采用能量计量评估水蒸汽能耗方案
采用能量计量评估蒸汽能耗方案
---对《蒸汽热量计算方法》国家标准的讨论
北京博思达新世纪测控技术有限公司 张志力 王京安 100191
摘要：由于没有蒸汽物性值（密度、比焓等）计算方法的统一标准，给蒸汽的质量（能量）计量和贸易结算造成诸多困难。蒸汽一直沿用质量计量，这对于评估蒸汽能耗尚存在不足。本文在介绍《蒸汽热量计算方法》国家标准的基础上，分析了蒸汽能量计量的几个问题，希望引起流量界同仁的关注，共同探讨蒸汽计量的科学方法。
关键词： 国家标准 蒸汽能量计量 蒸汽密度 蒸汽比焓
1.标准立项背景
GB17167-2006 《用能单位能源计量器具配备和管理通则》已于2007年1月1日颁布实施，该文件对用能单位能源计量器具的配备率、能源计量器具的准确度等级、能源计量器具的管理都有了明确规定，大多数一次仪表都有相应的标准和检定规程可依，只需按标准及检定规程生产、检定，就能保证一定的准确度。然而，流体物性值对流量测量的影响是毋容质疑的，在有关流量测量的标准（例如GB/T2624-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流量》）中都对这些影响有明确的描述，流体的密度、粘度、等熵指数都直接或间接地影响流量的量值。
蒸汽在工业企业以及社会能源消费中占有很大比重，由于我国没有蒸汽物性值（密度、粘度、等熵指数等）计算方法的标准，致使在蒸汽计量中物性值取值方法不统一，给水蒸汽的质量计量和贸易结算造成诸多困难。
蒸汽作为载能工质，用户使用的是水蒸汽所携带的热量，而温度、压力不同，蒸汽比焓不同，所以用质量流量来评估蒸汽用量或损耗显然存在缺陷。目前我国蒸汽贸易结算已部分采用热量计量，但由于没有国家标准，比焓、热量的计算和补偿方法不统一，必然影响蒸汽能量准确计量。制定《蒸汽热量计算方法》的国家标准是解决这一问题的重要环节。为此，国家标准化委员会批准制定《蒸汽热量计算方法》国家标准立项（计划编号：20121520 - T - 424）。
2.标准涉及的主要内容
2.1本标准主要参考IAPWS –IF97国际水和蒸汽性质公式（International Steam Tables Properties of Water and Steam Based on the Industrial Formulation IAPWS-IF97）。
2.2本标准给出了蒸汽物性值：比焓、密度、比熵、声速、动力粘度、等熵指数的计算方法(定义与作用见表1)；蒸汽热量的计算方法以及比焓不确定度的估算方法。
表1 比焓、密度、比熵、声速、动力粘度、等熵指数的定义与作用
名称 |
定义 |
作用 |
密度 |
单位体积的水蒸汽质量。 |
流量计流量计算的必要参数。 |
比焓 |
单位质量的水蒸汽所含有的能量。 |
由蒸汽质量计算蒸汽热量的必要参数。 |
比熵 |
单位质量的水蒸汽所具有的熵。 |
可用于计算等熵指数。 |
动力粘度 |
流体的应力与应变速率之比。 |
雷诺数计算公式中的一个参数。 |
声速 |
声波在水蒸汽中的传播速度。 |
超声波流量计计算流体速度的一个基准参数。 |
等熵指数 |
在基本可绝热（等熵）转换条件下，压力的相对变化与密度的相对变化之比。 |
标准节流式流量计可膨胀性系数的计算公式中的一个参数 |
2.3本标准适用范围为：
当273.16 K ≤T≤623.15 K时，0MPa < p≤ps (T)（温度T对应的饱和蒸气压力）MPa；
当623.15 K ＜T≤1073.15 K时，0MPa < p≤16.5292 MPa。
3.标准应用的几个问题
3.1统一物性值计算，提高水蒸汽质量计量准确度
在实际蒸汽的流量计量过程中，人们重点关注的是温度、压力和差压信号的准确性；由于缺乏对蒸汽密度计算复杂程度和计算依据的了解，往往忽略了密度值对蒸汽计量准确度的影响。节流式流量计蒸汽质量流量计算公式为：
式中 qm——体积流量，m3/s；
ε——可膨胀性系数；
d——节流件开孔直径，m；
D——管道内径，m；
β——直径比，(β=d/D) ；
ρ1——蒸汽密度，kg/m3；
Δp——差压，Pa；
C——流出系数。
从式1可以看出：差压值Δp和密度值在计算中是处于同等位。此外，可膨胀性系数ε、流出系数C也会产生影响（此文不详述），节流件开孔直径d、管道内径D的准确性可通过控制加工和安装精度予以保证。
正是因为蒸汽密度等物性值计算复杂，目前很多流量二次仪表的蒸汽密度的计算采用（1）采用简易的数学模型（出版物给出的或自己拟合的公式）。一般出版物给出的水蒸汽密度计算公式都是根据水蒸汽性质表拟合得到，不仅存在拟合误差，一般只适用某一区域（过热区或饱和区）且量值范围比较小。这类公式在一些特定的条件和场所是可用的，但作为计量用计算模型其准确度和适用范围必须经过科学的认证。（2）查表法。蒸汽表数据量很大且不连续（两个数据间的数值准确度难以保证），在实际操作中有很大困难。（3）PVT气体方程修正法，在DCS上蒸汽密度计算普遍采用此法。用IAPWS-IFC 1997公式和PVT方程分别计算蒸汽密度值，对比数据见表2。
表2 用IAPWS-IFC 1997公式和PVT方程计算蒸汽密度值对比
（以250℃、3.9MPa的过热蒸汽密度为参考点）
从表2中的数据可以看出，不同的计算方法所得到的密度值差别很大，远远超出了人们的想象。水蒸汽密度的计算方法不能统一，不仅给能源管理造成了一定的混乱，甚至引发贸易纠纷。 另外，现场还有大量的蒸汽计量用表尚未配温度、压力补偿，其准确度难以评估。
3.2正确评估用能设备的能耗
1）蒸汽能量计算原理
蒸汽的比焓是表征单位质量的水蒸汽所具有能量的系统状态参数，已知蒸汽的质量流量及其比焓，蒸汽热量Q按式（2）计算。
式中：
——蒸汽质量流量， 单位为千克每秒（kg/s），测量；
——为蒸汽温度、压力发生变化前后（某一装置或设备入口与出口处）的水蒸汽的比焓之差；
——分别为蒸汽温度、压力发生变化前后（某一装置或设备入口与出口处）蒸汽的比焓，单位为千焦每千克（kJ/kg）。
2）质量计量对用能设备能耗评估的缺陷
某生产装置过热蒸汽采用阶梯式运行方式，即蒸汽经过两级（或多级）装置做功，蒸汽（仍是过热状态）的温度、压力逐级降低，焓值也逐级下降，但各极装置的质量流量不变（见图1）。
从上图可以看出；入口的蒸汽（350℃、3.7Mpa）比焓值为3.1227MJ/kg，末级出口的蒸汽（140℃、0.35Mpa）比焓为2.7346MJ/kg，两者相差12%，以质量流量进行结算，难以对单套生产装置进行能耗考核或能效评估。
3）采用能量计量评估用能设备蒸汽能耗
方案A：此方案可以计量单个生产装置的蒸汽能耗情况。该生产装置在运行过程中没蒸汽的质量损失（或可忽略），在生产装置的蒸汽入口安装一套蒸汽能量计量仪表（由蒸汽流量计、温度、压力补偿仪表，以及流量计算机构成），在生产装置的蒸汽出口安装一套温度、压力测量仪表（见图2）
流量计算机根据生产装置入口处流量F1、温度T1、压力P1和出口处的温度T2、压力P2，可按式2计算该装置蒸汽能耗，并可通过网络将数据传送到企业的能源计量数据中心。
方案B：如果生产过程中蒸汽有质量损失，可采用此方案（见图3）。
此方案与方案A不同的是在生产装置蒸汽出口再安装一台蒸汽计量仪表。流量计算机根据生产装置入口处流量F1、温度T1、压力P1和出口处的温度F2、T2、压力P2，可按式3计算该装置蒸汽能耗。流量计算机将整个装置的蒸汽能耗通过网络传送到企业的能源计量数据中心。
式中：
——分别为在温度、压力变化过程前后（换热装置入口与出口处）的操作条件下测得的蒸汽质量流量，单位为千克每秒（kg/s），
3.3采用能量计量评估蒸汽管网损耗
1）基本分析
众所周知，蒸汽管输过程中存在不容忽视的损耗。习惯上，蒸汽的损耗是通过蒸汽流量（质量）输差（管网进口流量与出口流量之差）来进行评估。人们巳经注意到，除蒸汽的工况（温度、压力、流量）条件对用能设备效率产生影响外，蒸汽的损耗与蒸汽输送流速、管道保温、气候条件等因素有很大关系。然而，只有通过能量计量才能科学的评估各种关联因素与损耗之间的关系，这是解决问题的重要举措。
蒸汽的损耗来自于能量（热量）损失和质量损失。以过热蒸汽为例，蒸汽在管道输送过程中，在状态未发生变化（保持过热）的情况下，尽管温度、压力沿蒸汽走向逐渐降低，虽其质量流量不变，但能量损失了。这部份损耗就是能量（热量）损失，是无法通过质量流量进行定量评估的。
在管网末端蒸汽的损耗往往同时来自能量（热量）损失和质量损失。此时情况比较复杂，除了热量损失（其中应包括蒸汽发生相变所消耗的汽化潜热），还有质量损失，其中包括管道泄漏和湿饱和蒸汽析出的冷凝水（一般蒸汽计量仪表无法检测这部分冷凝水的质量）。
2）解决方案
方案C：长输管道（有质量损失）能量损耗计量（见图4）。
此方案是在蒸汽生产厂（如热电厂）的蒸汽出口和蒸汽接收方（如炼油厂）的入口各安装一套蒸汽能量计量仪表（由蒸汽流量计、温度、压力补偿仪表，以及流量计算机构成），流量计算机可显示瞬时、累积质量流量和瞬时、累积能量。并通过网络将数据传送到企业的能源计量数据中心。
方案D：长输管道（无质量损失）能量损耗计量（见图5）。
此方案中在蒸汽生产厂（如热电厂）的蒸汽出口安装一套蒸汽能量计量仪表（由蒸汽流量计、温度、压力补偿仪表，以及流量计算机构成），在蒸汽接收方（如炼油厂）的入口仅安装一套温度、压力测量仪表以及一台数据转换单元。此方案可在过热蒸汽管道或不考虑管道输送中蒸汽的质量损失（即忽略跑、冒、滴、漏以及管道疏水）的情况下采用。
值得指出的是，上述方案已分别在两个石化企业蒸汽计量中应用，并达到预期效果。
3）建立关联数据库，为科学管理能源提供依据。
将蒸汽管损能量计量数据与蒸汽工况（流量、温度、压力）信息、气候信息、管道保温工程信息等关联因素共建数据库，引入大数据概念，总结规律。在为能源考核工作奠定基础的同时，也为调整蒸汽输配方案、维护或改造蒸汽管网以及相关节能工程提供科学、可靠的依据。
结束语
《蒸汽热量计算方法》国家标准的出台，统一了我国蒸汽物性值的计算，为蒸汽质量的准确计量奠定了基础，也为能量计量创造了条件。让新标准在节能降耗中发挥作用，是我们共同的期盼。
参考文献
IAPWS –IF97国际水和蒸汽性质公式（International Steam Tables Properties of Water and Steam Based on the Industrial Formulation IAPWS-IF97）
GB/T 21188-2007 用临界流文丘里喷嘴测量气体流量
GB/T 32224-2015 热量表
GB/T17167-2006 用能单位能源计量器具配备和管理通则
GB/T17611-1998 封闭管道中流体流量的测量术语和符号
GBT3102.4-1993 热学的量和单位
工矿企业天然气能量计量方案的讨论
工矿企业天然气能量计量方案的讨论
北京博思达新世纪测控有限公司 李佳
20210519
摘要：随着天然气能量计量体系的建立与完善，我国天然气计量将逐步由体积计量向能量计量转型，为维护贸易双方的经济利益，确保转型后上下游计量数据统一、结果合规有据，本文探讨了下游工矿企业计量仪表获取天然气实时气质数据（组分、发热量等）的方法，以及实现低成本能量计量技术方案。
关键词： 天然气、能量计量、赋值方法、数据管理
0.问题的提出
国家管网公司的成立，推进了全国油气干线管道“一张网”形成，我国天然气管网将呈多种气源(天然气、液化天然气、煤层气、煤制气、页岩气等）供气的局面。由于不同气源气质数据（组分、密度、发热量）差异较大，沿用至今的体积计量已不能科学地衡量天然气经济价值，必然对天然气生产、供销、使用等各方经济利益产生影响。随着四部委联合发布的 “油气管网设施公平开放监管办法”的实施，相关部门已经启动了天然气采用能量计量（包括计量系统改造）的相关工作。
天然气采用能量计量，将对石化、热电等行业以及工业园区的天然气计量与管理产生影响。下游用户面临天然气动态组成数据转型及获取问题，如何保证贸易计量核查可靠，上下游计量数据统一，亟待提出一套符合相关标准，满足现场条件且低成本的天然气计量系统改造方案。
1.天然气计量现状
目前下游天然气工业用户均采用体积计量，基本分为贸易计量核查和内部计量两部分，现状为：
a) 下游用户一般没有对天然气组成进行分析，也未从上游（供气方）站点获取天然气实时组成数据，仅是定期从上游获取天然气固定组成数据用于体积计量的密度修正。
b）下游流量计量一次仪表种类繁多。包括：标准节流式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、科氏质量流量计等。
c) 各种功能的流量数据处理设备并存，即：
1) 网络型流量计算机：能实时进行数据采集、流量计量、换算和积算，计算压缩因子等物性参数，显示数据，具备与上位机进行数据交接网络通讯功能；
2) 流量计算机：能实时进行数据采集、流量计量、换算和积算，显示数据；
3) 流量积算仪：能实时进行数据采集、流量计量和积算，显示数据；
4) 流量数据采集转换装置：能实时进行数据采集、传输。
上述设备一般不具备接收动态组分数据和能量计算的功能。
2.解决方案
2.1 组分数据获取
天然气采用能量计量，可根据计量系统性能要求及评价结果，从上游（供气方）站点获取天然气实时组成数据，可采用如下赋值方法：
a)对于GB/T 18603-2014中A级计量系统，采用可变赋值方法从上游获取天然气组成数据。见图（1）。
上述方案直接采用上游色谱仪在线组分数据，赋值最大允许误差∠0.5%。其优点是实时性好，并且省却了色谱仪的采购和维护成本，但是要求下游流量计算机具有能量计算和接收实时组分数据的功能。
b）对于GB/T 18603-2014中B级（或C级）计量系统，从上游获取天然气组成数据，采用发热量智能固定赋值（赋值最大允许误差∠1.25%）。根据发热量的波动情况和计量最大允许误差要求，自动调整固定赋值周期。
c）对于GB/T 18603-2014中C级计量系统，从上游获取天然气组成数据，采用发热量固定赋值（赋值最大允许误差∠2.0%）。赋值周期为1周或根据实际情况确定。
2.2 能量计量系统构成
采用气质数据采集转换仪（由工控机和配套软件组成，以下简称“转换仪”），从上游线色谱仪或流量计算机上自动读取天然气组分数据。转换仪根据具体条件和需求，按照GB/T 22723《天然气能量的测定》等相关标准，计算体积基高位发热量、质量基高位发热量、沃泊指数、密度等气质数据，在完成数据处理的同时，将处理后的气质数据上传到数据处理天然气计量平台（以下简称“平台”）。
平台把实时气质数据（按小时、天、周、月、年不同统计方式）上传到上位系统（企业能源网），现场流量计算机自动下载数据，不能接收动态数据的流量计算机，可通过气质数据赋值终端（以下简称“赋值终端”）下载数据，从而实现发热量赋值。系统构成见图（2）
2.3流量计算机能量计量方案
根据各种功能流量数据处理设备，使用不同的数据处理方法，即：
a）网络型流量计算机能量计量方案为：
1) 进行网络通讯和能量计算的组态；
2) 通过平台或网络接收天然气组成数据；
3) 计算天然气工作条件和标准参比条件下的压缩因子（测量工作条件下的体积流量的流量计），以及标准参比条件下体积基或质量基（质量流量计）高位发热量；
4) 进行流量计算、体积换算（测量工作条件下的体积流量的流量计）、能量计算、积算；
5) 上传计量数据。
b）流量计算机能量计量方案为：
1) 增加网络数据交换赋值终端；
2) 在平台或上位系统计算天然气工作条件和标准参比条件下的压缩因子（测量工作条件下的体积流量的流量计），以及标准参比条件下体积基或质量基（质量流量计）高位发热量，并通过赋值终端下传至流量计算机；
3) 在流量计算机上进行流量计算、体积换算（测量工作条件下的体积流量的流量计）、能量计算、积算；
4) 通过赋值终端上传计量数据。
c）流量积算仪能量计量方案为：
1) 增加网络数据交换赋值终端；
2) 通过赋值终端上传温度、压力和流量数据至平台或上位系统；
3) 在平台或上位系统上计算天然气工作条件和标准参比条件下的压缩因子（测量工作条件下的体积流量的流量计），以及标准参比条件下体积基或质量基（质量流量计）高位发热量，并通过赋值终端下传至流量积仪；
4) 在平台或上位系统进行体积换算（测量工作条件下的体积流量的流量计）、能量计算、积算。
d）流量数据采集仪能量计量方案为：
1) 增加网络数据交换赋值终端；
2) 通过赋值终端上传温度和压力数据至平台或上位机；
3) 在平台或上位系统上计算天然气工作条件和标准参比条件下的压缩因子（测量工作条件下的体积流量的流量计），以及标准参比条件下体积基或质量基（质量流量计）高位发热量，并通过赋值终端下传至流量数据采集仪；
4) 在平台或上位系统进行流量计算、体积换算（测量工作条件下的体积流量的流量计）、能量计算、积算。
2.4.气质数据赋值终端的应用
对不具备接收实时组分的流量计算机，可通过赋值终端进行赋值，具体有三种方式。
（1）赋值到原有流量二次仪表
此方式适用于原有流量二次仪表有能量计量功能，但不具备接收实时组分数据功能的仪表。
（2）使用原二次仪表的体积或质量流量数据进行能量计算
此方式适合原有流量二次仪表，体积或质量流量计量符合标准要求，但不具备能量计量功能的仪表。
（3）赋值终端直接进行天然气能量计量
赋值终端自身具备高精度的流量和能量计算功能，可以直接采集原始信号（温度、压力、流量），完成体积或质量流量及能量计算。此方式适用于原有流量二次仪表的流量补偿计算不符合标准要求，不具备高精度流量、能量计量功能的仪表。
3.应用举例
某企业为提高天然气流量计量准确度并实现能量计量，上位系统采用有线通讯读取色谱的组成数据并完成数据处理，通过GPRS无线通讯设备发送给下游流量计算机（具备接收实时组分数据功能），实现组分实时赋值。各站点流量计算机采用实时气质数据完成压缩因子、密度、发热量计算，从而提高天然气物性参数的准确度，在体积流量计量的基础上实现能量计量。方案见图3。
图3
4.小结
以上方案遵从国家相关标准，以天然气体积计量为基础，根据实际条件充分挖掘现有设备、设施潜力，借助企业网络优势，为贸易计量核准和下游计量系统改造，以及仪表的校准或核查提供一套低成本的天然气体积向能量计量转型技术方案。
参考文献：
GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》
GB/T 35186《天然气计量系统性能评价》
GB/T 11062 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法
工业蒸汽计量技术与应用
工业蒸汽计量技术与应用
---对《工业蒸汽计量技术要求》团体标准的讨论
华电国际电力股份有限公司天津分公司 王晶 王建光 张弘毅 肖明
（天津市河西区合肥道富力中心27楼，300203）
北京博思达新世纪测控技术有限公司 张志力朱昕姝 100191
（北京市海淀区龙翔路30号院2号楼801室，100191）
摘要：长期以来，由于我国没有关于工业蒸汽计量的统一标准，使蒸汽计量在流量与物性值计算、仪表选型、量值溯源及运维管理等方面无据可依，给蒸汽的质量、能量计量和贸易结算造成诸多困难。本文根据工业蒸汽计量存在的实际问题，介绍《工业蒸汽计量技术要求》团体标准给出的解决方案。
关键词： 蒸汽标准 仪表选型 蒸汽物性值 宽量程 能量计量
1.标准立项背景
工业蒸汽是工业企业生产和供热的主要能源，由于其经济价值高，计量是供需双方关注的焦点。“电热并举”是热电行业长期经营战略，蒸汽贸易计量直接关系供热企业经济利益。由于蒸汽介质和工况条件的特殊性（高温、高压、高流速、补偿参数计算复杂等），其流量测量一直是计量领域的难点。蒸汽计量仪表选型、使用、检定或校准不规范，输配不合理，造成蒸汽输差大等问题在工业领域普遍存在。为此，中国华电集团在对下属供热企业蒸汽计量情况进行了全面调研（包括对7个企业的实地考察）的基础上，开展了专项课题研究，结合实际情况组织业内专家开展技术攻关，编写T/CMA NY050-2020《工业蒸汽计量技术要求》团体标准，在标准编制、修改过程中，编写组采用现场走访与问卷调查相结合的方式，对华电集团下属20家供热企业蒸汽计量情况进行了调研。该标准2021年1月1日发布后，受到了热电、石化、石油、冶金等行业的计量主管部门重视，中国华电集团、中石化下属企业组织相关技术人员结合蒸汽计量的实际需求开展标准宣贯及讨论，下面将就宣贯中大家普遍关注的问题进行阐述。
2.标准涉及的几个主要问题
2.1标准应用范围及技术依据问题
该标准适用于工业蒸汽的流量计量，规定了工业蒸汽流量计量技术要求及流量测量及其不确定度评定方法。特别强调了蒸汽计量系统包括一次仪表（含测量管）、补偿仪表（温度、压力）及流量积算单元，并给出对计量系统性能要求。该标准引用或参考GB/T 2624-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》1、2、3、4部分，GB/T 34060-2017 《蒸汽热量计算方法》，JJG 640-2016 《差压式流量计》等标准和规程，确保与现行有效的国家标准、行业标准和国家检定规程保持一致。
2.2.仪表选型与量值溯源问题
2.2.1.流量计选型与溯源问题
本标准推荐仪表的原则是依据现行有效国家或国际标准，确保所推荐仪表有据可依。由标准给出了所推荐的流量计适用范围、安装使用要求和检定与校准要求。
（1）依据GB/T 2624.1-2006 用安装在圆形截面管道中的差压装置测量
满管流体流量 第1、2、3、4等部分，推荐了标准孔板、ISA1932喷嘴、长径喷嘴等。该类型仪表全球通用，历史悠久，制造技术成熟，是当前蒸汽计量的主力仪表。其最大特点是通过几何检定就可以实现节流装置的量值溯源，无须实流标定。
（2）依据GB∕T 25922-2010《封闭管道中流体流量的测量 用安装在充满流体的圆形截面管道中的涡街流量计测量流量的方法》推荐了涡街流量计。标准指出涡街流量计和管道的振动应在制造商推荐的等级范围内，仪表的技术指标（蒸汽的干度、压力、温度）等应满足蒸汽计量实际需求以及仪表检定（或校准）按JJG1029规定进行。
（3）依据SO 5167-5：2016 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第5部分：锥形流量计》。标准给出了流出系数C 和可膨胀性系数ε的取值方法。仪表检定（或校准）采用系数检测法按JJG640-2016中7.2规定进行；采用示值误差检测法按JJG640-2016中7.3规定进行。
(4)对其它类型流量计的规定
其它类型流量计是指用于蒸汽计量的插入式流量计（如皮托管流量计、均速管流量计、插入式涡街流量计等）、非标准节流式流量计（如多孔孔板等）。由于这些流量计目前没有公任的相关标准支持，生产厂商应提供流量计的流量计算模型、使用范围及使用要求等。
特别指出，这类仪表的检定（或校准）应依据JJG640-2016规定的示值误差检测法,在接近仪表实际使用的工况（介质温度、压力和流速范围）条件下，在蒸汽标准装置上通过实流标定获得仪表系数和不确定度。对于插入式流量计宜采用流量计与测量管段整体标定的方法，以避免在使用时由插入式流量计测量杆安装定位、插入深度、实际管径等因素带来的误差。
2.2.2 配套流量计算机选型与溯源问题
流量计算机计算模型分为两类，一类是与流量变送器（传感器）相关流量计算模型，另一类是物性值计算模型。
（1）流量计算机流量计算模型一般由公认的标准给出，本标准推荐的流量计的计算模型均取自于现行国家或国际标准。没有公认标准支持的流量计流量计算模型，须在公认的标定装置上通过实验验证得到。
（2）目前蒸汽流量计量的物性值有的是采用简易数学模型或理想气体方程进行计算，由于算法不统一，会对蒸汽计量准确度产生影响。
本标准推荐的流量计算机蒸汽密度、比焓、动力粘度、等熵指数的物性值计算模型来源于GB/T 34060-2017 《蒸汽热量计算方法》国家标准，该标准等效于国际水和水蒸汽性质联合会IAPWS-IF97公式（该文件指出，在商业合同中应采用IAPWS-IF97公式）。
（3）宽量程问题
标准节流式流量计在传统应用中，超测量范围现象较为普遍，这是影响这类流量计应用以及产生测量误差因素之一，扩展测量范围是解决问题的关键所在。现代智能化、宽量程的差压变送器和运算功能强大的流量计算机的问世，使标准节流式流量计实现自动宽量程成为可能。蒸汽计量普遍使用的节流式流量计流量计算基本公式见（1）式：
在一定条件下（几何检测合格且使用条件在标准规定的范围内），对于给定的标准节流件，C值仅与雷诺数有关，按式（2）计算。
式中： ReD ——管径雷诺数。
根据这一原理，流量计算机通过实时迭代计算，得到不同雷诺数条件下的流出系数C和可膨胀性系数ε进行流量计算，克服传统上使用固定C和ε值带来的误差，从而实现量程扩展。传统上流出系数C、可膨胀性系数ε均采用固定值，仅在量程比3：1的测量范围内可实现准确计量。本标准在通则中对差压式流量计宽量程功能提出了要求。
（4）流量计算机功能要求。
本标准根据当前和未来的应用需求，提出流量计算功能包括：支持瞬时质量及累积质量流量计算；支持瞬时能量及累积能量流量计算。为保证上述功能满足工业现场及贸易计量的实际要求，对流量计算机主要性能（包括：环境条件、数据采集与处理周期、准确度、数据存储、通讯接口、系统安全、平均无故障时间及自诊断功能）提出了明确要求。
2.3 关于蒸汽能量计量问题
蒸汽作为载能工质，用户使用的是蒸汽所携带的热量，而温度、压力不同，蒸汽比焓不同，所以用质量流量来评估蒸汽用量或损耗存在缺陷。蒸汽输送过程中存在损耗，习惯上，蒸汽的损耗是通过蒸汽流量（质量）输差进行评估。过热蒸汽在输送过程中状态未发生变化（保持过热）的情况下，尽管温度、压力逐渐降低，虽其质量流量不变，但能量损失了。这部份能量损失，是无法通过质量流量进行定量评估的。
标准编写前的调研情况表明，供热公司外供蒸汽输差大的情况较为普遍，除管道保温因素外，有的供热管道存在设计供汽量大，实际供汽量小（及口径大、流速低）的问题，在管网末端蒸汽的损耗不仅有能量损失还有质量损失（其中包括管道泄漏和湿饱和蒸汽析出的冷凝水）。这是输差大的主要原因，造成很大浪费，影响供热企业经济效益。本标准提出蒸汽采用能量计量，旨在提升计量手段，对蒸汽管网热损耗做出可以量化的评估。在实际操作中将蒸汽能量损耗数据与蒸汽工况（流量、温度、压力）、气候、管道保温工程等关联因素共建数据库，引入大数据概念，总结规律，为调整蒸汽输配方案,维护或改造蒸汽管网以及相关节能工程提供科学、可靠的依据，也为蒸汽采用能量计量奠定基础。
2.4 流量在线校准问题
由于蒸汽的特殊性，在用蒸汽流量计（多为标准节流式流量计）存在不易拆卸或不能断流的情况，大多不具备送实验室检定的条件。而在以往流量仪表的检定中，又只对一次仪表检定，很少对二次仪表或整个系统进行检定或校准。致使现场运行仪表变送器超测量范围使用，二次仪表计算模型不符合标准，或两者存在设置与运行工况不符等诸多问题不及时发现和解决。随着流量计在线校准在中石化、中石油、热电企业逐步展开，用在线校准替代强制检定已成必然趋势。为此，本标准结合蒸汽计量仪表（包括配套变送器和流量积算单元）适用工况及现场条件，以规范性附录形式对标准节流式流量计和流量计算机的在线校准给出操作方法及要求。为热电、石化等行业在线蒸汽计量仪表的量值溯源提供了参考依据。
结束语
《工业蒸汽计量技术要求》团体标准，是我国首个有关蒸汽计量的综合性技术标准，明确了蒸汽计量的相关要求，规范仪表选型、量值溯源及运维管理，具有较强的实用性。通过实际应用，不断充实、完善、提高。新标准能在节能降耗中发挥作用，是我们共同的期盼。
注【1】GB/T 2624.1-2006 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》 第3部分公式1。
注【2】GB/T 2624.1-2006 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》 第3部分公式3。
参考文献
1.IAPWS –IF97国际水和蒸汽性质公式（International Steam Tables Properties of Water and Steam Based on the Industrial Formulation IAPWS-IF97）
2.GB/T 2624.1-2006 《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》 第1、2、3、4等部分
3.GB/T 34060-2017 《蒸汽热量计算方法》
4.JJG 640-2016 《差压式流量计》
5.JJG 1003-2016 《流量积算仪》
用于蒸汽计量的标准节流装置在线校准问题的探讨
用于蒸汽计量的标准节流装置在线校准问题的探讨
朱昕姝，北京博思达新世纪测控技术有限公司，149655759@qq.com
李 长 武 ， 苏 州 市 计 量 测 试 院 ， licw@szjl.com.cn
韩鹏彦，中国石油抚顺石化公司腈纶化工厂，13941363547@163.com
摘要：流量仪表在线校准已是国际上普遍采用的方法，其技术和管理均已成熟，并被贸易双方所接受。随着我国市场经济的发展和社会诚信体系逐步完善， 相关政策、法规正在按照市场规则进行调整，工业领域流量仪表在线校准替代（或部分替代）强制检定势在必行。本文以 GB/T 34060-2017《蒸汽热量计算方法》等标准和规程为依据，针对标准节流装置和蒸汽的特点，探讨用于蒸汽计量的标准节流装置的在线校准系统构成、校准方法以及计量整改方案等若干问题。
关键词：蒸汽计量，在线校准，标准节流装置，流量积算仪
一、问题的提出
蒸汽作为载能工质，在石油、化工、冶金等工业领域能源消耗占比很高，我国中、高压蒸汽流量计量多采用标准节流装置。因此，对用于蒸汽计量的标准节流装置进行在线校准，既是重点，也是难点。现场主要问题有：
1、蒸汽物性值（密度、焓值）补偿计算方法混乱，蒸汽尚未采用能量计量；
2、采用标准节流装置测量蒸汽，超流量测量范围问题普遍；
3、蒸汽输配环节输差大，热损失严重；
4、对蒸汽等介质计量仪表没有在线校准手段，对输差大等问题束手无策。二、原因分析
1、水蒸汽的性质与理想气体大不相同，其物理性质独特且运算复杂，故不能用简单的数学模型进行计算。由于以前我国没有蒸汽物性值计算统一的国家标准，在工程上采用的计算模型混乱（用理想气态方程或固定值进行密度补偿的情况普遍），这不仅给能源计量管理带来诸多困难，甚至造成贸易纠纷。
另外，蒸汽用户消耗的是蒸汽所携带的热量，而不同温度、压力蒸汽的比焓不同，携带的热量不同。所以用质量流量来评估蒸汽用量或损耗存在缺陷，致使无法对蒸汽损耗和碳排放量进行科学、准确的评估；
2、传统标准节流装置测量范围一般为3：1，而工业现场蒸汽流量变化远远超过3：1的范围，这是引起节流装置计量误差的主要原因之一。
3、由于蒸汽的特殊性，蒸汽的工况条件不仅对用能设备效率产生影响，在 其输送的过程中，随着温度、压力的降低，就产生了热量损耗（包括热量损失和 质量损失） 。蒸汽的损耗与蒸汽输送流速、管道保温、气候条件等因素有很大关系。习惯上，这部分损耗是通过蒸汽流量（质量）输差进行评估存在两个问题：
（1）对过热蒸汽而言，蒸汽在管道输送过程中，在状态未发生变化（保持过热状态）的情况下，质量流量不变，但热量损失（包括：合理损耗与不合理损耗两部分）是无法通过质量流量进行定量评估的。
（2）由于蒸汽输送过程中产生的输差全部分摊到下游，蒸汽输配过程中的不合理损耗往往被忽视。
业内专家指出：在各行业的蒸汽输送中，蒸汽普遍存在输差大、输配热量损耗大的问题。换言之，蒸汽输配环节具有很大的节能空间。
4、用于蒸汽计量的标准节流装置仅在安装前做一次元件初检。由于蒸汽连续生产等因素的限制，无法对在用的仪表进行实流或几何检定。但是，影响流量量值除节流件本身外，还有补偿计算、测量范围、参数设置等诸多因素，现场实际情况表明：这些因素的影响往往超过了节流件不确定度影响，这需要通过在线校准来正确评估整个计量系统的准确性。
标准节流装置与流量积算仪在线校准（或检定）
现场调研情况表明：用于蒸汽计量的标准节流装置在线校准主要环节包括：
1. 在条件允许时，采用几何测量设备对节流件的孔径、光洁度、平整度等进行实际测量，以评定测量结果。
2. 确认节流件是否在检定周期内，检查节流装置的安装及直管段，引压管、取压阀、平衡阀等是否符合 GB/T2624-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》、JJG640-2016《差压式流量计》的要求。根据行业特 点，制定具体校准方案（必要时，可参考国内外的相关标准，开展定期检测，以检查节流件长周期运行后几何尺寸及形位工差的变化情况）。
3. 在完成上述环节的基础上，可开展三类校准：
Ⅰ类校准：流量积算仪模型在线校准（校准流量计算模型、物性值计算、检查仪表设置等）、差压量程的校准。
Ⅱ类校准：流量积算仪检定或校准
由高精度电流信号源提供电流信号，采用联校的方法对二次仪表或 DCS 的信号通道及显示值进行检定（或校准），以确定积算系统是否符合计量要求。主要核查物性值计算、宽量程补偿运算以及仪表设置是否正确。
Ⅲ类校准：流量系统校准
可采用便携压力源、干井对压力变送器、差压变送器、温度变送器进行现场校验，核查各变送器工作和参数设置是否在合理范围，采用联校的方法对整套系统进行校准。
校准工作的开展，应根据现场实际情况及用户的要求，在充分调研的基础上确定校准方案。通过现场校准判断问题 (一次装置、流量与物性值计算模型、测量范围以及参数设置等) 所在，从而对计量系统给出整改进建议。
四、整改建议
方案 1
GB/T34060-2017《蒸汽热量计算方法》国家标准实施，统一了蒸汽物性值（密度、比焓、热量、等熵指数、粘度等）计算方法（据悉，目前我国蒸汽贸易结算已开始采用热量计量）。这为蒸汽质量和能量计量提供了可靠依据。
对用于蒸汽贸易计量或用于碳排放量考核的蒸汽计量二次仪表（流量计算单元、DCS 等）的蒸汽物性值计算（密度、焓值等）模型统一采用国家标准，在保证质量计量准确的同时，增加实时计算蒸汽能量功能，依据 GB/T3215-2015 工业企业温室气体排放核算和报告通则（及各行业具体要求）国家标准，增加蒸汽碳排放量自动转换功能。
方案 2
在流量二次仪表（流量计算单元或 DCS）开发可实时计算流出系数 C 和可膨胀性系数ε 功能，使节流装置流量范围真正达到 6：1 或 20：1。在蒸汽流量计量系统植入标准节流装置宽量程自动补偿功能。
方案3：
例1：长输管道（有质量损失）能量损耗计量（见图3）。
图3
例1：是在蒸汽生产厂（如热电厂）的蒸汽出口和蒸汽接收方（如炼油厂）的入口各安装一套蒸汽能量计量仪表（由蒸汽流量计、温度、压力补偿仪表，以及流量计算机构成），流量计算机可显示瞬时、累积质量流量和瞬时、累积能量。并通过网络将数据传送到企业的能源计量数据中心。
例2：长输管道（无质量损失）能量损耗计量（见图4）
图4
例2中在蒸汽生产厂（如热电厂）的蒸汽出口安装一套蒸汽能量计量仪表（由蒸汽流量计、温度、压力补偿仪表，以及流量计算机构成），在蒸汽接收方（如炼油厂）的入口仅安装一套温度、压力测量仪表以及一台数据转换单元。此方案可在过热蒸汽管道或不考虑管道输送中蒸汽的质量损失（即忽略跑、冒、滴、漏以及管道疏水）的情况下采用。上述方案说明，只有通过热量计量，才能科学的评估各种关联因素与损耗之间的关系，这是解决问题的重要举措。
方案4
选用享有发明专利（专利号：20140132364.5）权的《能量与碳数据采集转换仪》可一揽子实现上述“方案1、2、3”的各项功能。该仪表是一款全新概念的流量、能量及碳排放数据计量设备。无键盘、微型显示及小型化的设计， 使其能够密集安装在仪表柜内，完成对现场流量相关信号的采集，根据相关国家标准对现场节流装置进行宽量程补偿，完成蒸汽流量、能量、碳数据计算，计算结果由以太网、串行接口等数字方式或由4~20mA标准电流信号，将数据上传至
DCS系统或上位机系统。工作流程见下图。
结束语
蒸汽采用能量计量和流量仪表在线校准在我国方兴未艾。本文简述了在这一领域初步研究与实践，我们愿与流量界同仁携手，共同探讨适合各行业特点的流量在线校准系统和实施方法。
参考文献：
GB/T2624-2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》；
GB/T34060-2017《蒸汽热量计算方法》；
JJG640-2016《差压式流量计》 ； JJG1003-2016《流量积算仪》；
GB/T32150-2015《工业企业温室气体排放核算和报告通则》。
蒸汽、煤气能量计量与碳达峰
能量计量与“碳达峰”
北京博思达新世纪测控技术有限公司 朱昕姝
0.前言
节能降耗是高耗能企业“控排”，实现“碳达峰”的首要举措，而评估能耗、评价节能效果必须具备精准的计量手段。传统上能源介质（流体）的计量都是采用参比条件下的体积流量或质量流量，对一般流体（空气、氮气、常温水等）而言，这无疑是正确的，但对作为能源（或二次能源）介质的计量则是不科学也不合理。
在目前能源结构条件下，冶金等高耗能行业实现“减碳”面临着巨大挑战，而“碳数据”是推进节能减排的基础，是进行碳交易（碳核查）和征收碳关税的关键。蒸汽、人工煤气、天然气、炼厂干气等能源介质在冶金、石化等行业的能源消耗占有很大比重，传统的计量方法（体积或质量计量）在评估能耗，计算碳排量方面存在缺陷。推进对上述介质实施能量计量，对指导高效利用能源、降低损耗，促进“碳达峰”具有重要的现实意义。
1.蒸汽质量计量与能量计量
蒸汽是工业企业广泛使用的能源介质，由于蒸汽介质的特殊性（高温、高压、高流速、补偿参数计算复杂等），是计量的难点和企业能源管理的重点。传统的蒸汽计量一直采用质量计量作为贸易结算和内部考核的依据。但蒸汽气作为载能介质，相同质量，不同温度、压力条件下其焓值不同，其所携带的能量也不同，在传输或做功过程中发生很大改变。
1.1质量计量对用能设备能耗评估的缺陷
某生产装置过热蒸汽采用阶梯式运行方式，即蒸汽经过两级（或多级）装置做功，蒸汽（仍是过热状态）的温度、压力逐级降低，焓值也逐级下降，但各装置的质量流量不变见图1。
图1某生产装置过热蒸汽阶梯式运行示意图
从上图可以看出；入口的蒸汽（350℃、3.7MPa）比焓值为3.1003MJ/kg，末级出口的蒸汽（140℃、0.35MPa）比焓为2.7346MJ/kg，两者相差12%，以质量流量进行结算，难以对单套生产装置进行能耗考核或能效评估（以上数据来自某石化企业）。
1.2质量计量评估蒸汽管网损耗的缺陷
蒸汽在输送过程中存在不容忽视的损耗，通常蒸汽的损耗是通过蒸汽流量（质量）输差（管网进口流量与出口流量之差）来进行计算（评估）。人们巳经注意到，除蒸汽的工况（温度、压力、流量）条件对用能设备效率产生影响外，蒸汽的损耗与蒸汽输送流速、管道保温、气候条件等因素有很大关系。然而，只有通过能量计量才能科学的评估各种关联因素与损耗之间的关系。
蒸汽在管网中的损耗来自于能量（热量）损失和质量损失（在输送过程中蒸汽发生相变析出的冷凝水，一般蒸汽计量仪表无法检测这部分冷凝水的质量）。以过热蒸汽为例，在输送过程中蒸汽状态未发生变化（保持过热）的情况下，尽管温度、压力沿蒸汽走向逐渐降低，虽其质量流量不变，但能量损失了。这部份损耗就是能量（热量）损失，是无法通过质量流量进行定量评估，这一点往往被忽视。
调研情况表明，蒸汽在输送过程中输差大的情况较为普遍，除管道保温因素外，有的供热管道存在设计供汽量大，实际供汽量小（及口径大、流速低），这是输差大的主要原因，造成很大浪费，影响供热企业经济效益。蒸汽采用能量计量，旨在提升计量手段，对蒸汽管网热损耗做出可以量化的评估。在实际操作中，将蒸汽能量损耗数据与蒸汽工况（流量、温度、压力）、气候、管道保温工程等关联因素共建数据库，引入大数据概念，总结规律，为调整蒸汽输配方案,维护或改造蒸汽管网以及相关节能工程提供科学、可靠的依据，通过提升计量手段挖掘蒸汽输配环节的节能潜力。
1.3 用折算法换算能量的缺陷
目前业内依据GB/T 50441-2016《最新能耗折算标准》，在能源消耗统计中采用折算成标油方法，以压力等级就近原则进行换算（这种方法是在质量计量体系下，或缺少能量计量手段所形成的），其误差较大，不能准确度量蒸汽的实际损耗，不利于精细化管理。能源介质折算值见表1。
蒸汽在管输过程中，由于工况变化，在折标压力范围内，温度可能有较大的波动。以3.50MPa级过热蒸汽为例，绝对压力从4.5MPa降至3.1MPa，温度从410℃降至360℃，按照折标计算，都属于3.5MPa级蒸汽折算标准，其1吨此等级的过热蒸汽，折标能量值为 3684.384GJ。但根据实际参数进行能量计算，1吨的蒸汽质量，在两种不同压力和温度下，其比焓值不同，4.5MPa，410℃过热蒸汽的比焓值为 3229.56kJ/kg，3.1MPa，360℃的比焓值为 3137.4kJ/kg ，其携带的对应1吨过热蒸汽的能量值分别为3229.56GJ，3137.4GJ。分别与3.5MPa级蒸汽折算能量值相差12.34 %和 14.85%。由此可以得出，同压力等级下的蒸汽在最高和最低压力时的实际蒸汽能耗相差很大（以上数据来自某石化企业）。
计量工作者在长期的工作实践中已经注意到上述的问题，并在蒸汽能量计量方面做了积极探索。例如：中石化安庆分公司在蒸汽计量方式上进行了有益的实践，通过采用能量计量评估蒸汽在装置和管网能耗，取得了令人满意的成果（安庆石化《应用蒸汽能量计量技术精准计量装置能耗》列入2020年全国能源资源计量服务示范入围项目）。
1.4关于蒸汽碳排放量转换
根据《企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施》，供热量（购入蒸汽或输出蒸汽）主要两种监测方式。
方式1：采用直接计量热量数据（优先获取）。
方式2：采用结算凭证数据（在不能获取直接计量热量数据时，才能使用结算凭证数据，但各个年度获取数据的方式和数据源应一致）。
在质量计量体系下，直接计量热量数据来自于蒸汽计量仪表显示（或输出）的质量流量（吨），需通过采用供热工况条件下的比焓近似值（省缺值），将蒸汽质量流量换算为热量数据（吉焦）。该热量数据通过碳排放因子换算得到所用蒸汽的碳排放量。
采用能量计量，蒸汽计量仪表直接显示（或输出）热量数据（吉焦），其热量数据准确度远高于采用比焓近似值（省缺值）进行换算的结果。蒸汽计量表可以在显示（或输出）质量（吨）和热量的同时，显示（或输出）所用蒸汽的碳排放量（吨）。综上所述，采用能量计量使得蒸汽碳排放量的计算更为准确、便捷。
2. 人工煤气体积计量与能量计量
天然气作为清洁能源，已被大力推广替代其它化石燃料。目前天然气采用计量方式有三种，即体积计量、质量计量和能量计量，能量计量已被国际贸易普遍采纳。随着国家管网公司的成立，我国天然气输送管网实现全网互联互通，形成了多气源（常规天然气、非常规天然气、液化天然气和煤制气）供气局面。由于各气源气体组成不同，发热量不同（据有关机构统计单位发热量相差可达到20%以上），不同发热量的天然气以体积量或质量进行贸易结算，不能体现其真实价值，而采用能量计量符合优质优价、科学合理的贸易原则。为此，我国自2021年5月24日进入天然气能量计价体系。另外，天然气能量数据可以便捷地通过碳排放因子直接换算为碳排放量数据。
人工煤气包括焦炉、高炉、转炉等，是冶金行业主要的二次能源，传统上采用参比条件下的体积流量进行计量。由于冶金生产工艺的特殊性，通常采用焦炉煤气（或天然气）与高炉煤气、转炉煤气进行混合供给燃气设备，其混合比、用气量常有波动。由于各种煤气的组分、密度和发热量差别很大（见表2），不仅影响用能设备的燃烧效率，混合煤气体积流量也难以准确计量。
焦炉、高炉、转炉煤气物性参数表
(组份、密度、发热量）
2.1问题分析
混合煤气组分波动造成以下几个问题：
（1）混合煤气的密度通常采用估算值（按固定混合比），由于各种参与混合的煤气体积流量随时波动，直接影响混合煤气体积量流量准确度；
（2）采用体积计量混合煤气不利于生产工艺调控或直接影响用能设备燃烧效率。
（3）由于各种煤气发热量差别很大（特别是天然气参与掺烧后），其混合比又随时变化，造成混合煤气发热量波动且无法前置获取（为给工艺调控提供依据，也有采用热值仪测定混合后煤气发热量），所以体积量无法准确计量混合煤气实际能量流量（实际价值）。这与在多气源混输条件下，天然气不适用体积计量的情况类似。
2.2方案讨论
上述分析表明，混合煤气采用体积计量存在缺陷，借鉴天然气能量计量气质数据赋值方法，在冶金行业逐步推广人工煤气及混合煤气采用能量计量是解决上述问题的途径之一。随着计量及检测水平的提高，我国能源介质采用能量计量在技术上已日臻成熟， GB/T-11062《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》等国家标准为人工煤气（包括发生炉煤气、炼厂干气等）及混合煤气的密度、发热量等参数及能量的计算提供了依据和方法。
目前大多冶金企业定期对焦炉、高炉、转炉煤气的物性参数（组分、密度、发热量）定期进行测定，为体积流量密度计算和发热量评估提供依据。测定数据表明：焦炉、高炉煤气在一段时间内（同一批次燃煤），其组分和发热量相对变化较小。因此，可以设定焦炉、高炉煤气气体组成是固定值（根据定期测定数据调整）。在此前提下，混合煤气能量计量系统构成如图2.
图2 混合煤气能量计量系统
图中上游焦炉、高炉煤气通过汇管向下游（各分支）输送混合后的煤气，需要对各节点进行体积和能量流量计量。其流程如下：
（1）在上游两个流量积算单元设置焦炉、高炉煤气组成数据（通过定期测定获得），同时流量积算单元采集现场差压、温度和压力信号，分别计算出焦炉煤气流量Qj、高炉煤气流量Qg。
（2） 气质数据采集转换仪接收上游两个流量积算单元的流量数据（Qj、Qg）和焦炉、高炉煤气组成数据，按流量加权计算出混合煤气的动态气体密度、发热量及汇管处混合煤气的体积流量、能量流量；同时通过网络（RS485等）或无线通讯将动态气质数据发送给下游各流量积算单元。
（3）下游各流量积算单元根据动态气气质数据完成各节点混合煤气的体积流量、能量流量计算。
流量计算机技术和企业网络建设的成熟，为上述功能的实现奠定了基础。这一方案在充分利用现有计量检测设备的基础上，通过对二次仪表及软件系统升级改造，实现为下游流量仪表远程动态赋值，体积流量和能量计量。煤气介质采用能量计量弥补了采用体积计量的不足，为混合煤气的精准计量提供了科学、合理的方法。同时可以参考天然气碳排放量的转换方法，采用能量数据（吉焦）进行碳数据转换。为碳核查等提供了科、准确的方法。
2.3应用举例
某企业为提高天然气流量计量准确度并实现天然气能量计量，上位系统采用有线通讯读取色谱的组成数据并完成数据处理，通过无线通讯设备发送给下游流量计算机（具备接收动态气体组成数据功能），实现实时赋值。各站点流量计算机采用实时数据完成压缩因子、密度、发热量计算，从而提高天然气压缩因子、发热量等物性参数的准确度，实现了体积流量和能量流量计量，系统构成见图3。
图3
上述方案以天然气体积计量为基础，充分挖掘现有设备、设施潜力，借助企业网络优势，依据国家相关标准，为贸易计量核准和下游计量系统改造，提供一套低成本的天然气体积向能量计量转型的技术方案，此方案或对混合煤气能量计量具有参考价值。
3.小结
综上所述，能源介质采用能量计量弥补了体积或质量计量的不足，提出了更科学、更合理的方法。还应指出：CMA YJ050-2021《混合煤气流量计量技术要求》，TCMA NY050-2020《工业蒸汽计量技术要求》两个中国计量协会的团体标准已于2021年正式发布并实施。这两个标准对高耗能行业主要流体能源介质计量具有指导意义，特别是对蒸汽、煤气采用能量计量提出了具体的方法和要求，给出了将能源介质从体积量（或质量量）向碳数据转换的技术路径。
信息化数据平台在天然气能量计量中的应用
信息化数据平台在天然气能量计量中的应用
刘冰、陈帅、王京安
（中海石油气电集团有限责任公司）
摘要：本文利用信息化手段助力“油气管网设施公平开放监管办法”的实施推进，基于“互联网+”技术，按照数十个国家和行业标准要求，开发了信息化数据平台，定位于计量转型初期、稳定运行期的能量计量专项管理。赋值功能模块解决了无法获取天然气组成的站场对组成分析的获取问题；计量器具和测量设备管理模块，配合计量数据实时监控、核查功能使用，确保计量结果合规合法、准确可靠。数据综合利用模块为计量转型初期开发了体积、能量比对功能，在结算周期内比对计量、计价数据。平台采用通用信息技术，可无缝移植到各类天然气管网信息化管理系统中。
关键词：能量计量；计量器具和测量设备管理；赋值；实时监控及核查；数据管理
目前，我国多气源供气格局已经确定，全国油气干线管道“一张网”逐渐形成，现有体积计量无法评价天然气的真实价值。在国家发改委、能源局、住建部、市场监督管理总局等多家部门联合发布的 “油气管网设施公平开放监管办法”的实施推动下，无论天然气的进口方、生产方还是使用者，都已意识到在追求经济收益的共性需求之下，采用天然气的真实发热量及其经济价值作为计量基础，是“一张网”贸易交接的基础。同时，在智能化、网络化高速发展的当下，借助本次计量方式转型机会，加大基础计量技术与信息技术的融合，势必为计量交接、标定校准、监管服务模式提供转型升级的机会。因此，本文介绍了一种天然气能量计量信息化数据平台，由传统的计量数据采集向计量数据统计、分析、挖掘功能应用拓展，为建成信息完整、监管可溯、资源节约的天然气贸易交接体系奠定基础，也适应经济社会和天然气工业发展的现实需要。
近十几年来，在技术配套、标准修订、量值溯源等方面已具备技术应用和标准体系基础。并已明确了适应中国天然气供应链格局的9个可能的交接界面（如图1所示）。其中前六个界面中，特大型贸易交接界面、A级计量站均配备了符合GB/T 18603要求的超声流量计，部分关键站点配备了在线色谱分析仪，其他B、C级站点可通过赋值或改造增设色谱分析仪的方式实现能量计量。后三个界面可采用赋值或增设色谱分析仪方式实现能量计量。
图1 从天然气生产到最终用户的可能界面
中国海油半数以上的输气管线已实现了能量计量。大鹏LNG接收站全线采用实时能量计量结算。广东管道向沿线电厂供气采用能量计量，工业用户采用离线能量计量（采用临近站场色谱分析提供的单位平均发热量）；香港中华电力供气实行能量计量。虽然以上站点在国内天然气能量计量中积累了大量实操经验，但全国“一张网”之后全面实施能量计量仍面临一些问题：
（1）B、C级站点赋值类型及离线取样设置的合理性有待评估。若被赋值站点的组成和发热量数据是从附近站点获取，应跟踪赋值站点在线色谱分析仪的组成数据，确认发热量年平均变化率（小于1%可采用固定赋值）符合标准要求。判断赋值站点位置及管道条件能否满足可变赋值要求，对有条件的B、C级站点可通过设置离线取样方式进行比对。通过完整的组成数据分析、管道参数探勘、离线取样数据的采集分析向被赋值用户、监管部门提供科学合理的判断依据。
（2）国内外标准的过度和完整性解读需要一段时间。中国海油天然气能量计量多采用SO6974规定方法测定天然气组成，ISO6976计算天然气单位发热量，ISO10723进行不确定度性能评价。虽然国内标准体系已基本健全，但从分散的国标中屡清能量计量的整套实施细则需要消化理解的时间。
（3）GB/T 35186《天然气计量系统性能评价》的执行力度有待加强。由于组成偏差对能量计量的影响远大于体积计量，应按GB/T 35186的方法对计量器具设备尤其是在线、离线色谱分析仪进行统一评价，保证能量计量结果公平公正、合法合规、准确可靠。但目前，各计量站（用户）对评价方法、评价服务机构的了解较少，应组织收集色谱仪检测历史数据，确定工作标准气范围，利用标准气现场测试，通过蒙特-卡洛法偏差分析方法给出气相色谱仪在测量范围内检测结果偏差的评价结果，判断仪器是否工作正常。
（4）在全面实施天然气能量计量计价之后，多气源管网的复杂输配特性，部分区域无法增设色谱分析仪的现实性，导致准确计算出整个天然气管网能量值存在挑战，以能量为基础的运行输送损耗核算需要一段时间摸索建立。
在输配新格局及能量计量转型的新形势下，围绕信息化与能量计量的融合，提出三方面新需求，支撑“互联网+能量计量”发展。首先，需做好能量计量数据采集和应用。建立完善能量计量基础数据库，加强能量计量器具管理、数据采集、查询、分析及深度应用功能。在数据的深度利用中，为计量方式的早期过度提供比对，为特殊用户对气质数据的需求提供途径，为管网气质跟踪、设备使用、上下游用户生产和消费总量提供基础数据。其次，需加强能量计量器具配备和使用，进行信息化监管。天然气贸易计量站应按照计量标准规范建立计量器具台帐，依法完成检定或校准。根据性能评价结果及时了解设备使用情况。再次，需通过信息化手段建立可追溯、不可篡改的能量计量监督管理模式。建立天然气管网气体质量和性能评价跟踪系统，对关系到民生的公告发热量产生、设备的运维情况、第三方授权机构的监督情况、数据采集应用的标准性进行全面的监管。
该平台以《天然气计量系统技术要求》（GB/T 18603）、《天然气计量系统性能评价》（GB/T 35186）和《天然气能量的测定》（GB/T 22723）及其引用的数十个国家和行业标准，以及规程规范为基础，利用“互联网+”技术进行开发和试用。
天然气能量计量信息化数据平台具体如下功能：
（1）天然气组成数据和发热量赋值：该功能是解决没有开展组成数据分析的站场获取组成数据或发热量的问题。根据气源和管输条件选择固定和可变赋值方法。在一段独立管道内不考虑两站之间的气体流动时间和气质变化带来的偏差时采用固定赋值，其他情况采用时间延时和多气源混输的质量守恒可变赋值方式。
（2）数据管理与核查：该功能无线或有线传输采集的生产数据进行统计、计算与发布。涉及到工作条件下与标准参比条件下体积换算、发热量和能量流量计算、能量积算，以及与能量计量相关的流量、温度、压力或差压及组成数据的实时监控及故障数据的核查修复。建立年、月、日、时统计报表模型，实现各类均值、误差等参数的同比、环比统计分析和历史查询，继而编辑图表属性得到个性化定制图表。最后，根据用户使用权限通过Web发布，从而使授权用户可以使用网页浏览器浏览发布数据、设备管理信息及各类决策模块信息。
（3）计量器具和测量设备管理：该功能主要是对计量器具和测量设备的完整性管理，针对计量器具特有的定期检定或校准工作进行数据跟踪，比如，对色谱分析仪使用中的标气品牌、范围、不确定度评定进行记录，为色谱仪数据溯源和监管提供信息化基础。
（4）数据综合利用功能：该功能包括体积、能量计量计价比对功能，关键用户用气量统计和预测等功能。目的是充分发挥平台基础数据价值，为各方关心的贸易交接和市场预测提供分析。数据基础来源于实时数据，输出可在大屏幕上或通过互联网或电子媒介输出。
如图2，平台由数据采集转换仪、4G/5G工业路由器/有线通讯设备、中心服务器、气质数据赋值终端组成。中心服务器部署在公有云或私有数据中心（IDC），数据转换仪、4G/5G工业路由器/有线通讯设备安装在天然气输配站，气质数据赋值终端安装在天然气用户的计量站。平台使用数据采集转换仪采集天然气输配站色谱仪、流量计算机或站控SCADA系统的天然气组成、流量、温度和压力等相关数据，气质数据采集转换仪负责对组成数据进行加工处理后使用有线/无线通讯方式提供给中心服务器使用，中心服务器负责将能量计量相关数据（包含组成、发热量）发送给气质数据赋值终端，气质数据赋值终端负责与计量点的流量计算机交互完成该计量点的能量计量。
在中国海油广东管道选择了典型站场进行了数据接入，开展了平台的试用，初步实现了以下基本功能。首先，针对建立了完善的管线拓扑图（如图3所示），从拓扑图活动站点可以通过点击方式查看站点详情及能量计量相关实时数据。
图3 管线拓扑图
其次，基础数据库采集实时生产数据（如图4所示），展示该站点的数据源类型（如采集站、赋值站、未授权三种）、天然气组成、发热量、温度、压力、流量等实时信息以及该站点的设备状态信息，通过数据管理模块建立气质物性计算模型，计算单位发热量、沃泊指数等物性参数。
图4 组成采集站实时监控图
通过综合数据计算与展示，提供气质数据统计、发热量统计、站点流量/能量统计等信息，如图5所示。
图5 大屏幕输出图
本文提供了一种基于天然气能量计量的信息化数据系统开发方案及初步试用结果。该系统利用“互联网+”云平台技术，采用有线、无线多种通讯方式，将线上线下对接，实现计量与设备管理数据一体化、数字化、智能化和全生命周期的管理，初步实现了接入站点实时生产数据的采集、监控、计算、查询及核查。对各站点计量设备进行统一编号管理，进行全生命周期管理，实时追踪设备的运维情况，方便交接误差、设备异常、贸易纠纷后的设备合理化核查。过固定和可变赋值模型，为满足条件的界面用户提供气质数据，为不具备组成分析能力的站点提供可靠的组成数据，节省用户站点分析设备的额外投入。同时提供友好接入界面，方便各类站点和用户使用网页浏览器浏览发布数据、设备管理信息等内容。
参 考 文 献
[1] 常宏岗. 天然气气质管理与能量计量[M]. 北京：石油工业出版社，2008.
[2] 叶朋，顾志烈，施世信. 天然气管网能量计量与管理系统的实现[J]. 计量技术, 2014, 000(011):12-14.
[3] 天然气能量的测定：GB/T 22723-2008. 北京：中国标准出版社，2008.
[4] 天然气计量系统技术要求：GB/T 18603-2014. 北京：中国标准出版社，2014.
[5] 天然气计量系统性能评价：GB/T 35186-2017. 北京：中国标准出版社，2017.
作者简介：
刘冰（1983-），女，资深工程师，清华大学，从事仪表及通信工程研究。010-84526518、100028、北京市朝阳区太阳宫南街6号院C座。
