蒸汽、煤氣能量計量與碳達峰

目? ?錄

1、蒸汽質量計量與能量計量

1.1 質量計量對用能設備能耗評估的缺陷

1.2 質量計量評估蒸汽管網損耗的缺陷

1.3 用折算法換算能量的缺陷

1.4 關于蒸汽碳排放量轉換

2、人工煤氣體積計量與能量計量

2.1 問題分析

2.2 方案討論

2.3 應用舉例

3、小結? ? ?

前? ?言

? ? ? 長期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?

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。

? ? ?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。

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?

? ? ? ?長期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。? ??

? ? ? 由于人工煤氣包括焦爐、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（表2）

(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如下圖。

目前圖中上游焦爐、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? ?遠程賦值天然氣組分進行天然氣能量計量

? ? ? ?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。

煉廠干氣（燃料氣）質量+能量計量

目? 錄

問題的提出

? ? ? 石油化工行業中的煉廠干氣（或稱燃料氣，以下簡稱干氣）計量一直是流量計量的難點。普遍采用的方法是：采用標準節流裝置或渦街等流量計，通過采用固定密度修正得到質量流量。

? ? ? 由于干氣組分復雜、變化沒有規律，現場無法實時測量組分或密度，其密度值難以確定。且不能通過常規的氣態方程進行換算。造成干氣計量誤差大，供需量難以平衡，給能源管理帶來困難。干氣采用質量計量是解決問題重要手段。

? ? ?另外，隨著技術手段的提高，干氣能量計量已相繼付諸實踐。

1、干氣質量計量解決方案

? ? ?(中石化專項科研項目一)

采用雙參量質量流量計克服干氣組分、密度不穩定問題，儀表直接輸出質量流量。

1.1 工作原理

? ? ? 當流體流經渦街流量傳感器時，在漩渦發生體的上下游產生與質量流量相關的差壓信號，同時產生與流速相關的脈沖信號。利用差壓信號與流體密度相關，流速信號與流體密度無關的特點。用流量計算機同時采集差壓信號和脈沖信號，根據質量守恒原理，可以得出流體的質量流量（及實時密度）與各參量的數學關系。

1.2 產品特點

1.3 技術參數

1.4 現場運行情況

? ? ? 自2011年首臺雙參量質量流量計在荊門石化成功投運后，先后有數十臺這類儀表在中石化洛陽分公司、中石化燕山分公司、中石化金陵分公司石化、中石化鎮海分公司等單位投入運行，并進行了一系列對比實驗。

現場對比實驗（與科氏力流量計比對）：

? ? ? 在金陵石化DN100管道上安裝一臺雙參量質量流量計和原有的科氏質量流量計進行比對。儀表在現場長期運行，工作穩定；各變送器信號均通過Hart傳輸到專用流量計算機進行計算。該儀表與科氏質量流量計流量值吻合，變化趨勢一致，如圖3、圖4所示，分別為5天、5小時的瞬時流量數據對比。紅顏色曲線為推導式氣體質量流量計的瞬時流量，藍顏色曲線為科氏質量流量計的瞬時流量。

?1.4 現場運行情況-現場對比實驗（對比實驗曲線圖）

1.4? 現場運行情況-小結

現場運行趨勢圖表明：

? ? ? 雙參量氣體質量流量計經專用流量計算機計算，趨勢圖中顯示密度為3.18kg/m3左右，流量在3t/h左右?？剖腺|量流量計顯示密度為3.07kg/m3，流量在2.9 t/h左右，兩臺表的質量流量顯示值與運行趨勢保持一致。

1.5? 專項科研成果

? ? ? 數十臺雙參量質量流量計長期現場運行情況表明：該儀表性能穩定，數據可靠，可以滿足煉廠干氣的質量流量計量。為煉化企業提供了實用、經濟的解決方案。

? ? ? 為此，中石化總公司在金陵分公司開展專項科研《用推導式質量流量計計量變組分氣體應用技術研究》，主要針對中、大口徑（ DN80、DN100、DN150、DN250）雙參量質量流量計進行現場運行驗證。該課題取得了令人滿意的成果。

2 干氣能量計量方案

? ? ? ? ?(中石化專項科研項目二)

2.1 干氣能量計量專項課題的提出

? ? ? 傳統上流體的計量大多是采用參比條件下的體積流量或質量流量，但對天然氣，煉廠干氣而言，由于組份不同，燃燒后產生的熱量有所不同。只有采用能量計量才能科學的描述其量值。我國將對天然氣已經采用能量計量，其技術上已日趨成熟。

? ? ? 在實際工作中存在：

? ? ? a.干氣質量計量不能“按質論價”，也就是無法評估干氣實際能耗。

? ? ? b.另一方面，即使“質量平衡了，能量不能保證平衡”。

? ? ?對干氣采用能量計量，是企業節約能源、精細化管理需要。為此，2016年中石化總公司在鎮海煉化設立了《化工裝置變組分燃料氣能量計量技術研究》科研項目。

2.2 課題概述

? ? ? 干氣（燃料氣）能量計量平臺（以下簡稱平臺）開發

? ? ? 依據相關標準建立能量計算數學模型，平臺與PI系統（數據庫）和Lims系統（質量分析）之間的數據交換? 。

? ? ? 2.2.1 調用組分數據，實現能量計算

流程：平臺從PI系統中獲取質量流量計的干氣質量流量數據，從Lims系統中獲取對應裝置的燃料氣組分數據，系統中干氣氣質數據專業軟件，根據該組分數據計算質量發熱量（或體積發熱量），并根據流量完成能量計算。

? ? ? 2.2.2 模擬組分功能

? ? ? 燃料氣化驗往往頻次較低，組分數據更新不及時。利用燃料氣能量計量平臺建立數據庫，模擬燃料氣組分數據。

? ? ? 流程：平臺從Lims 系統獲取所需裝置的燃料氣組分數據，同時根據組分數據的時間點，計算對應的流量計標況密度并存入數據庫中；從PI系統中獲取質量流量計實時標況密度，根據該密度計算每天的平均標況密度。

? ? ? 當選擇模擬組分功能時，平臺根據前段時間的平均標況密度，在數據庫中自動查詢該密度值所對應的組分數據，如果該密度值對應多個組分數據，則優先選取最近時間點的組分數據（或選取密度偏差最小的一組組分數據）計算干氣發熱量及能量。

? ? ? 實驗表明，實際測試的發熱量與平臺顯示的質量發熱量基本一致，證明選擇模擬組分可以實現能量計算功能。隨著大量實時數據的引入（大數據），模擬組分將更加接近真值。

? ? ? 2.2.3 多裝置組分加權功能

? ? ? 某些燃料氣計量點沒有定期化驗組分數據，該計量點的介質組分來源于多個裝置?？赏ㄟ^在平臺上設置與該計量點相關聯的多個已知組分的裝置，并設置相應的加權比例，得到該計量點的組分數據，進行燃料氣能量計算。

2.3 專項課題驗收結論

? ? ? 本課題的研究與實踐表明：充分利用企業網絡資源，通過搭建燃料氣能量計量平臺可以實現干氣能量計量。此方案比采用標準煤計算能耗方法更準確、便捷。

? ? ? 該項目已于2019年10月11日，在杭州通過了中石化總部組織的驗收。

驗收意見：

? ? ? 研究開發的能量計量平臺，建立了變組分燃料氣組分分析與雙參量質量流量計標準數據庫，可模擬燃料氣能量，為化工裝置變組分燃料氣能量計量提供了一種理想的解決方案。

結束語：

? ? ? 節能降耗是當前煉化企業的緊迫任務之一，而干氣在整個能耗中占很大比重，其準確計量尤為重要。針對被測介質的特點和工況條件，開發的系列解決方案，為煉廠干氣的質量與能量計量提供了可靠、經濟、實用的途徑。