天然氣能量計量修正儀的研制

謝象佐，陶朝建,2，李孝評，董文潤,2，孫治鵬，宋方冰,2

（1.天信儀表集團有限公司，浙江 蒼南 325800；2.上海理工大學，上海 200093）

0 引言

天然氣是一種混合氣體，它含有甲烷、乙烷、丙烷等烴類組分和氮、二氧化碳等非烴類組分，不同地區(qū)的天然氣組分含量并不相同。當前工商業(yè)用戶使用的修正儀還是以體積計量為主，但是天然氣作為能源使用，最終要體現(xiàn)的是能量價值，相同體積的天然氣因為組分不同，發(fā)熱量不同，最終釋放的能量也不同。為了體現(xiàn)公平貿(mào)易計量的原則和與國際普遍使用能量計量的貿(mào)易結(jié)算平臺統(tǒng)一、接軌，采用能量計量勢在必行[1]。本修正儀采用微功耗設(shè)計，可以配套各種帶脈沖輸出的流量計，采用高精度數(shù)字式壓力和溫度傳感器，內(nèi)嵌多種壓縮因子修正數(shù)學模型，計算工況體積量，并轉(zhuǎn)換為標況體積量。修正儀采用GPRS無線通信方式與氣相色譜儀等氣體分析儀器進行通信，修正儀可根據(jù)氣分析結(jié)果計算出能量流量和能量總量值，并且采用kWh作為能量結(jié)算單位。

1 天然氣能量計量的原理

天然氣氣體的能量（E）為一定時間內(nèi)氣體標況體積量（Q）與對應(yīng)發(fā)熱量（Hs）乘積的累加和。其計算公式如式（1）、（2）。

式中：E-天然氣的能量總量，單位kWh；

Q-某段時間內(nèi)基準條件下的體積量，單位m3；

F(t)-天然氣在測量條件下t時刻的的體積流量；

Hs-某段時間內(nèi)或t時刻基準條件下天然氣單位發(fā)熱量，單位MJ/m3；

P-為天然氣壓力，單位MPa；

T-為天然氣溫度，單位K；

Z-為天然氣壓縮因子。

圖1 能量計量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy metering system

圖2 修正儀原理框圖Fig.2 Modifi ed block diagram instrument

（下標“b”代表基準狀態(tài)，(t)表示在t時刻）[2]。

標況條件下的氣體體積量的計算通過流量計和修正儀完成。修正儀采集流量計輸出的流量信號，計算出工況體積量，再根據(jù)壓力、溫度、壓縮因子修正模式，轉(zhuǎn)換為標況條件下的氣體體積量。標況條件為大氣壓101.325 kPa，溫度20.0℃。

天然氣發(fā)熱量的測量方式有直接測量（例如燃燒式熱量計）、間接測量（例如氣相色譜儀）、關(guān)聯(lián)技術(shù)等。本方案采用的是間接測量。

如圖1所示，氣相色譜儀對天然氣氣質(zhì)數(shù)據(jù)分析，計算發(fā)熱量數(shù)值，傳輸給服務(wù)器中心。服務(wù)器中心通過GPRS無線方式把天然氣發(fā)熱量傳輸給修正儀，修正儀根據(jù)接收到的發(fā)熱量和計算得到的標況條件下的氣體體積量，計算出氣體能量。

2 硬件設(shè)計

修正儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。按功能分為信號采集、控制輸出、通信、顯示按鍵存儲、電源管理。內(nèi)嵌脈沖群抑制、防雷等保護電路，所有輸出接口都與內(nèi)部的主控電路電氣隔離，提高了修正儀的抗干擾性和可靠性。

2.1 信號采集部分

信號采集包括流量信號采集和溫度、壓力信號采集。

修正儀接收來自流量計的流量信號，包括高頻和低頻信號，并根據(jù)設(shè)定的模式進行工況流量計量。

溫度、壓力傳感器均為獨立的數(shù)字式傳感器，檢測精度與修正儀無關(guān)，可單獨校準與檢定。傳感器內(nèi)部含獨立微處理器和AD芯片，能自動檢測介質(zhì)的溫度和壓力，并進行非線性修正和溫度系數(shù)校正，穩(wěn)定性好，溫漂小。修正儀通過I2C接口與傳感器進行數(shù)據(jù)通信，直接讀取出溫度和壓力值。溫度滿量程誤差≤±0.2%（0.5℃），壓力滿量程誤差≤±0.2%。

2.2 控制輸出部分

控制輸出包括電流輸出、脈沖輸出、報警輸出。

電流輸出為標準的兩線制4-20mA電流信號，對應(yīng)輸出的物理量可以選擇溫度、壓力、標況流量、工況流量之一。模塊采用光電隔離，內(nèi)部包含DA轉(zhuǎn)換和精密電流輸出變送器，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓，再轉(zhuǎn)換為電流值輸出，電流輸出最大誤差≤±0.25%。

脈沖輸出是頻率為0-2000Hz，幅值24V，占空比50%的方波信號，頻率與工況或標況體積流量成正比的，最大誤差≤±0.05%。

報警輸出包括欠壓報警輸出和關(guān)閥報警輸出。在電池電壓低于一定值時，輸出電池欠壓報警，提示更換電池。在電池電壓更低于一定值時，輸出關(guān)閥信號。

2.3 通信部分

修正儀內(nèi)嵌RS485、射頻、GPRS等多種通信方式，可方便組成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

采用光電隔離RS485通信模塊，可直接與上位機或二次儀表聯(lián)網(wǎng)，波特率9600bps，符合Modbus協(xié)議。上位機系統(tǒng)可以讀取修正儀的當前運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，以及儀表內(nèi)部參數(shù)。

射頻模塊采用433MHz頻率的CC1100集成塊，可以在短距離范圍內(nèi)（無阻擋物時100m內(nèi)）傳輸修正儀的有關(guān)數(shù)據(jù)。射頻模塊主要用在多臺修正儀組網(wǎng)時，可以作為無線方式收集從機的數(shù)據(jù)，收集的數(shù)據(jù)全部暫存于主修正儀，通過主修正儀的GPRS功能，上傳到服務(wù)器中心，針對修正儀位置集中的區(qū)域，通過這種方式可以減少GPRS模塊的使用，節(jié)約成本和管理。

傳統(tǒng)的有線方式和射頻等短距離通信的方式在遠程通信方面受到很大限制。因此為了徹底解決遠程通信問題，修正儀采用了GPRS無線通信，真正意義上解決了區(qū)域和距離的問題。

GPRS是指通用無線業(yè)務(wù)，是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新的承載業(yè)務(wù)[3]。本修正儀采用的是摩托羅拉G24通信模塊。它是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模塊，支持四頻850/900/1800/1900MHz，以先進的技術(shù)、穩(wěn)定的性能實現(xiàn)了M2M的高速無縫連接，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧。修正儀通過GPRS方式上傳當前數(shù)據(jù)到服務(wù)器中心，同時接收服務(wù)器中心的各種指令，包括接收服務(wù)器中心從氣相色譜儀讀取的天然氣發(fā)熱量。

GPRS模塊采用獨立CPU，處理模塊與GSM網(wǎng)絡(luò)之間的通信。修正儀與GPRS模塊之間采用透明傳輸方式，修正儀

圖3 GPRS模塊原理框圖及與修正儀連接Fig.3 GPRS module principle block diagram and the correction instrument connections

圖4 GPRS模塊電源原理框圖Fig.4 GPRS module power supply schematic diagram

只需把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過RS232接口給GPRS模塊即可。

2.4 顯示按鍵存儲部分

修正儀采用MST-G240128型大屏幕點陣液晶顯示，顯示工況、標況的總量和流量，以及溫度、壓力、轉(zhuǎn)換系數(shù)、壓縮系數(shù)比、日期時間等數(shù)據(jù)，清晰直觀，讀數(shù)方便。內(nèi)部UC1608點陣LCD驅(qū)動芯片，通過并口方式與修正儀連接。

采用組合按鍵和一鍵功能多用，依靠4個按鍵，完成廠家參數(shù)、用戶參數(shù)、GPRS運行參數(shù)等的設(shè)置。設(shè)置過程中，超過2min沒有按鍵操作，自動退出。修正儀能自動判斷環(huán)境光線強度，自動打開或關(guān)閉液晶背光。在退出設(shè)置界面1min后，為了降低修正儀功耗，自動關(guān)閉液晶顯示和背光。

為了記錄修正儀運行時的歷史數(shù)據(jù)和各種故障事件，配備了4Mbit的串行FLASH存儲器。存儲2個月的小時記錄和600條的日記錄，200條的上下限報警記錄，溫度、壓力傳感器故障記錄。

2.5 電源管理部分

修正儀電源電路由內(nèi)電池和外電源組成，可以根據(jù)實際情況自動切換使用的電源模式。有外電源情況下，由外電源供電，內(nèi)電池基本不耗電。在沒有外電源的情況下，內(nèi)電池給修正儀主板和GPRS模塊供電。修正儀主板采用微功耗技術(shù)，GPRS模塊不工作時，修正儀平均工作電流大約0.3-0.4mA。GPRS模塊工作時，瞬態(tài)電流激增。鑒于此，在GPRS模塊電源增加可大電流放電的充電型電池，滿足GPRS工作時瞬間大電流的需要。原理框圖如圖4所示，通過檢測判斷，自動選擇合適的電源提供給GPRS模塊，并控制對充電電池的安全充電。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program fl ow chart

3 軟件設(shè)計

修正儀軟件包括壓縮因子計算程序，鍵盤設(shè)置程序，溫壓測量程序，流量計算總量累加程序，LCD顯示程序，電流輸出程序，頻率輸出程序，GPRS傳輸程序，中斷程序。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個功能程序設(shè)計為獨立的模塊，在事件觸發(fā)時，由主程序調(diào)用運行。流程清晰，運行時間短，系統(tǒng)多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)，有效降低功耗。

壓縮因子計算程序是涉及到計量精度的重要程序，參與工況體積量轉(zhuǎn)換為標況體積量的計算。本修正儀中使用的壓縮因子數(shù)學模型有AGA NX-19，SGERG-88。在使用范圍和精度方面，SGERG-88高于前者。SGERG-88主要用于正常進行輸氣和配氣條件范圍內(nèi)的管輸干氣，包括交接計量或其他用于結(jié)算的計量[4]。通常輸氣和配氣的操作溫度為263-338K（-10~+65℃），操作壓力不超過12MPa。在此范圍內(nèi)，如果不計包括相關(guān)的壓力和溫度等輸入數(shù)據(jù)的不確定度，則SGERG-88的計算最大誤差≤±0.1%。根據(jù)AGA NX-19的計算公式，在要求范圍內(nèi)的超壓縮因子Fz=f1(τ,H)=f2(P1,t)因此可將上述過程簡化為二維數(shù)據(jù)表格，再查表并進行線性插值計算。SGERG-88的計算方法，按GB/T17747.2-1999天然氣壓縮因子計算的標準要求，輸入真實相對密度、氫氣摩爾含量、二氧化碳含量、高位發(fā)熱量進行計算[5]。計算流程如圖6所示。

圖6 SGERG-88計算流程圖Fig.6 SGERG-88 fl ow

GPRS遠程無線通信上傳修正儀數(shù)據(jù)到服務(wù)器中心，接收服務(wù)器中心下傳的天然氣發(fā)熱量和服務(wù)器中心對修正儀的參數(shù)設(shè)置。通信協(xié)議有自定義協(xié)議，Modbus-RTU協(xié)議，Modbus-TCP協(xié)議。GPRS模塊工作模式可以選擇“長期在線”/“非長期在線”模式。非長期在線模式下，可以通過選擇“定時”/“間隔”模式以及設(shè)定相應(yīng)的定時時間點或間隔時間來確定GPRS模塊的上線時間。長期在線模式下，GPRS模塊一直在線，“定時”/“間隔”模式無效。

4 整機最大綜合誤差

本修正儀采集輸入的物理量有流量、溫度、壓力。溫度、壓力信號采集的準確度，流量計算的準確度，很大程度上決定了修正儀的準確度。

本修正儀采用的數(shù)字式溫度、壓力傳感器精度與修正儀無關(guān)，傳感器自動進行非線性修正和溫度系數(shù)校正，在量程范圍內(nèi)，溫度傳感器的最大誤差Et≤±0.2%，壓力傳感器的最大誤差Ep≤±0.2%，流量計算和轉(zhuǎn)換誤差Ev≤±0.1%。在不考慮氣相色譜儀氣體組分分析誤差和流量計基表誤差的情況下修正儀整機的最大綜合誤差Ec≤±0.5%，計算公式如式（3）。

式中：Ec-修正儀最大綜合誤差；

Et-溫度最大誤差；

Ep-壓力最大誤差；

Ee-流量計算最大誤差[6]。

5 結(jié)束語

為了滿足天然氣計量貿(mào)易結(jié)算的發(fā)展趨勢，設(shè)計了天然氣能量計量修正儀。本修正儀能與氣體渦輪、腰輪、旋進旋渦、渦街等帶脈沖信號輸出的氣體流量計配套使用，采用高精度數(shù)字式溫度壓力傳感器，同時具備多種壓縮因子數(shù)學模型，將工況體積量轉(zhuǎn)換為標況體積量和能量，計量準確度高。內(nèi)嵌GPRS、射頻、RS485等多種通信方式，具備多種組網(wǎng)方式，方便與其它二次儀表或計算機聯(lián)網(wǎng)，一旦國家相關(guān)能量計量政策確定后，它必將是城市燃氣、石油、化工、冶金等行業(yè)氣體流量計的理想配套儀表。

[1]安建川,梁光川,天然氣計量技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢[J].內(nèi)蒙古石油化工,2007(1).

[2]GB/T22723-2008.天然氣能量的測定[S].

[3]GB/T17747.天然氣壓縮因子的計算[S].

[4]張福元.用于計量的天然氣壓縮因子計算方法比較[J].天然氣工業(yè),2000,20(5):73-76.

[5]任建國.GPRS無線通訊在 計量檢測中的應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù),2012,39(9).

[6]陳賡良.天然氣能量計量的不確定度評定探討[J].天然氣工業(yè),2009,25(4).