基于网络平台的天然气能量计量方法研究.pdf

2 0 1 1年 第 3 O卷 第 9期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 2 1 基于网络平台的天然气能量计量方法研究 吴焕芬 ， 程佳 ，李东升 ，吕几凡 1 ． 中国计 量学院 计量测试工程学 院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 8； 2 ． 浙江省计量科学研究院 热工与能源计量研究所， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 3 摘要为了更合理地计量天然气能源， 对天然气能量计量方法进行了研究。论述了天然气能量计量的 系统基本原理 ， 根据能量计量的要求设计了天然气能量计量系统的软硬件， 在天然气公司内部光纤网络的 基础上建立了天然气能量计量系统。该系统能够同步读取体积流量、 组分数据 、 压力、 温度等参数， 根据能 量计量的方法通过内部核心计算软件计算出天然气能量。对系统进行了不确定度的分析计算， 分析表明 当测量过程受到较好控制时， 天然气能量计量系统结果的不确定度小于 l ％ k 2 。实验结果表明 研制 的天然气能量计量系统操作简便 ， 体积流量 、 温度 、 压力 、 组分等关键参数读取稳定 ， 与软件 F L O C A L C进 行 比对 ， 相对误差在 0 ． 1 ％ 以内。 关键词 天然气 ； 能量计量 ；计量方法 ；不确 定度 ； Ma t l a b 中图分类号 T P 9 3 7 文 献标 识码 A 文章编号 1 0 0 0 - -9 7 8 7 2 0 1 1 0 9 - 0 0 2 1 - 0 4 Re s e a r c h o n m e t ho d o f na t ur a l g a s e n e r g y me a s ur e me nt ba s e d o n n e t wo r k pl a t f o r m WU Hu a n ． f e n ，C HE NG J i a ，L I D o n g s h e n g ，曲J i f a n ’ 1 ． S c h o o l o f Me t r o l o g y a n d Me a s u r e me n t E n g i n e e r i n g ， C h i n a J i l i a n g Un i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f Me t r o l o g y o f Z h e j i a n g P r o v i n c e ， Ha n g z h o n 3 1 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t T o me a s u r e n a t u r a l g a s e n e r g y mo r e r a t i o n a l l y ， t h e me t h o d o f n a t u r a l g a s e n e r g y me a s u r e me n t i s s t u d i e d ． T h e w o r k i n g p r i n c i p l e i s i n t r o d u c e d ．N a t u r a l g a s e n e r g y me a s u r e me n t s y s t e m s o f t w a r e a n d h a r d w a r e a r e d e s i g n e d a c c o r d i n g t o e n e r g y me a s u r e me n t r e q u i r e me n t ．N a t u r a l g a s e n e r gy me a s u r e me n t s y s t e m i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n n a t u r a l g a s i n t e r n al f i b e r o p t i c n e t w o r k ． T h e v o l u me f l o w， c o mp o n e n t d a t a， p r e s s u r e， t e mp e r a t u r e a n d o t h e r p a r a me t e r s a r e r e a d O Ut s i mul t a n e o u s l y i n t h i s s y s t e m．Na t ur a l g a s e ne r g y i s c a l c u l a t e d t h r o u g h t he i n t e r n a l c o r e s o ft wa r e a c c o r d i n g t o t h e me t h o d o f n a t u r a l g a s e n e r gy me a s u r e me n t ． T h e s y s t e m o f a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f u n c e r t a i n t y ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e u n c e r t a i n t y o f e n e r gy me a s u r e m e n t c o u l d b e r e a c h e d 1 ％ k 2 ， w h e n t h e me a s u r e me n t p r o c e s s i s k e p t i n g o o d c o n t r o 1 ． T h e r e s u l t o f t e s t s h o w s t h e s y s t e m i s e a s y t o o p e r a t e ， a n d c a n l o a d t h e v o l u me fl o w， c o mp o n e n t d a t a ， p r e s s u r e ， t e mp e r a t u r e a n d o t h e r p a r a me t e r s s t e a d i l y ．C o mp a r e d wi t h s o ft wa r e F L OC AL C． t h e r e l a t i v e e r r o r i s l e s s t h a n 0 ． 1％ ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ；e n e r g y me a s u r e me n t ；me t h o d o f me a s u r e me n t ；u n c e rt a i n t y；Ma t l a b 0 引 言 天然气是一种混合气体 ， 它含有甲烷、 乙烷 、 丙烷等烃 类组分和氮、 二氧化碳等非烃类组分。由于天然气组成的 差异， 同样体积的天然气它们所产生能量是不同的， 我国天 然气体积发热量最小 3 3 ． 9 MJ ／ m 。 ， 最大为4 5 MJ ／ m 。 ， 二者 相差 3 1 ％⋯。作为燃料， 天然气的商品价值是其所含的发 热量， 即天然气销售使用的实质是天然气的能量而不是体 积， 使用能量计量比体积计量更科学。目前， 国外的天然气 计量已经历了体积计量 、 质量计量和能量计量 3个发展阶 收稿 日期 2 0 1 1 7 _ 2 0 基金项 目 浙江省科技厅重大科技专项计划资助项 目 2 0 0 9 C l 1 0 0 8 段 ’ ， 其中以能量计量最 能反映天然气 的经济价值 。 天然气能量计量作 为天然气工业 的中心工作 。欧美 发达工业 国家已普遍采用天然气能量计量。I S O 1 5 1 1 2 作为国际标准化组织 I S O 天然气能量计量工作组制定 的文件 ， 已成为国际上通行的标准 。我 国天然气计量与 国际接轨， 借鉴国外天然气计量先进经验 ， 由体积流量 计量 向能量计量转变 ， 是我国天然气法制计量 的必然趋 势。我国已颁 布新 国家标 准 天 然气 能 量 的测 定， 2 0 0 9年8月 1日开始 实施 。 传 感 器 与 微 系 统 第 3 0卷 1 天然气能量计 量的原理 天然气的气体的量以体积表示， 其发热量则 以体积为 计算基准。气体的能量测定是基于随时间而变化的气体流 量和发热量。计算时间到天然气能量计量的总公式为 E f d 1 气体体积可以在标准参比条件下测量和呈报 ， 也可以 在其他参比条件下测量， 并以合适的体积换算方法将其换 算为标准参比条件下的等量体积。因为本系统是在实际操 作条件下， 所以， 需要将其他参比条件下测量转换成标准参 比条件下的等量体积。 计算某一时刻标准参比条件下的体积 t V t z ， 2 式中V t 为操作条件下某一时刻体积； z 为 因子， 且 T n P m t, 十P--PH 2 o Z ⋯ 了 一一 Z ， 3 ， 式中 为标准参比温度； T为操作温度； |P 为在计量仪 表处的平均大气压力 ； p为操作压力 ； p 。 。 为天然气中水 的 分压 ； p 为标准参比压力； Z为操作条件下的压缩因子； Z 为标准参比条件下的压缩因子。 对于天然气这种混和气体标方的计算， 主要是对工况 状态下压缩系数 Z的计算 ] 。压缩因子可以用摩尔组成分 析对气体组成进行计算而得， 或用物理性质及某些 非烃 组份含量进行计算而得 ， 也可以由 z值仪测定而得 。本系 统采用的是第一种方法， 即 1 8 5 8 Z I ∑c ∑c b 一 1 3 nJj C n ， lP p e x p 一 c ， 4 式中z为压缩因子 ； B为第二维利系数； p 为天然气摩尔 密度 为天然气对比密度； b ， C ， 后 为常数； c 温度组分 相关函数。 根据 G B ／ T 1 1 0 6 2可以计算标准参比条件下的压缩因 子如下面的公式所示 N n Z l 一 ∑X i ， 5 l 式中 为各组分的摩尔分数； 6 为常数， 可查表得。 天然气发热量的测量系统由取样系统和直接测量 如 燃烧式热量计 、 间接测量 如气相色谱仪 、 关联技术等 3种测量设备中的一种组合构成。国外的天然气能量计量 中， 普遍采用间接测量来计算天然气发热量 J 。本系统采 用的是间接测量的方法， 即采用在线气相色谱仪。 发热量可 以在其他计量站测定 ， 也可以在其他一些有 代表性的地点测定， 并将结果赋值给气体计量站。本系统 根据 F l u e n t 仿真的结果在天然气的管道上一些有代表性的 点安装在线气相色谱仪测量各组分数据， 再将这些数据通 过天然气公司内部连接各天然气门站的光纤网络传输到流 量计算机。其中核心的公式为根据国家标准 G B ／ T 1 1 0 6 2 计算出发热量 ， t 为某一时刻的发热量 日 ∑X i H i ， 6 式中 为各组分的摩尔分数 ； 为各组分的发热量， 可奁 表得。 如图 1所示， 根据公式 6 用 Ma t l a b编写程序实现天 然气能量的计算。 图 1 天然气 能量计算模型程序流程图 Fi g 1 F l o wc ha r t o f c a l c ul a t i n g m o de l o f na t u r a l g a s e ne r g y 2 天然气能量计量的实现 天然气能量计量系统如 图2所示 ， 其工作原理如下 1 天然气现场安装超声波流量计， 压力变送器 ， 温度变送器 和在线气相色谱仪测量天然气的体积流量、 压力、 温度和各 组分摩尔百分比的数据； 2 天然气能量计量系统以天然气 公司内部连接各天然气门站的光纤网络为基础， 每台天然 气流量计算机通过该光纤网络接人计量系统； 3 实时通信 服务器可以通过以太网实时高速获取每台流量计算机的测 量参数 体积流量 、 压力、 温度和各组分的数据 ； 4 数据存储 于数据库服务器以供查询和计算时调用， 采集的体积流量、 压力、 温度和各组分摩尔百分比的数据可以计算天然气的 能量； 5 为了维护系统的安全性 ， 用于提供应用服务的 We b 服务器和该系统采用物理隔离连接， 外部的访问者可以通 过 l n t e r n e t 访问We b服务器， 并获取计量系统的服务。 2 ． 1 天然气能量计量 系统的硬件设计 天然气能量计量系统的硬件主要 由超声波流量计， 在 线气相色谱仪 ， 流量计算机和中心服务器组成。系统硬件 构建如图3 所示 ， 超声波流量计和色谱分析仪和流量计算 机通过串口通信把各项数据传人流量计算机中。天然气公 司内部连接各天然气门站的光纤网络将温度和压力数据传 输到流量计算机。中心服务器与流量计算机通过以太网连 接 通信协议是 MO D U S _ T C P 读取流量计算机中天然气的 温度、 压力、 组分以及体积等参数， 并把这些数据存储到数 据库中。数据存储于中心服务器中的数据库服务器， 通过 第 9期 吴焕芬 ， 等 基于网络平台的天然气能量计量方法研究 图 2 天然气 能量计量 系统 的组成 F i g 2 Co mp o s i t i o n o f n a t ur a l g a s e n e r g y me a s ur i n g s y s t e m 调用数据库， 计算天然气能量等相关数据。 中心服务器 超声 流量计 压力变 送器 温度变 送器 气相 色谱仪 天然气管道 图 3 天然气能量计量 系统硬件框图 Fi g 3 Ha r dwa r e b l o c k d i a g r a m o f n a t ur a l g a s e n e r g y m e a s u r i n g s y s t e m 2 ． 2天然气能量计量 系统的软件设计 天然气能量计量系统的软件采用 B ／ S架构设计， 基于 N e t F r a me w o r k 平台开发， 开发工具采用 V i s u a l S t u d i o 2 0 0 5 ， 前端 We b表 现 层 采用 A s p ． n e t 技 术 ， 报 表 采用 R e p o r t i n g S e r v i c e 技术 和 X ML加 X S L T技术 ， 图表采用 Mi c r o s o f t C h a rt C o n t r o l 技术。数据库访问 O R M采用 N e t L I N Q技术框架。 系统与其他信息系统交互接 口采用 We b S e r v i c e技术， 实现 数据跨平台流转。该系统采用 S Q L S e r v e r 数据库管理系统 进行数据管理工作。 流量计算机使用相应的组态软件 如， 6 0 0使用 c o n f i O 0软件 对超声波流量计 、 在线气相色谱仪及温度 、 压 力变送器传人的数据 如， 体积流量、 组分、 温度、 压力等 进 行组态并对其所在的寄存器重新分配地址。中心服务器通 过以太网同步读取流量计算机中天然气的温度、 压力、 组分 以及体积流量等参数并存储到数据库。内部核心计算软件 计算按照能量计量的方法计算出天然气能量。 处理后的天然气数据， 如天然气的标准体积 ， 压力， 温 度， 发热量等将发布到网页上 ， 用户可以通过登录浏览器查 询 。 3 天然气能量计量不确定度分析 根据国标的要求对天然气能量计量系统的不确定进行 了分析 ， 并计算了天然气能量计量的不确定度 。可以看 出， 能量计量结果的不确定度可控制在 1 ％以内。 3 ． 1 天然气能量计量各影响量的不确定度 1 气体组分测量 、 组分随时间变化引入的组份数据扩 展不确定度估计为0 ． 2％ ， 考虑其为正态分布， k2， 则 引入的标准不确定度为 0 ． 1 2％。 2 超声波流量计的允许误差为0 ． 3％ ， 考虑其为均匀 分布 ， k ， 则引入标准不确定度为 U v 0 ． 1 7 ％。 √ 3 3 系统采用的压力变送器准确度为 0 ．0 7 5％ ， 考虑其 为均匀分布， k ， 则引入标准不确定度为 √ 3 0． 0 4 3％ 。 4 系统采用的温度变送器允许误差为 O ． 2 ℃ ， 实验现 场的温度按2 0℃考虑 ， 考虑其为均匀分布 ， k ， 则引入 的标准不确定度为 0 ． 0 3 9％。 2 9 3 ． 1 5√ 3 5 计算模型引入的扩展不确定度按 0 ．6 ％， 考虑其为 正态分布， k2， 则引入的标准不确定度为 ／X m 0 ． 3％ 。 3 ． 2 天然气能量计量各参数的不确定度 3 ． 2 ． 1 天然气标准状态体积流量的不确定度 1 超声波流量计引入的不确定度； 2 气体组分测量不确定度 ； 3 计算公式模型的不确定度 ； 4 温度变送器引入的不确定度 ； 5 压力变送器引入 的不确定度 。 合成不确定度为 Q 、 ／ ／ “ u M 0 ． 3 6％ 。 3 ． 2 ． 2 天然气发热量的不确定度 1 气体组分测量不确定度 ； 2 计算公式模型的不确定度。 合成不确定度为u 日 -g z 0 ． 3 2 ％。 3 ． 3 天然气能量计量结果的不确定度 天然气能量计量结果的合成标准不确定度为 “ E ／ u Q u H 0 ． 4 8 ％。 取包含因子 k 2， 天然气能量计量结果的扩展不确定 度为 E H E 0 ． 9 6％。 从以上的结果可以看出 天然气能量计量结果的不确 定度可以控制在 1 ％的范围内。 4 实验 天然气能量计量系统与软件 F L O C A L C进行比对， 操作 压力为5M P a ， 操作温度为2 8 3 ． 1 5K， 天然气各组分百分比 含量如表 1 所示， 所得的结果如表 2所示。从实验结果可 以看出 该能量计量系统与软件 F L O C A L C相对误差小于 0 ． 1 ％ ， 具有 良好的一致性 。 传 感 器 与 微 系 统 第3 0卷 表 1 天然气 组分 Ta b 1 Co m p o n e n ts o f g a s 组分 各组分摩尔含量 ％ 名称 1 2 表 2 天然气能量计量结果 Ta b 2 Re s u l t s o f n a t u r a l g a s e n e r g y m e a s u r i n g s y s t e m 5结论 建立了天然气能量计量系统， 阐明了天然气能量计量 系统的基本原理， 根据能量计量的要求设计 了天然气能量 计量系统的软硬件， 并给出了能量计量 的方法。该系统能 够同步读取体积流量、 组分数据、 压力、 温度等参数， 通过内 部核心计算软件计算出天然气能量。分析表 明 当测量过 上接第 2 0页 D V H o p改进算法和 A P I T改进算法。D V H o p改进算法通 过在节点上设置接收阈值， 使未知节点只接收距离较近的 局部范围内的锚节点信息， 提高了每跳平均距离的计算精 度， 在坐标计算阶段， 舍弃了传统算法中的多边测量法， 而 是代以加减运算和迭代求精。A P I T改进算法用四面体质 心扫描代替 了传统的网格扫描， 提高 了运算效率 ， 且在 A P I T测试时加入了邻居节点合法性判定， 减少了传统测试 方法中I n T o O u t 错误的发生。仿真结果表 明 在锚节点比 例和通信半径达到一定条件时， 2种算法均能获得比较理 想的定位精度， 适合大规模的无线传感器网络在实际中的 应用 。 参考 文献 [ 1 ] M a o G， A n d e m o n B ． Wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s l o c a l i z a t i o n t e c h n i q u e s[ J ] ． C o mp u t e r Ne t w o r k s ， 2 0 0 7 ， 5 1 1 0 2 5 2 9--2 5 5 3 ． [ 2 ] 郝志凯， 王硕． 无线传感器网络定位方法综述[ J ] 。 华中科 技大学学报 自 然科学版， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 2 2 4 -- 2 2 7 ． [ 3 ] L u L i a n g b i n ， C a o Y a n g ， G a o X u n ， e t a 1 ． T h r e e d i m e n s io n al l o c a l i - z a t i o n s c h e me s b a s e d o n s p h e r e i n t e r s e c t i o n s i n wi r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s [ J ] ． J o u r n a l o f B e r i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o m mu n i c a t i o n s ， 2 0 0 6 ， 2 9 5 4 8-- 5 1 ． 程受到较好控制时， 天然气能量计量系统结果的不确定度 小于 1 ％ k 2 。 实验结果表明 天然气能量计量系统操作简便， 体积流 量 、 组分数据、 压力、 温度等关键参数读取稳定 ， 与软件 F L O C A L C进行 比对 ， 相对误差在 0 ． 1 ％以内， 具有良好的一 致性 。 参考文献 [ 1 ] 王池 ， 李春辉． 天然气能量计量系统及方法 [ J ] ． 汁量学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 5 4 0 3- 4 0 6 ． [ 2] 张永红． 天然气流量计量 [ M] ． 北京 石 油工业 出版社 ， 2 0 0 1 5 6--7 8 ． [ 3 ] 钱成文 ， 王惠智． 国外 天然气的计 量与检定技 术 [ j ] ． 油气储 运 ， 2 0 0 5， 2 4 6 3 8 4 2 ． [ 4 ] J a e s e h k e M， S c h l e y P ， J a n s s e n v a n R R ． T h e r mo d y n a m i c r e s e a r c h i m p r o v e s e n e r g y me a s u r e me n t i n n a t u r a l g a s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f T h e r m o p h y s i c s ， 2 0 0 2 ， 2 3 2 1 0 1 3--1 0 3 1 ． [ 5 ] 魏凯丰 ， 牛滨 ， 张作 群 ， 等． 天然气测 量 系统 中标方 计算方 法的研究 [ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 0 2 2 0 7 --2 2 1 0 ． [ 6] I S O 6 9 7 6 1 9 9 5 ， N a t u r a l g a s c a l c u l a t i 0 n o f c a l o r i fi c v a l u e ， d e n s i t y ， r e l a t i v e d e n s i t y a n d Wo b b e i n d e x f r o m c o mp o s i t i o n [ S ] ． [ 7 ] A t t a r i A， K l a s s D L ． N a t u r a l g a s e n e r gy me a s u r e me n t [ M] ＆ Fr a n c i s Gr o u p． 2 0 0 5． F a y l o r [ 8 ] 陈赓良． 天然气能量计量的不确定度评定探讨[ J ] ． 天然气工 业 ， 2 0 0 9， 2 5 4 59 ． 作者简介 吴焕芬 1 9 8 6一 ， 女 ， 浙江 建德人 ， 硕 士研究 生 ， 主要研 究方 向 为能源计量。 t≯ t ； ； 、 t 0； t t t 、 ， ； 、 0p t 0 0； 、 、 ； [ 4 ] Z h a n g L Q， Z h o u X B ， C h e n g Q ． L a n d s c a p e - 3 D A r o b u s t l o c a l i z a t i o n s c h e m e f o r s e n s o r n e t w o r k s o v e r c o m p l e x 3 D T e r r a i n s [ c] ∥ 2 0 06 I EE E Co n f e r e n c e o n L o c a l Co mpu t e r Ne t w o r k s ，Ta u p a I E EE P r e s s ， 2 0 0 6 2 39--2 4 6． [ 5 ] S h a n g Y i ， R u m 1 W， Z h a n g Y， e t a 1 ． L o c a l i z a t i o n f r o m m e r e C O I l n e c t i v i t y [ c] ∥ P r o c e e d i n g s o f t h e F o u r t h A C M S y m p o s i u m o n Mo b i l e A d H o c N e t w o r k i n g a n d C o m p u t i n g Mo b i H o c ， N e w Yo r k ACM P r e s s ， 2 0 0 3 2 0 1--2 1 2． [ 6 ] 明亮 ， 赵刚， 谢 桂海 ， 等． 面 向智 能空间 的位置感 知方法 研究 [ J ] ． 软件学报 ， 2 0 0 9 ， 2 0 3 6 7 1 --6 8 1 ． [ 7 ] 丁英强 ， 孙雨耕 ， 李婷雪． 基于多维校正的无线传感器 网络多 维标 度定 位算 法 [ J ] ． 仪器 仪表 学 报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 5 1 0 0 2 1 0 0 8． [ 8 ] N i c u l e s c u D ，N a t h B ．A d H o c p o s i t i o n i n g s y s t e m[ c ] ∥I E E E Gl o b a l T e l e c 0 mmun i c a t i o n s C o n f e r e n c e． 2 0 0 1． 5 2 9 2 6--2 9 3 1 ． [ 9 ] H e T i a n， H u a n g C h e n g d u ， B l u m B M， e t a 1 ． R a n g e fr e e l o c a l i z a t i o n s c h e m e s i n l a r g e s c al e s e n s o r n e t w o r k s [ c ] ∥P r o c e e d i n g s o f t h e An n u al I n t e r n a t i o n al Co n f e r e n c e o n Mo b i l e Co mp u t i n g a n d Ne t wo r k i n g， 2 0 0 3 8 1--9 5． 作者简介 李长庚 1 9 7 0 一 ， 男， 湖南湘潭人， 博士， 教授， 研究领域为无 线通信 和无线传感器网络。