谱仪进行测定，得到主要组分甲烷和氢气含量变化的相对标准偏差分别为0.18%和19.5%。以某时刻甲烷(氢气)含量与测量时间段的甲烷(氢气)平均含量之比表示组分含量随时间的波动，得知氢气含量的波动远远大于甲烷。热值仪目前未考虑氢气组分，仅考虑了常规天然气组分，色谱仪则已根据气质组分对色谱柱进行调整，因此热值仪对热值波动的敏感性不及在线色谱仪。因此，为适应当地气源条件，热值仪热值关联模型和参数应体现氢气组分影响。

图5 气源2的热值仪和在线色谱仪的测量结果对比

5 结论

介绍一种热值仪的工作原理、性能和安装要求。搭建热值测定实验系统，与在线色谱仪比对，分别对常规管道天然气和煤制天然气进行热值测定。对于常规管道天然气，采取修正系数修正后，与在线色谱仪测量结果平均相对误差为0.136%。对于煤制天然气，热值仪的热值计算方法中未考虑氢气组分，热值关联模型和参数应该体现氢气组分的影响。