采用能量計量評估水蒸汽能耗方案
采用能量計量評估蒸汽能耗方案
???????---對《蒸汽熱量計算方法》國家標準的討論
???北京博思達新世紀測控技術有限公司 ?張志力??王京安??100191
? ? ? ?摘要：由于沒有蒸汽物性值（密度、比焓等）計算方法的統一標準，給蒸汽的質量（能量）計量和貿易結算造成諸多困難。蒸汽一直沿用質量計量，這對于評估蒸汽能耗尚存在不足。本文在介紹《蒸汽熱量計算方法》國家標準的基礎上，分析了蒸汽能量計量的幾個問題，希望引起流量界同仁的關注，共同探討蒸汽計量的科學方法。
? ? ? 關鍵詞：??國家標準 ???蒸汽能量計量 ????蒸汽密度 ???蒸汽比焓
? ? ? 1.標準立項背景
? ? ? GB17167-2006 《用能單位能源計量器具配備和管理通則》已于2007年1月1日頒布實施，該文件對用能單位能源計量器具的配備率、能源計量器具的準確度等級、能源計量器具的管理都有了明確規定，大多數一次儀表都有相應的標準和檢定規程可依，只需按標準及檢定規程生產、檢定，就能保證一定的準確度。然而，流體物性值對流量測量的影響是毋容質疑的，在有關流量測量的標準（例如GB/T2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流量》）中都對這些影響有明確的描述，流體的密度、粘度、等熵指數都直接或間接地影響流量的量值。
蒸汽在工業企業以及社會能源消費中占有很大比重，由于我國沒有蒸汽物性值（密度、粘度、等熵指數等）計算方法的標準，致使在蒸汽計量中物性值取值方法不統一，給水蒸汽的質量計量和貿易結算造成諸多困難。
? ? ? 蒸汽作為載能工質，用戶使用的是水蒸汽所攜帶的熱量，而溫度、壓力不同，蒸汽比焓不同，所以用質量流量來評估蒸汽用量或損耗顯然存在缺陷。目前我國蒸汽貿易結算已部分采用熱量計量，但由于沒有國家標準，比焓、熱量的計算和補償方法不統一，必然影響蒸汽能量準確計量。制定《蒸汽熱量計算方法》的國家標準是解決這一問題的重要環節。為此，國家標準化委員會批準制定《蒸汽熱量計算方法》國家標準立項（計劃編號：20121520 - T - 424）。
? ? ??2.標準涉及的主要內容
? ? ? 2.1本標準主要參考IAPWS –IF97國際水和蒸汽性質公式（International?Steam Tables?Properties of Water and Steam?Based on the Industrial?Formulation?IAPWS-IF97）。
? ? ? 2.2本標準給出了蒸汽物性值：比焓、密度、比熵、聲速、動力粘度、等熵指數的計算方法(定義與作用見表1)；蒸汽熱量的計算方法以及比焓不確定度的估算方法。
表1 ?比焓、密度、比熵、聲速、動力粘度、等熵指數的定義與作用
名稱 |
定義 |
作用 |
密度 |
單位體積的水蒸汽質量。 |
流量計流量計算的必要參數。 |
比焓 |
單位質量的水蒸汽所含有的能量。 |
由蒸汽質量計算蒸汽熱量的必要參數。 |
比熵 |
單位質量的水蒸汽所具有的熵。 |
可用于計算等熵指數。 |
動力粘度 |
流體的應力與應變速率之比。 |
雷諾數計算公式中的一個參數。 |
聲速 |
聲波在水蒸汽中的傳播速度。 |
超聲波流量計計算流體速度的一個基準參數。 |
等熵指數 |
在基本可絕熱（等熵）轉換條件下，壓力的相對變化與密度的相對變化之比。 |
標準節流式流量計可膨脹性系數的計算公式中的一個參數 |
? ? ? ??2.3本標準適用范圍為：
當273.16 K ≤T≤623.15 K時，0MPa < p≤ps?(T)（溫度T對應的飽和蒸氣壓力）MPa；
當623.15 K ＜T≤1073.15 K時，0MPa <?p≤16.5292 MPa。
? ? ??3.標準應用的幾個問題
? ? ??3.1統一物性值計算，提高水蒸汽質量計量準確度
在實際蒸汽的流量計量過程中，人們重點關注的是溫度、壓力和差壓信號的準確性；由于缺乏對蒸汽密度計算復雜程度和計算依據的了解，往往忽略了密度值對蒸汽計量準確度的影響。節流式流量計蒸汽質量流量計算公式為：
? ? ? ? ? ??
?
式中 ?qm——體積流量，m3/s；
? ? ? ? ?ε——可膨脹性系數；
? ? ? ? d——節流件開孔直徑，m；
? ? ? ? D——管道內徑，m；
? ? ? ?β——直徑比，(β=d/D)?；
? ? ? ?ρ1——蒸汽密度，kg/m3；
? ? ? Δp——差壓，Pa；
? ? ? C——流出系數。
? ? ? ?從式1可以看出：差壓值Δp和密度值在計算中是處于同等位。此外，可膨脹性系數ε、流出系數C也會產生影響（此文不詳述），節流件開孔直徑d、管道內徑D的準確性可通過控制加工和安裝精度予以保證。
正是因為蒸汽密度等物性值計算復雜，目前很多流量二次儀表的蒸汽密度的計算采用（1）采用簡易的數學模型（出版物給出的或自己擬合的公式）。一般出版物給出的水蒸汽密度計算公式都是根據水蒸汽性質表擬合得到，不僅存在擬合誤差，一般只適用某一區域（過熱區或飽和區）且量值范圍比較小。這類公式在一些特定的條件和場所是可用的，但作為計量用計算模型其準確度和適用范圍必須經過科學的認證。（2）查表法。蒸汽表數據量很大且不連續（兩個數據間的數值準確度難以保證），在實際操作中有很大困難。（3）PVT氣體方程修正法，在DCS上蒸汽密度計算普遍采用此法。用IAPWS-IFC 1997公式和PVT方程分別計算蒸汽密度值，對比數據見表2。
表2 ?用IAPWS-IFC 1997公式和PVT方程計算蒸汽密度值對比
（以250℃、3.9MPa的過熱蒸汽密度為參考點）
? ? ? ?從表2中的數據可以看出，不同的計算方法所得到的密度值差別很大，遠遠超出了人們的想象。水蒸汽密度的計算方法不能統一，不僅給能源管理造成了一定的混亂，甚至引發貿易糾紛。?另外，現場還有大量的蒸汽計量用表尚未配溫度、壓力補償，其準確度難以評估。
? ? ? ?3.2正確評估用能設備的能耗
? ? ? ?1）蒸汽能量計算原理
蒸汽的比焓是表征單位質量的水蒸汽所具有能量的系統狀態參數，已知蒸汽的質量流量及其比焓，蒸汽熱量Q按式（2）計算。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??
式中：
——蒸汽質量流量，?單位為千克每秒（kg/s），測量；
——為蒸汽溫度、壓力發生變化前后（某一裝置或設備入口與出口處）的水蒸汽的比焓之差；
——分別為蒸汽溫度、壓力發生變化前后（某一裝置或設備入口與出口處）蒸汽的比焓，單位為千焦每千克（kJ/kg）。
? ? ? ?2）質量計量對用能設備能耗評估的缺陷
? ? ? ?某生產裝置過熱蒸汽采用階梯式運行方式，即蒸汽經過兩級（或多級）裝置做功，蒸汽（仍是過熱狀態）的溫度、壓力逐級降低，焓值也逐級下降，但各極裝置的質量流量不變（見圖1）。
? ? ? ?從上圖可以看出；入口的蒸汽（350℃、3.7Mpa）比焓值為3.1227MJ/kg，末級出口的蒸汽（140℃、0.35Mpa）比焓為2.7346MJ/kg，兩者相差12%，以質量流量進行結算，難以對單套生產裝置進行能耗考核或能效評估。
? ? ? ?3）采用能量計量評估用能設備蒸汽能耗
? ? ? ?方案A：此方案可以計量單個生產裝置的蒸汽能耗情況。該生產裝置在運行過程中沒蒸汽的質量損失（或可忽略），在生產裝置的蒸汽入口安裝一套蒸汽能量計量儀表（由蒸汽流量計、溫度、壓力補償儀表，以及流量計算機構成），在生產裝置的蒸汽出口安裝一套溫度、壓力測量儀表（見圖2）
? ? ? ?流量計算機根據生產裝置入口處流量F1、溫度T1、壓力P1和出口處的溫度T2、壓力P2，可按式2計算該裝置蒸汽能耗，并可通過網絡將數據傳送到企業的能源計量數據中心。
? ? ? ?方案B：如果生產過程中蒸汽有質量損失，可采用此方案（見圖3）。
? ? ? ?此方案與方案A不同的是在生產裝置蒸汽出口再安裝一臺蒸汽計量儀表。流量計算機根據生產裝置入口處流量F1、溫度T1、壓力P1和出口處的溫度F2、T2、壓力P2，可按式3計算該裝置蒸汽能耗。流量計算機將整個裝置的蒸汽能耗通過網絡傳送到企業的能源計量數據中心。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
式中：
——分別為在溫度、壓力變化過程前后（換熱裝置入口與出口處）的操作條件下測得的蒸汽質量流量，單位為千克每秒（kg/s），
? ? ? ?3.3采用能量計量評估蒸汽管網損耗
? ? ? ?1）基本分析
? ? ? ?眾所周知，蒸汽管輸過程中存在不容忽視的損耗。習慣上，蒸汽的損耗是通過蒸汽流量（質量）輸差（管網進口流量與出口流量之差）來進行評估。人們巳經注意到，除蒸汽的工況（溫度、壓力、流量）條件對用能設備效率產生影響外，蒸汽的損耗與蒸汽輸送流速、管道保溫、氣候條件等因素有很大關系。然而，只有通過能量計量才能科學的評估各種關聯因素與損耗之間的關系，這是解決問題的重要舉措。
蒸汽的損耗來自于能量（熱量）損失和質量損失。以過熱蒸汽為例，蒸汽在管道輸送過程中，在狀態未發生變化（保持過熱）的情況下，盡管溫度、壓力沿蒸汽走向逐漸降低，雖其質量流量不變，但能量損失了。這部份損耗就是能量（熱量）損失，是無法通過質量流量進行定量評估的。
在管網末端蒸汽的損耗往往同時來自能量（熱量）損失和質量損失。此時情況比較復雜，除了熱量損失（其中應包括蒸汽發生相變所消耗的汽化潛熱），還有質量損失，其中包括管道泄漏和濕飽和蒸汽析出的冷凝水（一般蒸汽計量儀表無法檢測這部分冷凝水的質量）。
? ? ? ?2）解決方案
? ? ? ?方案C：長輸管道（有質量損失）能量損耗計量（見圖4）。
? ? ? ?此方案是在蒸汽生產廠（如熱電廠）的蒸汽出口和蒸汽接收方（如煉油廠）的入口各安裝一套蒸汽能量計量儀表（由蒸汽流量計、溫度、壓力補償儀表，以及流量計算機構成），流量計算機可顯示瞬時、累積質量流量和瞬時、累積能量。并通過網絡將數據傳送到企業的能源計量數據中心。??
? ? ? ?方案D：長輸管道（無質量損失）能量損耗計量（見圖5）。
? ? ? ?此方案中在蒸汽生產廠（如熱電廠）的蒸汽出口安裝一套蒸汽能量計量儀表（由蒸汽流量計、溫度、壓力補償儀表，以及流量計算機構成），在蒸汽接收方（如煉油廠）的入口僅安裝一套溫度、壓力測量儀表以及一臺數據轉換單元。此方案可在過熱蒸汽管道或不考慮管道輸送中蒸汽的質量損失（即忽略跑、冒、滴、漏以及管道疏水）的情況下采用。
值得指出的是，上述方案已分別在兩個石化企業蒸汽計量中應用，并達到預期效果。
? ? ? ?3）建立關聯數據庫，為科學管理能源提供依據。
? ? ? ?將蒸汽管損能量計量數據與蒸汽工況（流量、溫度、壓力）信息、氣候信息、管道保溫工程信息等關聯因素共建數據庫，引入大數據概念，總結規律。在為能源考核工作奠定基礎的同時，也為調整蒸汽輸配方案、維護或改造蒸汽管網以及相關節能工程提供科學、可靠的依據。
結束語
? ? ? 《蒸汽熱量計算方法》國家標準的出臺，統一了我國蒸汽物性值的計算，為蒸汽質量的準確計量奠定了基礎，也為能量計量創造了條件。讓新標準在節能降耗中發揮作用，是我們共同的期盼。
參考文獻
? ? ??IAPWS –IF97國際水和蒸汽性質公式（International?Steam Tables?Properties of Water and Steam?Based on the Industrial?Formulation?IAPWS-IF97）
? ? GB/T 21188-2007 用臨界流文丘里噴嘴測量氣體流量
? ? GB/T 32224-2015 熱量表
? ? GB/T17167-2006 用能單位能源計量器具配備和管理通則
? ? GB/T17611-1998?封閉管道中流體流量的測量術語和符號
? ? GBT3102.4-1993?熱學的量和單位
工礦企業天然氣能量計量方案的討論
工礦企業天然氣能量計量方案的討論
北京博思達新世紀測控有限公司 李佳?
20210519
????????摘要：隨著天然氣能量計量體系的建立與完善，我國天然氣計量將逐步由體積計量向能量計量轉型，為維護貿易雙方的經濟利益，確保轉型后上下游計量數據統一、結果合規有據，本文探討了下游工礦企業計量儀表獲取天然氣實時氣質數據（組分、發熱量等）的方法，以及實現低成本能量計量技術方案。
???? ? 關鍵詞：??天然氣、能量計量、賦值方法、數據管理
? ? ? ?0.問題的提出
? ? ? 國家管網公司的成立，推進了全國油氣干線管道“一張網”形成，我國天然氣管網將呈多種氣源(天然氣、液化天然氣、煤層氣、煤制氣、頁巖氣等）供氣的局面。由于不同氣源氣質數據（組分、密度、發熱量）差異較大，沿用至今的體積計量已不能科學地衡量天然氣經濟價值，必然對天然氣生產、供銷、使用等各方經濟利益產生影響。隨著四部委聯合發布的?“油氣管網設施公平開放監管辦法”的實施，相關部門已經啟動了天然氣采用能量計量（包括計量系統改造）的相關工作。
? ? ? 天然氣采用能量計量，將對石化、熱電等行業以及工業園區的天然氣計量與管理產生影響。下游用戶面臨天然氣動態組成數據轉型及獲取問題，如何保證貿易計量核查可靠，上下游計量數據統一，亟待提出一套符合相關標準，滿足現場條件且低成本的天然氣計量系統改造方案。
? ? ? 1.天然氣計量現狀
目前下游天然氣工業用戶均采用體積計量，基本分為貿易計量核查和內部計量兩部分，現狀為：?
a)?下游用戶一般沒有對天然氣組成進行分析，也未從上游（供氣方）站點獲取天然氣實時組成數據，僅是定期從上游獲取天然氣固定組成數據用于體積計量的密度修正。
b）下游流量計量一次儀表種類繁多。包括：標準節流式流量計、渦輪流量計、渦街流量計、科氏質量流量計等。
c) 各種功能的流量數據處理設備并存，即：
1) 網絡型流量計算機：能實時進行數據采集、流量計量、換算和積算，計算壓縮因子等物性參數，顯示數據，具備與上位機進行數據交接網絡通訊功能；
2) 流量計算機：能實時進行數據采集、流量計量、換算和積算，顯示數據；
3) 流量積算儀：能實時進行數據采集、流量計量和積算，顯示數據；
4) 流量數據采集轉換裝置：能實時進行數據采集、傳輸。
上述設備一般不具備接收動態組分數據和能量計算的功能。
? 2.解決方案
? 2.1 組分數據獲取
? 天然氣采用能量計量，可根據計量系統性能要求及評價結果，從上游（供氣方）站點獲取天然氣實時組成數據，可采用如下賦值方法：
?a)對于GB/T 18603-2014中A級計量系統，采用可變賦值方法從上游獲取天然氣組成數據。見圖（1）。
?上述方案直接采用上游色譜儀在線組分數據，賦值最大允許誤差∠0.5%。其優點是實時性好，并且省卻了色譜儀的采購和維護成本，但是要求下游流量計算機具有能量計算和接收實時組分數據的功能。
b）對于GB/T 18603-2014中B級（或C級）計量系統，從上游獲取天然氣組成數據，采用發熱量智能固定賦值（賦值最大允許誤差∠1.25%）。根據發熱量的波動情況和計量最大允許誤差要求，自動調整固定賦值周期。
c）對于GB/T 18603-2014中C級計量系統，從上游獲取天然氣組成數據，采用發熱量固定賦值（賦值最大允許誤差∠2.0%）。賦值周期為1周或根據實際情況確定。
? ? 2.2 能量計量系統構成
采用氣質數據采集轉換儀（由工控機和配套軟件組成，以下簡稱“轉換儀”），從上游線色譜儀或流量計算機上自動讀取天然氣組分數據。轉換儀根據具體條件和需求，按照GB/T 22723《天然氣能量的測定》等相關標準，計算體積基高位發熱量、質量基高位發熱量、沃泊指數、密度等氣質數據，在完成數據處理的同時，將處理后的氣質數據上傳到數據處理天然氣計量平臺（以下簡稱“平臺”）。
平臺把實時氣質數據（按小時、天、周、月、年不同統計方式）上傳到上位系統（企業能源網），現場流量計算機自動下載數據，不能接收動態數據的流量計算機，可通過氣質數據賦值終端（以下簡稱“賦值終端”）下載數據，從而實現發熱量賦值。系統構成見圖（2）
? ? 2.3流量計算機能量計量方案
根據各種功能流量數據處理設備，使用不同的數據處理方法，即：
? ? a）網絡型流量計算機能量計量方案為：
? ? 1) 進行網絡通訊和能量計算的組態；
? ? 2) 通過平臺或網絡接收天然氣組成數據；
? ? 3) 計算天然氣工作條件和標準參比條件下的壓縮因子（測量工作條件下的體積流量的流量計），以及標準參比條件下體積基或質量基（質量流量計）高位發熱量；
? ? 4) 進行流量計算、體積換算（測量工作條件下的體積流量的流量計）、能量計算、積算；
? ? 5) 上傳計量數據。
? ? b）流量計算機能量計量方案為：
? ? 1) 增加網絡數據交換賦值終端；
? ? 2) 在平臺或上位系統計算天然氣工作條件和標準參比條件下的壓縮因子（測量工作條件下的體積流量的流量計），以及標準參比條件下體積基或質量基（質量流量計）高位發熱量，并通過賦值終端下傳至流量計算機；
? ? 3) 在流量計算機上進行流量計算、體積換算（測量工作條件下的體積流量的流量計）、能量計算、積算；
? ? 4) 通過賦值終端上傳計量數據。
? ? c）流量積算儀能量計量方案為：
? ? 1) 增加網絡數據交換賦值終端；
? ? 2) 通過賦值終端上傳溫度、壓力和流量數據至平臺或上位系統；
? ? 3) 在平臺或上位系統上計算天然氣工作條件和標準參比條件下的壓縮因子（測量工作條件下的體積流量的流量計），以及標準參比條件下體積基或質量基（質量流量計）高位發熱量，并通過賦值終端下傳至流量積儀；
? ? 4) 在平臺或上位系統進行體積換算（測量工作條件下的體積流量的流量計）、能量計算、積算。
? ? d）流量數據采集儀能量計量方案為：
? ? 1) 增加網絡數據交換賦值終端；
? ? 2) 通過賦值終端上傳溫度和壓力數據至平臺或上位機；
? ? 3) 在平臺或上位系統上計算天然氣工作條件和標準參比條件下的壓縮因子（測量工作條件下的體積流量的流量計），以及標準參比條件下體積基或質量基（質量流量計）高位發熱量，并通過賦值終端下傳至流量數據采集儀；
? ? 4) 在平臺或上位系統進行流量計算、體積換算（測量工作條件下的體積流量的流量計）、能量計算、積算。
? ? 2.4.氣質數據賦值終端的應用
對不具備接收實時組分的流量計算機，可通過賦值終端進行賦值，具體有三種方式。
? ?（1）賦值到原有流量二次儀表
??? ??此方式適用于原有流量二次儀表有能量計量功能，但不具備接收實時組分數據功能的儀表。
? ? （2）使用原二次儀表的體積或質量流量數據進行能量計算
? ? ?此方式適合原有流量二次儀表，體積或質量流量計量符合標準要求，但不具備能量計量功能的儀表。
? ? （3）賦值終端直接進行天然氣能量計量
??? ? ??賦值終端自身具備高精度的流量和能量計算功能，可以直接采集原始信號（溫度、壓力、流量），完成體積或質量流量及能量計算。此方式適用于原有流量二次儀表的流量補償計算不符合標準要求，不具備高精度流量、能量計量功能的儀表。
? ? 3.應用舉例
某企業為提高天然氣流量計量準確度并實現能量計量，上位系統采用有線通訊讀取色譜的組成數據并完成數據處理，通過GPRS無線通訊設備發送給下游流量計算機（具備接收實時組分數據功能），實現組分實時賦值。各站點流量計算機采用實時氣質數據完成壓縮因子、密度、發熱量計算，從而提高天然氣物性參數的準確度，在體積流量計量的基礎上實現能量計量。方案見圖3。
? ?圖3
4.小結
以上方案遵從國家相關標準，以天然氣體積計量為基礎，根據實際條件充分挖掘現有設備、設施潛力，借助企業網絡優勢，為貿易計量核準和下游計量系統改造，以及儀表的校準或核查提供一套低成本的天然氣體積向能量計量轉型技術方案。
參考文獻：
GB/T 18603《天然氣計量系統技術要求》
GB/T 35186《天然氣計量系統性能評價》
GB/T 11062 天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法
工業蒸汽計量技術與應用
工業蒸汽計量技術與應用
???????---對《工業蒸汽計量技術要求》團體標準的討論
????華電國際電力股份有限公司天津分公司 ?王晶 ?王建光 ?張弘毅 肖明
（天津市河西區合肥道富力中心27樓，300203）
北京博思達新世紀測控技術有限公司 張志力朱昕姝?100191
（北京市海淀區龍翔路30號院2號樓801室，100191）
? ? ? ?摘要：長期以來，由于我國沒有關于工業蒸汽計量的統一標準，使蒸汽計量在流量與物性值計算、儀表選型、量值溯源及運維管理等方面無據可依，給蒸汽的質量、能量計量和貿易結算造成諸多困難。本文根據工業蒸汽計量存在的實際問題，介紹《工業蒸汽計量技術要求》團體標準給出的解決方案。
? ? ??關鍵詞：??蒸汽標準 ???儀表選型 ??蒸汽物性值 ??寬量程 ??能量計量 ????
1.標準立項背景
工業蒸汽是工業企業生產和供熱的主要能源，由于其經濟價值高，計量是供需雙方關注的焦點。“電熱并舉”是熱電行業長期經營戰略，蒸汽貿易計量直接關系供熱企業經濟利益。由于蒸汽介質和工況條件的特殊性（高溫、高壓、高流速、補償參數計算復雜等），其流量測量一直是計量領域的難點。蒸汽計量儀表選型、使用、檢定或校準不規范，輸配不合理，造成蒸汽輸差大等問題在工業領域普遍存在。為此，中國華電集團在對下屬供熱企業蒸汽計量情況進行了全面調研（包括對7個企業的實地考察）的基礎上，開展了專項課題研究，結合實際情況組織業內專家開展技術攻關，編寫T/CMA NY050-2020《工業蒸汽計量技術要求》團體標準，在標準編制、修改過程中，編寫組采用現場走訪與問卷調查相結合的方式，對華電集團下屬20家供熱企業蒸汽計量情況進行了調研。該標準2021年1月1日發布后，受到了熱電、石化、石油、冶金等行業的計量主管部門重視，中國華電集團、中石化下屬企業組織相關技術人員結合蒸汽計量的實際需求開展標準宣貫及討論，下面將就宣貫中大家普遍關注的問題進行闡述。
2.標準涉及的幾個主要問題
2.1標準應用范圍及技術依據問題
該標準適用于工業蒸汽的流量計量，規定了工業蒸汽流量計量技術要求及流量測量及其不確定度評定方法。特別強調了蒸汽計量系統包括一次儀表（含測量管）、補償儀表（溫度、壓力）及流量積算單元，并給出對計量系統性能要求。該標準引用或參考GB/T 2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》1、2、3、4部分，GB/T 34060-2017 《蒸汽熱量計算方法》，JJG 640-2016 《差壓式流量計》等標準和規程，確保與現行有效的國家標準、行業標準和國家檢定規程保持一致。
2.2.儀表選型與量值溯源問題
2.2.1.流量計選型與溯源問題
本標準推薦儀表的原則是依據現行有效國家或國際標準，確保所推薦儀表有據可依。由標準給出了所推薦的流量計適用范圍、安裝使用要求和檢定與校準要求。
（1）依據GB/T 2624.1-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量
滿管流體流量 第1、2、3、4等部分，推薦了標準孔板、ISA1932噴嘴、長徑噴嘴等。該類型儀表全球通用，歷史悠久，制造技術成熟，是當前蒸汽計量的主力儀表。其最大特點是通過幾何檢定就可以實現節流裝置的量值溯源，無須實流標定。
? ?（2）依據GB∕T 25922-2010《封閉管道中流體流量的測量 用安裝在充滿流體的圓形截面管道中的渦街流量計測量流量的方法》推薦了渦街流量計。標準指出渦街流量計和管道的振動應在制造商推薦的等級范圍內，儀表的技術指標（蒸汽的干度、壓力、溫度）等應滿足蒸汽計量實際需求以及儀表檢定（或校準）按JJG1029規定進行。
? ?（3）依據SO 5167-5：2016 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第5部分：錐形流量計》。標準給出了流出系數C?和可膨脹性系數ε的取值方法。儀表檢定（或校準）采用系數檢測法按JJG640-2016中7.2規定進行；采用示值誤差檢測法按JJG640-2016中7.3規定進行。
(4)對其它類型流量計的規定
其它類型流量計是指用于蒸汽計量的插入式流量計（如皮托管流量計、均速管流量計、插入式渦街流量計等）、非標準節流式流量計（如多孔孔板等）。由于這些流量計目前沒有公任的相關標準支持，生產廠商應提供流量計的流量計算模型、使用范圍及使用要求等。
特別指出，這類儀表的檢定（或校準）應依據JJG640-2016規定的示值誤差檢測法,在接近儀表實際使用的工況（介質溫度、壓力和流速范圍）條件下，在蒸汽標準裝置上通過實流標定獲得儀表系數和不確定度。對于插入式流量計宜采用流量計與測量管段整體標定的方法，以避免在使用時由插入式流量計測量桿安裝定位、插入深度、實際管徑等因素帶來的誤差。
2.2.2 配套流量計算機選型與溯源問題
流量計算機計算模型分為兩類，一類是與流量變送器（傳感器）相關流量計算模型，另一類是物性值計算模型。
（1）流量計算機流量計算模型一般由公認的標準給出，本標準推薦的流量計的計算模型均取自于現行國家或國際標準。沒有公認標準支持的流量計流量計算模型，須在公認的標定裝置上通過實驗驗證得到。
（2）目前蒸汽流量計量的物性值有的是采用簡易數學模型或理想氣體方程進行計算，由于算法不統一，會對蒸汽計量準確度產生影響。
本標準推薦的流量計算機蒸汽密度、比焓、動力粘度、等熵指數的物性值計算模型來源于GB/T 34060-2017 《蒸汽熱量計算方法》國家標準，該標準等效于國際水和水蒸汽性質聯合會IAPWS-IF97公式（該文件指出，在商業合同中應采用IAPWS-IF97公式）。
（3）寬量程問題
標準節流式流量計在傳統應用中，超測量范圍現象較為普遍，這是影響這類流量計應用以及產生測量誤差因素之一，擴展測量范圍是解決問題的關鍵所在?，F代智能化、寬量程的差壓變送器和運算功能強大的流量計算機的問世，使標準節流式流量計實現自動寬量程成為可能。蒸汽計量普遍使用的節流式流量計流量計算基本公式見（1）式：
? ? ? ? ??
? ? ? 在一定條件下（幾何檢測合格且使用條件在標準規定的范圍內），對于給定的標準節流件，C值僅與雷諾數有關，按式（2）計算。
式中： ?ReD?——管徑雷諾數。
根據這一原理，流量計算機通過實時迭代計算，得到不同雷諾數條件下的流出系數C和可膨脹性系數ε進行流量計算，克服傳統上使用固定C和ε值帶來的誤差，從而實現量程擴展。傳統上流出系數C、可膨脹性系數ε均采用固定值，僅在量程比3：1的測量范圍內可實現準確計量。本標準在通則中對差壓式流量計寬量程功能提出了要求。
（4）流量計算機功能要求。
本標準根據當前和未來的應用需求，提出流量計算功能包括：支持瞬時質量及累積質量流量計算；支持瞬時能量及累積能量流量計算。為保證上述功能滿足工業現場及貿易計量的實際要求，對流量計算機主要性能（包括：環境條件、數據采集與處理周期、準確度、數據存儲、通訊接口、系統安全、平均無故障時間及自診斷功能）提出了明確要求。
2.3?關于蒸汽能量計量問題
蒸汽作為載能工質，用戶使用的是蒸汽所攜帶的熱量，而溫度、壓力不同，蒸汽比焓不同，所以用質量流量來評估蒸汽用量或損耗存在缺陷。蒸汽輸送過程中存在損耗，習慣上，蒸汽的損耗是通過蒸汽流量（質量）輸差進行評估。過熱蒸汽在輸送過程中狀態未發生變化（保持過熱）的情況下，盡管溫度、壓力逐漸降低，雖其質量流量不變，但能量損失了。這部份能量損失，是無法通過質量流量進行定量評估的。
標準編寫前的調研情況表明，供熱公司外供蒸汽輸差大的情況較為普遍，除管道保溫因素外，有的供熱管道存在設計供汽量大，實際供汽量?。翱趶酱?、流速低）的問題，在管網末端蒸汽的損耗不僅有能量損失還有質量損失（其中包括管道泄漏和濕飽和蒸汽析出的冷凝水）。這是輸差大的主要原因，造成很大浪費，影響供熱企業經濟效益。本標準提出蒸汽采用能量計量，旨在提升計量手段，對蒸汽管網熱損耗做出可以量化的評估。在實際操作中將蒸汽能量損耗數據與蒸汽工況（流量、溫度、壓力）、氣候、管道保溫工程等關聯因素共建數據庫，引入大數據概念，總結規律，為調整蒸汽輸配方案,維護或改造蒸汽管網以及相關節能工程提供科學、可靠的依據，也為蒸汽采用能量計量奠定基礎。
2.4?流量在線校準問題
由于蒸汽的特殊性，在用蒸汽流量計（多為標準節流式流量計）存在不易拆卸或不能斷流的情況，大多不具備送實驗室檢定的條件。而在以往流量儀表的檢定中，又只對一次儀表檢定，很少對二次儀表或整個系統進行檢定或校準。致使現場運行儀表變送器超測量范圍使用，二次儀表計算模型不符合標準，或兩者存在設置與運行工況不符等諸多問題不及時發現和解決。隨著流量計在線校準在中石化、中石油、熱電企業逐步展開，用在線校準替代強制檢定已成必然趨勢。為此，本標準結合蒸汽計量儀表（包括配套變送器和流量積算單元）適用工況及現場條件，以規范性附錄形式對標準節流式流量計和流量計算機的在線校準給出操作方法及要求。為熱電、石化等行業在線蒸汽計量儀表的量值溯源提供了參考依據。
結束語
《工業蒸汽計量技術要求》團體標準，是我國首個有關蒸汽計量的綜合性技術標準，明確了蒸汽計量的相關要求，規范儀表選型、量值溯源及運維管理，具有較強的實用性。通過實際應用，不斷充實、完善、提高。新標準能在節能降耗中發揮作用，是我們共同的期盼。
注【1】GB/T 2624.1-2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》 第3部分公式1。
注【2】GB/T 2624.1-2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》 第3部分公式3。
參考文獻
1.IAPWS –IF97國際水和蒸汽性質公式（International?Steam Tables?Properties of Water and Steam?Based on the Industrial?Formulation?IAPWS-IF97）
2.GB/T 2624.1-2006 《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》 第1、2、3、4等部分
3.GB/T 34060-2017 《蒸汽熱量計算方法》
4.JJG 640-2016 《差壓式流量計》
5.JJG 1003-2016 《流量積算儀》
用于蒸汽計量的標準節流裝置在線校準問題的探討
用于蒸汽計量的標準節流裝置在線校準問題的探討
朱昕姝，北京博思達新世紀測控技術有限公司，149655759@qq.com
李 長 武 ， 蘇 州 市 計 量 測 試 院 ， ?????licw@szjl.com.cn?
韓鵬彥，中國石油撫順石化公司腈綸化工廠，13941363547@163.com
? ? ? ?摘要：流量儀表在線校準已是國際上普遍采用的方法，其技術和管理均已成熟，并被貿易雙方所接受。隨著我國市場經濟的發展和社會誠信體系逐步完善， 相關政策、法規正在按照市場規則進行調整，工業領域流量儀表在線校準替代（或部分替代）強制檢定勢在必行。本文以 GB/T 34060-2017《蒸汽熱量計算方法》等標準和規程為依據，針對標準節流裝置和蒸汽的特點，探討用于蒸汽計量的標準節流裝置的在線校準系統構成、校準方法以及計量整改方案等若干問題。
? ? ? 關鍵詞：蒸汽計量，在線校準，標準節流裝置，流量積算儀
一、問題的提出?
蒸汽作為載能工質，在石油、化工、冶金等工業領域能源消耗占比很高，我國中、高壓蒸汽流量計量多采用標準節流裝置。因此，對用于蒸汽計量的標準節流裝置進行在線校準，既是重點，也是難點?，F場主要問題有：
1、蒸汽物性值（密度、焓值）補償計算方法混亂，蒸汽尚未采用能量計量； ?
2、采用標準節流裝置測量蒸汽，超流量測量范圍問題普遍； ?
3、蒸汽輸配環節輸差大，熱損失嚴重；
4、對蒸汽等介質計量儀表沒有在線校準手段，對輸差大等問題束手無策。二、原因分析?
1、水蒸汽的性質與理想氣體大不相同，其物理性質獨特且運算復雜，故不能用簡單的數學模型進行計算。由于以前我國沒有蒸汽物性值計算統一的國家標準，在工程上采用的計算模型混亂（用理想氣態方程或固定值進行密度補償的情況普遍），這不僅給能源計量管理帶來諸多困難，甚至造成貿易糾紛。
另外，蒸汽用戶消耗的是蒸汽所攜帶的熱量，而不同溫度、壓力蒸汽的比焓不同，攜帶的熱量不同。所以用質量流量來評估蒸汽用量或損耗存在缺陷，致使無法對蒸汽損耗和碳排放量進行科學、準確的評估；
2、傳統標準節流裝置測量范圍一般為3：1，而工業現場蒸汽流量變化遠遠超過3：1的范圍，這是引起節流裝置計量誤差的主要原因之一。
3、由于蒸汽的特殊性，蒸汽的工況條件不僅對用能設備效率產生影響，在 其輸送的過程中，隨著溫度、壓力的降低，就產生了熱量損耗（包括熱量損失和 質量損失） 。蒸汽的損耗與蒸汽輸送流速、管道保溫、氣候條件等因素有很大關系。習慣上，這部分損耗是通過蒸汽流量（質量）輸差進行評估存在兩個問題： ?
（1）對過熱蒸汽而言，蒸汽在管道輸送過程中，在狀態未發生變化（保持過熱狀態）的情況下，質量流量不變，但熱量損失（包括：合理損耗與不合理損耗兩部分）是無法通過質量流量進行定量評估的。 ?
（2）由于蒸汽輸送過程中產生的輸差全部分攤到下游，蒸汽輸配過程中的不合理損耗往往被忽視。
業內專家指出：在各行業的蒸汽輸送中，蒸汽普遍存在輸差大、輸配熱量損耗大的問題。換言之，蒸汽輸配環節具有很大的節能空間。
4、用于蒸汽計量的標準節流裝置僅在安裝前做一次元件初檢。由于蒸汽連續生產等因素的限制，無法對在用的儀表進行實流或幾何檢定。但是，影響流量量值除節流件本身外，還有補償計算、測量范圍、參數設置等諸多因素，現場實際情況表明：這些因素的影響往往超過了節流件不確定度影響，這需要通過在線校準來正確評估整個計量系統的準確性。?
???標準節流裝置與流量積算儀在線校準（或檢定）?
現場調研情況表明：用于蒸汽計量的標準節流裝置在線校準主要環節包括：
1.?在條件允許時，采用幾何測量設備對節流件的孔徑、光潔度、平整度等進行實際測量，以評定測量結果。
2.?確認節流件是否在檢定周期內，檢查節流裝置的安裝及直管段，引壓管、取壓閥、平衡閥等是否符合 GB/T2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》、JJG640-2016《差壓式流量計》的要求。根據行業特 ?點，制定具體校準方案（必要時，可參考國內外的相關標準，開展定期檢測，以檢查節流件長周期運行后幾何尺寸及形位工差的變化情況）。
3.?在完成上述環節的基礎上，可開展三類校準：
Ⅰ類校準：流量積算儀模型在線校準（校準流量計算模型、物性值計算、檢查儀表設置等）、差壓量程的校準。
? ? Ⅱ類校準：流量積算儀檢定或校準
? ? 由高精度電流信號源提供電流信號，采用聯校的方法對二次儀表或 DCS?的信號通道及顯示值進行檢定（或校準），以確定積算系統是否符合計量要求。主要核查物性值計算、寬量程補償運算以及儀表設置是否正確。
Ⅲ類校準：流量系統校準
? ? 可采用便攜壓力源、干井對壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器進行現場校驗，核查各變送器工作和參數設置是否在合理范圍，采用聯校的方法對整套系統進行校準。
? ? ? 校準工作的開展，應根據現場實際情況及用戶的要求，在充分調研的基礎上確定校準方案。通過現場校準判斷問題 (一次裝置、流量與物性值計算模型、測量范圍以及參數設置等) 所在，從而對計量系統給出整改進建議。
? ? 四、整改建議
? ? 方案 1
GB/T34060-2017《蒸汽熱量計算方法》國家標準實施，統一了蒸汽物性值（密度、比焓、熱量、等熵指數、粘度等）計算方法（據悉，目前我國蒸汽貿易結算已開始采用熱量計量）。這為蒸汽質量和能量計量提供了可靠依據。
? ? 對用于蒸汽貿易計量或用于碳排放量考核的蒸汽計量二次儀表（流量計算單元、DCS 等）的蒸汽物性值計算（密度、焓值等）模型統一采用國家標準，在保證質量計量準確的同時，增加實時計算蒸汽能量功能，依據 GB/T3215-2015 工業企業溫室氣體排放核算和報告通則（及各行業具體要求）國家標準，增加蒸汽碳排放量自動轉換功能。
? ??方案 2?
在流量二次儀表（流量計算單元或 DCS）開發可實時計算流出系數 C 和可膨脹性系數ε?功能，使節流裝置流量范圍真正達到 6：1 或 20：1。在蒸汽流量計量系統植入標準節流裝置寬量程自動補償功能。
? ?方案3：
? ? 例1：長輸管道（有質量損失）能量損耗計量（見圖3）。
圖3 ?
? ? 例1：是在蒸汽生產廠（如熱電廠）的蒸汽出口和蒸汽接收方（如煉油廠）的入口各安裝一套蒸汽能量計量儀表（由蒸汽流量計、溫度、壓力補償儀表，以及流量計算機構成），流量計算機可顯示瞬時、累積質量流量和瞬時、累積能量。并通過網絡將數據傳送到企業的能源計量數據中心。
? ? 例2：長輸管道（無質量損失）能量損耗計量（見圖4）
圖4??
例2中在蒸汽生產廠（如熱電廠）的蒸汽出口安裝一套蒸汽能量計量儀表（由蒸汽流量計、溫度、壓力補償儀表，以及流量計算機構成），在蒸汽接收方（如煉油廠）的入口僅安裝一套溫度、壓力測量儀表以及一臺數據轉換單元。此方案可在過熱蒸汽管道或不考慮管道輸送中蒸汽的質量損失（即忽略跑、冒、滴、漏以及管道疏水）的情況下采用。上述方案說明，只有通過熱量計量，才能科學的評估各種關聯因素與損耗之間的關系，這是解決問題的重要舉措。
方案4
選用享有發明專利（專利號：20140132364.5）權的《能量與碳數據采集轉換儀》可一攬子實現上述“方案1、2、3”的各項功能。該儀表是一款全新概念的流量、能量及碳排放數據計量設備。無鍵盤、微型顯示及小型化的設計， 使其能夠密集安裝在儀表柜內，完成對現場流量相關信號的采集，根據相關國家標準對現場節流裝置進行寬量程補償，完成蒸汽流量、能量、碳數據計算，計算結果由以太網、串行接口等數字方式或由4~20mA標準電流信號，將數據上傳至
DCS系統或上位機系統。工作流程見下圖。
? ? ? 結束語
? ? ? 蒸汽采用能量計量和流量儀表在線校準在我國方興未艾。本文簡述了在這一領域初步研究與實踐，我們愿與流量界同仁攜手，共同探討適合各行業特點的流量在線校準系統和實施方法。
? ? ? 參考文獻： ??
? ? ? GB/T2624-2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》；??
? ? ? GB/T34060-2017《蒸汽熱量計算方法》； ??
? ? ? JJG640-2016《差壓式流量計》 ； JJG1003-2016《流量積算儀》；
? ? ? GB/T32150-2015《工業企業溫室氣體排放核算和報告通則》。
蒸汽、煤氣能量計量與碳達峰
能量計量與“碳達峰”
北京博思達新世紀測控技術有限公司 ??朱昕姝
0.前言
? ? ? 節能降耗是高耗能企業“控排”，實現“碳達峰”的首要舉措，而評估能耗、評價節能效果必須具備精準的計量手段。傳統上能源介質（流體）的計量都是采用參比條件下的體積流量或質量流量，對一般流體（空氣、氮氣、常溫水等）而言，這無疑是正確的，但對作為能源（或二次能源）介質的計量則是不科學也不合理。 ???????
? ? ? 在目前能源結構條件下，冶金等高耗能行業實現“減碳”面臨著巨大挑戰，而“碳數據”是推進節能減排的基礎，是進行碳交易（碳核查）和征收碳關稅的關鍵。蒸汽、人工煤氣、天然氣、煉廠干氣等能源介質在冶金、石化等行業的能源消耗占有很大比重，傳統的計量方法（體積或質量計量）在評估能耗，計算碳排量方面存在缺陷。推進對上述介質實施能量計量，對指導高效利用能源、降低損耗，促進“碳達峰”具有重要的現實意義。
1.蒸汽質量計量與能量計量
? ? ? 蒸汽是工業企業廣泛使用的能源介質，由于蒸汽介質的特殊性（高溫、高壓、高流速、補償參數計算復雜等），是計量的難點和企業能源管理的重點。傳統的蒸汽計量一直采用質量計量作為貿易結算和內部考核的依據。但蒸汽氣作為載能介質，相同質量，不同溫度、壓力條件下其焓值不同，其所攜帶的能量也不同，在傳輸或做功過程中發生很大改變。?
1.1質量計量對用能設備能耗評估的缺陷
? ? ??某生產裝置過熱蒸汽采用階梯式運行方式，即蒸汽經過兩級（或多級）裝置做功，蒸汽（仍是過熱狀態）的溫度、壓力逐級降低，焓值也逐級下降，但各裝置的質量流量不變見圖1。
圖1某生產裝置過熱蒸汽階梯式運行示意圖
? ? ? 從上圖可以看出；入口的蒸汽（350℃、3.7MPa）比焓值為3.1003MJ/kg，末級出口的蒸汽（140℃、0.35MPa）比焓為2.7346MJ/kg，兩者相差12%，以質量流量進行結算，難以對單套生產裝置進行能耗考核或能效評估（以上數據來自某石化企業）。
? ? ? 1.2質量計量評估蒸汽管網損耗的缺陷
? ? ? 蒸汽在輸送過程中存在不容忽視的損耗，通常蒸汽的損耗是通過蒸汽流量（質量）輸差（管網進口流量與出口流量之差）來進行計算（評估）。人們巳經注意到，除蒸汽的工況（溫度、壓力、流量）條件對用能設備效率產生影響外，蒸汽的損耗與蒸汽輸送流速、管道保溫、氣候條件等因素有很大關系。然而，只有通過能量計量才能科學的評估各種關聯因素與損耗之間的關系。
? ? ? 蒸汽在管網中的損耗來自于能量（熱量）損失和質量損失（在輸送過程中蒸汽發生相變析出的冷凝水，一般蒸汽計量儀表無法檢測這部分冷凝水的質量）。以過熱蒸汽為例，在輸送過程中蒸汽狀態未發生變化（保持過熱）的情況下，盡管溫度、壓力沿蒸汽走向逐漸降低，雖其質量流量不變，但能量損失了。這部份損耗就是能量（熱量）損失，是無法通過質量流量進行定量評估，這一點往往被忽視。
? ? ? 調研情況表明，蒸汽在輸送過程中輸差大的情況較為普遍，除管道保溫因素外，有的供熱管道存在設計供汽量大，實際供汽量?。翱趶酱?、流速低），這是輸差大的主要原因，造成很大浪費，影響供熱企業經濟效益。蒸汽采用能量計量，旨在提升計量手段，對蒸汽管網熱損耗做出可以量化的評估。在實際操作中，將蒸汽能量損耗數據與蒸汽工況（流量、溫度、壓力）、氣候、管道保溫工程等關聯因素共建數據庫，引入大數據概念，總結規律，為調整蒸汽輸配方案,維護或改造蒸汽管網以及相關節能工程提供科學、可靠的依據，通過提升計量手段挖掘蒸汽輸配環節的節能潛力。
1.3?用折算法換算能量的缺陷
? ? ? 目前業內依據GB/T 50441-2016《最新能耗折算標準》，在能源消耗統計中采用折算成標油方法，以壓力等級就近原則進行換算（這種方法是在質量計量體系下，或缺少能量計量手段所形成的），其誤差較大，不能準確度量蒸汽的實際損耗，不利于精細化管理。能源介質折算值見表1。
? ? ? 蒸汽在管輸過程中，由于工況變化，在折標壓力范圍內，溫度可能有較大的波動。以3.50MPa級過熱蒸汽為例，絕對壓力從4.5MPa降至3.1MPa，溫度從410℃降至360℃，按照折標計算，都屬于3.5MPa級蒸汽折算標準，其1噸此等級的過熱蒸汽，折標能量值為 3684.384GJ。但根據實際參數進行能量計算，1噸的蒸汽質量，在兩種不同壓力和溫度下，其比焓值不同，4.5MPa，410℃過熱蒸汽的比焓值為 3229.56kJ/kg，3.1MPa，360℃的比焓值為 3137.4kJ/kg ，其攜帶的對應1噸過熱蒸汽的能量值分別為3229.56GJ，3137.4GJ。分別與3.5MPa級蒸汽折算能量值相差12.34 %和 14.85%。由此可以得出，同壓力等級下的蒸汽在最高和最低壓力時的實際蒸汽能耗相差很大（以上數據來自某石化企業）。
? ? ? 計量工作者在長期的工作實踐中已經注意到上述的問題，并在蒸汽能量計量方面做了積極探索。例如：中石化安慶分公司在蒸汽計量方式上進行了有益的實踐，通過采用能量計量評估蒸汽在裝置和管網能耗，取得了令人滿意的成果（安慶石化《應用蒸汽能量計量技術精準計量裝置能耗》列入2020年全國能源資源計量服務示范入圍項目）。
1.4關于蒸汽碳排放量轉換
? ? ? 根據《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南發電設施》，供熱量（購入蒸汽或輸出蒸汽）主要兩種監測方式。
? ? ? 方式1：采用直接計量熱量數據（優先獲?。?。
? ? ? 方式2：采用結算憑證數據（在不能獲取直接計量熱量數據時，才能使用結算憑證數據，但各個年度獲取數據的方式和數據源應一致）。
? ? ? 在質量計量體系下，直接計量熱量數據來自于蒸汽計量儀表顯示（或輸出）的質量流量（噸），需通過采用供熱工況條件下的比焓近似值（省缺值），將蒸汽質量流量換算為熱量數據（吉焦）。該熱量數據通過碳排放因子換算得到所用蒸汽的碳排放量。
? ? ? 采用能量計量，蒸汽計量儀表直接顯示（或輸出）熱量數據（吉焦），其熱量數據準確度遠高于采用比焓近似值（省缺值）進行換算的結果。蒸汽計量表可以在顯示（或輸出）質量（噸）和熱量的同時，顯示（或輸出）所用蒸汽的碳排放量（噸）。綜上所述，采用能量計量使得蒸汽碳排放量的計算更為準確、便捷。
2.?人工煤氣體積計量與能量計量
? ? ? 天然氣作為清潔能源，已被大力推廣替代其它化石燃料。目前天然氣采用計量方式有三種，即體積計量、質量計量和能量計量，能量計量已被國際貿易普遍采納。隨著國家管網公司的成立，我國天然氣輸送管網實現全網互聯互通，形成了多氣源（常規天然氣、非常規天然氣、液化天然氣和煤制氣）供氣局面。由于各氣源氣體組成不同，發熱量不同（據有關機構統計單位發熱量相差可達到20%以上），不同發熱量的天然氣以體積量或質量進行貿易結算，不能體現其真實價值，而采用能量計量符合優質優價、科學合理的貿易原則。為此，我國自2021年5月24日進入天然氣能量計價體系。另外，天然氣能量數據可以便捷地通過碳排放因子直接換算為碳排放量數據。
? ? ? 人工煤氣包括焦爐、高爐、轉爐等，是冶金行業主要的二次能源，傳統上采用參比條件下的體積流量進行計量。由于冶金生產工藝的特殊性，通常采用焦爐煤氣（或天然氣）與高爐煤氣、轉爐煤氣進行混合供給燃氣設備，其混合比、用氣量常有波動。由于各種煤氣的組分、密度和發熱量差別很大（見表2），不僅影響用能設備的燃燒效率，混合煤氣體積流量也難以準確計量。
????????????焦爐、高爐、轉爐煤氣物性參數表
(組份、密度、發熱量）
2.1問題分析
? ? ? 混合煤氣組分波動造成以下幾個問題：
? ? ? （1）混合煤氣的密度通常采用估算值（按固定混合比），由于各種參與混合的煤氣體積流量隨時波動，直接影響混合煤氣體積量流量準確度；
? ? ? （2）采用體積計量混合煤氣不利于生產工藝調控或直接影響用能設備燃燒效率。
? ? ? （3）由于各種煤氣發熱量差別很大（特別是天然氣參與摻燒后），其混合比又隨時變化，造成混合煤氣發熱量波動且無法前置獲?。榻o工藝調控提供依據，也有采用熱值儀測定混合后煤氣發熱量），所以體積量無法準確計量混合煤氣實際能量流量（實際價值）。這與在多氣源混輸條件下，天然氣不適用體積計量的情況類似。
2.2方案討論
? ? ? 上述分析表明，混合煤氣采用體積計量存在缺陷，借鑒天然氣能量計量氣質數據賦值方法，在冶金行業逐步推廣人工煤氣及混合煤氣采用能量計量是解決上述問題的途徑之一。隨著計量及檢測水平的提高，我國能源介質采用能量計量在技術上已日臻成熟， GB/T-11062《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》等國家標準為人工煤氣（包括發生爐煤氣、煉廠干氣等）及混合煤氣的密度、發熱量等參數及能量的計算提供了依據和方法。
? ? ? 目前大多冶金企業定期對焦爐、高爐、轉爐煤氣的物性參數（組分、密度、發熱量）定期進行測定，為體積流量密度計算和發熱量評估提供依據。測定數據表明：焦爐、高爐煤氣在一段時間內（同一批次燃煤），其組分和發熱量相對變化較小。因此，可以設定焦爐、高爐煤氣氣體組成是固定值（根據定期測定數據調整）。在此前提下，混合煤氣能量計量系統構成如圖2.
圖2?混合煤氣能量計量系統
? ? ? 圖中上游焦爐、高爐煤氣通過匯管向下游（各分支）輸送混合后的煤氣，需要對各節點進行體積和能量流量計量。其流程如下：
? ? ? （1）在上游兩個流量積算單元設置焦爐、高爐煤氣組成數據（通過定期測定獲得），同時流量積算單元采集現場差壓、溫度和壓力信號，分別計算出焦爐煤氣流量Qj、高爐煤氣流量Qg。
? ? ? （2） 氣質數據采集轉換儀接收上游兩個流量積算單元的流量數據（Qj、Qg）和焦爐、高爐煤氣組成數據，按流量加權計算出混合煤氣的動態氣體密度、發熱量及匯管處混合煤氣的體積流量、能量流量；同時通過網絡（RS485等）或無線通訊將動態氣質數據發送給下游各流量積算單元。
? ? ? （3）下游各流量積算單元根據動態氣氣質數據完成各節點混合煤氣的體積流量、能量流量計算。
流量計算機技術和企業網絡建設的成熟，為上述功能的實現奠定了基礎。這一方案在充分利用現有計量檢測設備的基礎上，通過對二次儀表及軟件系統升級改造，實現為下游流量儀表遠程動態賦值，體積流量和能量計量。煤氣介質采用能量計量彌補了采用體積計量的不足，為混合煤氣的精準計量提供了科學、合理的方法。同時可以參考天然氣碳排放量的轉換方法，采用能量數據（吉焦）進行碳數據轉換。為碳核查等提供了科、準確的方法。
2.3應用舉例
? ? ? 某企業為提高天然氣流量計量準確度并實現天然氣能量計量，上位系統采用有線通訊讀取色譜的組成數據并完成數據處理，通過無線通訊設備發送給下游流量計算機（具備接收動態氣體組成數據功能），實現實時賦值。各站點流量計算機采用實時數據完成壓縮因子、密度、發熱量計算，從而提高天然氣壓縮因子、發熱量等物性參數的準確度，實現了體積流量和能量流量計量，系統構成見圖3。
圖3
? ? ? 上述方案以天然氣體積計量為基礎，充分挖掘現有設備、設施潛力，借助企業網絡優勢，依據國家相關標準，為貿易計量核準和下游計量系統改造，提供一套低成本的天然氣體積向能量計量轉型的技術方案，此方案或對混合煤氣能量計量具有參考價值。
3.小結
? ? ? 綜上所述，能源介質采用能量計量彌補了體積或質量計量的不足，提出了更科學、更合理的方法。還應指出：CMA YJ050-2021《混合煤氣流量計量技術要求》，TCMA NY050-2020《工業蒸汽計量技術要求》兩個中國計量協會的團體標準已于2021年正式發布并實施。這兩個標準對高耗能行業主要流體能源介質計量具有指導意義，特別是對蒸汽、煤氣采用能量計量提出了具體的方法和要求，給出了將能源介質從體積量（或質量量）向碳數據轉換的技術路徑。
信息化數據平臺在天然氣能量計量中的應用
信息化數據平臺在天然氣能量計量中的應用
劉冰、陳帥、王京安
（中海石油氣電集團有限責任公司）
摘要：本文利用信息化手段助力“油氣管網設施公平開放監管辦法”的實施推進，基于“互聯網+”技術，按照數十個國家和行業標準要求，開發了信息化數據平臺，定位于計量轉型初期、穩定運行期的能量計量專項管理。賦值功能模塊解決了無法獲取天然氣組成的站場對組成分析的獲取問題；計量器具和測量設備管理模塊，配合計量數據實時監控、核查功能使用，確保計量結果合規合法、準確可靠。數據綜合利用模塊為計量轉型初期開發了體積、能量比對功能，在結算周期內比對計量、計價數據。平臺采用通用信息技術，可無縫移植到各類天然氣管網信息化管理系統中。
關鍵詞：能量計量；計量器具和測量設備管理；賦值；實時監控及核查；數據管理
? ? ? 目前，我國多氣源供氣格局已經確定，全國油氣干線管道“一張網”逐漸形成，現有體積計量無法評價天然氣的真實價值。在國家發改委、能源局、住建部、市場監督管理總局等多家部門聯合發布的 “油氣管網設施公平開放監管辦法”的實施推動下，無論天然氣的進口方、生產方還是使用者，都已意識到在追求經濟收益的共性需求之下，采用天然氣的真實發熱量及其經濟價值作為計量基礎，是“一張網”貿易交接的基礎。同時，在智能化、網絡化高速發展的當下，借助本次計量方式轉型機會，加大基礎計量技術與信息技術的融合，勢必為計量交接、標定校準、監管服務模式提供轉型升級的機會。因此，本文介紹了一種天然氣能量計量信息化數據平臺，由傳統的計量數據采集向計量數據統計、分析、挖掘功能應用拓展，為建成信息完整、監管可溯、資源節約的天然氣貿易交接體系奠定基礎，也適應經濟社會和天然氣工業發展的現實需要。
? ? ? 近十幾年來，在技術配套、標準修訂、量值溯源等方面已具備技術應用和標準體系基礎。并已明確了適應中國天然氣供應鏈格局的9個可能的交接界面（如圖1所示）。其中前六個界面中，特大型貿易交接界面、A級計量站均配備了符合GB/T 18603要求的超聲流量計，部分關鍵站點配備了在線色譜分析儀，其他B、C級站點可通過賦值或改造增設色譜分析儀的方式實現能量計量。后三個界面可采用賦值或增設色譜分析儀方式實現能量計量。
圖1?從天然氣生產到最終用戶的可能界面
? ? ? 中國海油半數以上的輸氣管線已實現了能量計量。大鵬LNG接收站全線采用實時能量計量結算。廣東管道向沿線電廠供氣采用能量計量，工業用戶采用離線能量計量（采用臨近站場色譜分析提供的單位平均發熱量）；香港中華電力供氣實行能量計量。雖然以上站點在國內天然氣能量計量中積累了大量實操經驗，但全國“一張網”之后全面實施能量計量仍面臨一些問題：
? ? ? （1）B、C級站點賦值類型及離線取樣設置的合理性有待評估。若被賦值站點的組成和發熱量數據是從附近站點獲取，應跟蹤賦值站點在線色譜分析儀的組成數據，確認發熱量年平均變化率（小于1%可采用固定賦值）符合標準要求。判斷賦值站點位置及管道條件能否滿足可變賦值要求，對有條件的B、C級站點可通過設置離線取樣方式進行比對。通過完整的組成數據分析、管道參數探勘、離線取樣數據的采集分析向被賦值用戶、監管部門提供科學合理的判斷依據。
? ? ? （2）國內外標準的過度和完整性解讀需要一段時間。中國海油天然氣能量計量多采用SO6974規定方法測定天然氣組成，ISO6976計算天然氣單位發熱量，ISO10723進行不確定度性能評價。雖然國內標準體系已基本健全，但從分散的國標中屢清能量計量的整套實施細則需要消化理解的時間。
? ? ? （3）GB/T 35186《天然氣計量系統性能評價》的執行力度有待加強。由于組成偏差對能量計量的影響遠大于體積計量，應按GB/T 35186的方法對計量器具設備尤其是在線、離線色譜分析儀進行統一評價，保證能量計量結果公平公正、合法合規、準確可靠。但目前，各計量站（用戶）對評價方法、評價服務機構的了解較少，應組織收集色譜儀檢測歷史數據，確定工作標準氣范圍，利用標準氣現場測試，通過蒙特-卡洛法偏差分析方法給出氣相色譜儀在測量范圍內檢測結果偏差的評價結果，判斷儀器是否工作正常。
? ? ? （4）在全面實施天然氣能量計量計價之后，多氣源管網的復雜輸配特性，部分區域無法增設色譜分析儀的現實性，導致準確計算出整個天然氣管網能量值存在挑戰，以能量為基礎的運行輸送損耗核算需要一段時間摸索建立。
? ? ? 在輸配新格局及能量計量轉型的新形勢下，圍繞信息化與能量計量的融合，提出三方面新需求，支撐“互聯網+能量計量”發展。首先，需做好能量計量數據采集和應用。建立完善能量計量基礎數據庫，加強能量計量器具管理、數據采集、查詢、分析及深度應用功能。在數據的深度利用中，為計量方式的早期過度提供比對，為特殊用戶對氣質數據的需求提供途徑，為管網氣質跟蹤、設備使用、上下游用戶生產和消費總量提供基礎數據。其次，需加強能量計量器具配備和使用，進行信息化監管。天然氣貿易計量站應按照計量標準規范建立計量器具臺帳，依法完成檢定或校準。根據性能評價結果及時了解設備使用情況。再次，需通過信息化手段建立可追溯、不可篡改的能量計量監督管理模式。建立天然氣管網氣體質量和性能評價跟蹤系統，對關系到民生的公告發熱量產生、設備的運維情況、第三方授權機構的監督情況、數據采集應用的標準性進行全面的監管。
? ? ? 該平臺以《天然氣計量系統技術要求》（GB/T 18603）、《天然氣計量系統性能評價》（GB/T 35186）和《天然氣能量的測定》（GB/T 22723）及其引用的數十個國家和行業標準，以及規程規范為基礎，利用“互聯網+”技術進行開發和試用。
? ? ? 天然氣能量計量信息化數據平臺具體如下功能：
? ? ? （1）天然氣組成數據和發熱量賦值：該功能是解決沒有開展組成數據分析的站場獲取組成數據或發熱量的問題。根據氣源和管輸條件選擇固定和可變賦值方法。在一段獨立管道內不考慮兩站之間的氣體流動時間和氣質變化帶來的偏差時采用固定賦值，其他情況采用時間延時和多氣源混輸的質量守恒可變賦值方式。
? ? ? （2）數據管理與核查：該功能無線或有線傳輸采集的生產數據進行統計、計算與發布。涉及到工作條件下與標準參比條件下體積換算、發熱量和能量流量計算、能量積算，以及與能量計量相關的流量、溫度、壓力或差壓及組成數據的實時監控及故障數據的核查修復。建立年、月、日、時統計報表模型，實現各類均值、誤差等參數的同比、環比統計分析和歷史查詢，繼而編輯圖表屬性得到個性化定制圖表。最后，根據用戶使用權限通過Web發布，從而使授權用戶可以使用網頁瀏覽器瀏覽發布數據、設備管理信息及各類決策模塊信息。
? ? ? （3）計量器具和測量設備管理：該功能主要是對計量器具和測量設備的完整性管理，針對計量器具特有的定期檢定或校準工作進行數據跟蹤，比如，對色譜分析儀使用中的標氣品牌、范圍、不確定度評定進行記錄，為色譜儀數據溯源和監管提供信息化基礎。
? ? ? （4）數據綜合利用功能：該功能包括體積、能量計量計價比對功能，關鍵用戶用氣量統計和預測等功能。目的是充分發揮平臺基礎數據價值，為各方關心的貿易交接和市場預測提供分析。數據基礎來源于實時數據，輸出可在大屏幕上或通過互聯網或電子媒介輸出。
? ? ? 如圖2，平臺由數據采集轉換儀、4G/5G工業路由器/有線通訊設備、中心服務器、氣質數據賦值終端組成。中心服務器部署在公有云或私有數據中心（IDC），數據轉換儀、4G/5G工業路由器/有線通訊設備安裝在天然氣輸配站，氣質數據賦值終端安裝在天然氣用戶的計量站。平臺使用數據采集轉換儀采集天然氣輸配站色譜儀、流量計算機或站控SCADA系統的天然氣組成、流量、溫度和壓力等相關數據，氣質數據采集轉換儀負責對組成數據進行加工處理后使用有線/無線通訊方式提供給中心服務器使用，中心服務器負責將能量計量相關數據（包含組成、發熱量）發送給氣質數據賦值終端，氣質數據賦值終端負責與計量點的流量計算機交互完成該計量點的能量計量。
? ? ? 在中國海油廣東管道選擇了典型站場進行了數據接入，開展了平臺的試用，初步實現了以下基本功能。首先，針對建立了完善的管線拓撲圖（如圖3所示），從拓撲圖活動站點可以通過點擊方式查看站點詳情及能量計量相關實時數據。
圖3?管線拓撲圖
? ? ? 其次，基礎數據庫采集實時生產數據（如圖4所示），展示該站點的數據源類型（如采集站、賦值站、未授權三種）、天然氣組成、發熱量、溫度、壓力、流量等實時信息以及該站點的設備狀態信息，通過數據管理模塊建立氣質物性計算模型，計算單位發熱量、沃泊指數等物性參數。
圖4?組成采集站實時監控圖
? ? ? 通過綜合數據計算與展示，提供氣質數據統計、發熱量統計、站點流量/能量統計等信息，如圖5所示。
圖5?大屏幕輸出圖
? ? ? 本文提供了一種基于天然氣能量計量的信息化數據系統開發方案及初步試用結果。該系統利用“互聯網+”云平臺技術，采用有線、無線多種通訊方式，將線上線下對接，實現計量與設備管理數據一體化、數字化、智能化和全生命周期的管理，初步實現了接入站點實時生產數據的采集、監控、計算、查詢及核查。對各站點計量設備進行統一編號管理，進行全生命周期管理，實時追蹤設備的運維情況，方便交接誤差、設備異常、貿易糾紛后的設備合理化核查。過固定和可變賦值模型，為滿足條件的界面用戶提供氣質數據，為不具備組成分析能力的站點提供可靠的組成數據，節省用戶站點分析設備的額外投入。同時提供友好接入界面，方便各類站點和用戶使用網頁瀏覽器瀏覽發布數據、設備管理信息等內容。
參?考?文?獻
? ? ? [1] 常宏崗. 天然氣氣質管理與能量計量[M]. 北京：石油工業出版社，2008.
? ? ? [2]?葉朋，顧志烈，施世信. 天然氣管網能量計量與管理系統的實現[J]. 計量技術, 2014, 000(011):12-14.
? ? ? [3] 天然氣能量的測定：GB/T 22723-2008. 北京：中國標準出版社，2008.
? ? ? [4] 天然氣計量系統技術要求：GB/T 18603-2014. 北京：中國標準出版社，2014.
? ? ? [5] 天然氣計量系統性能評價：GB/T 35186-2017. 北京：中國標準出版社，2017.
作者簡介：
? ? ? 劉冰（1983-），女，資深工程師，清華大學，從事儀表及通信工程研究。010-84526518、100028、北京市朝陽區太陽宮南街6號院C座。
