蒸汽、煤气能量计量与碳达峰

目   录

1、蒸汽质量计量与能量计量

1.1 质量计量对用能设备能耗评估的缺陷

1.2 质量计量评估蒸汽管网损耗的缺陷

1.3 用折算法换算能量的缺陷

1.4 关于蒸汽碳排放量转换

2、人工煤气体积计量与能量计量

2.1 问题分析

2.2 方案讨论

2.3 应用举例

3、小结     

前   言

      长期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 

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。

     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。

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 

       长期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。    

      由于人工煤气包括焦炉、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（表2）

(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如下图。

目前图中上游焦炉、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   远程赋值天然气组分进行天然气能量计量

       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。

炼厂干气（燃料气）质量+能量计量

目  录

问题的提出

      石油化工行业中的炼厂干气（或称燃料气，以下简称干气）计量一直是流量计量的难点。普遍采用的方法是：采用标准节流装置或涡街等流量计，通过采用固定密度修正得到质量流量。

      由于干气组分复杂、变化没有规律，现场无法实时测量组分或密度，其密度值难以确定。且不能通过常规的气态方程进行换算。造成干气计量误差大，供需量难以平衡，给能源管理带来困难。干气采用质量计量是解决问题重要手段。

     另外，随着技术手段的提高，干气能量计量已相继付诸实践。

1、干气质量计量解决方案

     (中石化专项科研项目一)

采用双参量质量流量计克服干气组分、密度不稳定问题，仪表直接输出质量流量。

1.1 工作原理

      当流体流经涡街流量传感器时，在漩涡发生体的上下游产生与质量流量相关的差压信号，同时产生与流速相关的脉冲信号。利用差压信号与流体密度相关，流速信号与流体密度无关的特点。用流量计算机同时采集差压信号和脉冲信号，根据质量守恒原理，可以得出流体的质量流量（及实时密度）与各参量的数学关系。

1.2 产品特点

1.3 技术参数

1.4 现场运行情况

      自2011年首台双参量质量流量计在荆门石化成功投运后，先后有数十台这类仪表在中石化洛阳分公司、中石化燕山分公司、中石化金陵分公司石化、中石化镇海分公司等单位投入运行，并进行了一系列对比实验。

现场对比实验（与科氏力流量计比对）：

      在金陵石化DN100管道上安装一台双参量质量流量计和原有的科氏质量流量计进行比对。仪表在现场长期运行，工作稳定；各变送器信号均通过Hart传输到专用流量计算机进行计算。该仪表与科氏质量流量计流量值吻合，变化趋势一致，如图3、图4所示，分别为5天、5小时的瞬时流量数据对比。红颜色曲线为推导式气体质量流量计的瞬时流量，蓝颜色曲线为科氏质量流量计的瞬时流量。

 1.4 现场运行情况-现场对比实验（对比实验曲线图）

1.4  现场运行情况-小结

现场运行趋势图表明：

      双参量气体质量流量计经专用流量计算机计算，趋势图中显示密度为3.18kg/m3左右，流量在3t/h左右。科氏质量流量计显示密度为3.07kg/m3，流量在2.9 t/h左右，两台表的质量流量显示值与运行趋势保持一致。

1.5  专项科研成果

      数十台双参量质量流量计长期现场运行情况表明：该仪表性能稳定，数据可靠，可以满足炼厂干气的质量流量计量。为炼化企业提供了实用、经济的解决方案。

      为此，中石化总公司在金陵分公司开展专项科研《用推导式质量流量计计量变组分气体应用技术研究》，主要针对中、大口径（ DN80、DN100、DN150、DN250）双参量质量流量计进行现场运行验证。该课题取得了令人满意的成果。

2 干气能量计量方案

         (中石化专项科研项目二)

2.1 干气能量计量专项课题的提出

      传统上流体的计量大多是采用参比条件下的体积流量或质量流量，但对天然气，炼厂干气而言，由于组份不同，燃烧后产生的热量有所不同。只有采用能量计量才能科学的描述其量值。我国将对天然气已经采用能量计量，其技术上已日趋成熟。

      在实际工作中存在：

      a.干气质量计量不能“按质论价”，也就是无法评估干气实际能耗。

      b.另一方面，即使“质量平衡了，能量不能保证平衡”。

     对干气采用能量计量，是企业节约能源、精细化管理需要。为此，2016年中石化总公司在镇海炼化设立了《化工装置变组分燃料气能量计量技术研究》科研项目。

2.2 课题概述

      干气（燃料气）能量计量平台（以下简称平台）开发

      依据相关标准建立能量计算数学模型，平台与PI系统（数据库）和Lims系统（质量分析）之间的数据交换  。

      2.2.1 调用组分数据，实现能量计算

流程：平台从PI系统中获取质量流量计的干气质量流量数据，从Lims系统中获取对应装置的燃料气组分数据，系统中干气气质数据专业软件，根据该组分数据计算质量发热量（或体积发热量），并根据流量完成能量计算。

      2.2.2 模拟组分功能

      燃料气化验往往频次较低，组分数据更新不及时。利用燃料气能量计量平台建立数据库，模拟燃料气组分数据。

      流程：平台从Lims 系统获取所需装置的燃料气组分数据，同时根据组分数据的时间点，计算对应的流量计标况密度并存入数据库中；从PI系统中获取质量流量计实时标况密度，根据该密度计算每天的平均标况密度。

      当选择模拟组分功能时，平台根据前段时间的平均标况密度，在数据库中自动查询该密度值所对应的组分数据，如果该密度值对应多个组分数据，则优先选取最近时间点的组分数据（或选取密度偏差最小的一组组分数据）计算干气发热量及能量。

      实验表明，实际测试的发热量与平台显示的质量发热量基本一致，证明选择模拟组分可以实现能量计算功能。随着大量实时数据的引入（大数据），模拟组分将更加接近真值。

      2.2.3 多装置组分加权功能

      某些燃料气计量点没有定期化验组分数据，该计量点的介质组分来源于多个装置。可通过在平台上设置与该计量点相关联的多个已知组分的装置，并设置相应的加权比例，得到该计量点的组分数据，进行燃料气能量计算。

2.3 专项课题验收结论

      本课题的研究与实践表明：充分利用企业网络资源，通过搭建燃料气能量计量平台可以实现干气能量计量。此方案比采用标准煤计算能耗方法更准确、便捷。

      该项目已于2019年10月11日，在杭州通过了中石化总部组织的验收。

验收意见：

      研究开发的能量计量平台，建立了变组分燃料气组分分析与双参量质量流量计标准数据库，可模拟燃料气能量，为化工装置变组分燃料气能量计量提供了一种理想的解决方案。

结束语：

      节能降耗是当前炼化企业的紧迫任务之一，而干气在整个能耗中占很大比重，其准确计量尤为重要。针对被测介质的特点和工况条件，开发的系列解决方案，为炼厂干气的质量与能量计量提供了可靠、经济、实用的途径。