CN111486930B - 一种天然气能量计量赋值核查方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气能量计量赋值核查方法及系统，其包括：通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量的系统数据库；系统数据库存储接收的各站点生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据；通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，为多气源混输用户提供气质预测，提供在线核查的比对数据；通过上传计量站物性计算结果，与赋值步骤中的赋值计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能；针对不同用户分别设置不同功能权限。本发明实现计量系统数据计算、赋值、核查等一体化，实现信息共享。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气管网能量计量系统的在线监管领域，特别是一种适合不同输气管网特征的天然气能量计量用气质数据的赋值及核查方法，以及整个过程的信息化监管系统。
背景技术
目前，国内A级计量站已基本具备能量计量的硬件基础，但能量计量交接结算的实操案例较少，缺少在线核查手段。而且部分B、C级计量站存在部分计量设备缺失、日常运维和监管经验不足的问题，将阻碍能量计量体系的全面推进。其次，虽然国内外已有成熟的能量计量用仪表设备产品，但在信息化管控升级方面仍存在薄弱点，缺少全网能量计量数据、器具及管理的集中在线监控手段，缺少性能评价的信息化分析手段。同时，天然气按能量计量和计价是为了体现天然气商品交易的公平性、公正性，也需要发挥信息化手段增加交易的透明度，利用信息化手段记录并保障各方权益。
因此，目前迫切需要一种能够实现天然气能量计量气质数据赋值核查的方法，以及一体化的信息监管系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是基于新一代信息技术，提供一种天然气能量计量用气质数据赋值、核查的方法和信息化监管系统，实现计量系统数据计算、赋值、核查等一体化监管，并向用户提供了一个界面友好的交互界面，方便各界面用户的快速接入，实现信息共享。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种天然气能量计量赋值核查方法，其包括以下步骤：数据采集的步骤：通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量的系统数据库；数据存储的步骤：系统数据库存储接收的各站点的生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据；赋值的步骤：通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，计算得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，也为多气源混输用户提供气质预测，提供在线核查的比对数据；核查的步骤：通过上传计量站物性计算结果，与赋值步骤中的赋值计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能；对用户身份进行标识的步骤：针对不同用户分别设置不同功能权限。
进一步，所述赋值的步骤中，采用天然气能量计量用组分数据赋值方法，根据单位发热量的变化规律，在具备赋值条件的赋值源站和被赋值站点之间建立了天然气组分赋值传递的关系，并分别针对单气源、多气源混输这两种现存的输配方式，建立了传递关系的赋值计算方法模型。
进一步，当输配方式为单气源供气时，所述赋值计算方法采用两种具体的赋值计算模型：固定赋值法和可变赋值法。
进一步，所述固定赋值方法适用于源站点单位发热量变化非常小的工况，建立了下游被赋值站点可直接使用源站点组分的方法，下游被赋值站点只需根据上游源站点情况，预先设置赋值间隔，然后进行平均值计算，直接使用源站点组分数据。
进一步，所述可变赋值法适用于被赋值的下游站点气质数据发生显著变化的情况，此时被赋值站点气质组分数据随时间变化超过固定赋值的稳定区间范围；建立了气质数据随时间变化的函数关系，主要有两种关系，一种是根据经验由人工手动输入时间延时，该方法适用于两站点管道敷设地理位置平稳的情况；另一种需要对两站点的实际管道路由线路采用自动计算延时的方法进行分解，该自动计算延时的方法建立了延时时间与站点路由线路参数的关系函数，将路由线路划分若干个直管，根据管道压力分布，得到各直管段的瞬时流量参数，再利用每个直管段的“管道内径参数”、“管道长度参数”、“平均密度参数”，统计每一直管段内流体的流动时间，进而得出整体的延迟时间t，根据整体的延迟时间t进行赋值：将A站在线分析设备获得的发热量曲线赋于未安装在线分析设备的B站，得到两站之间的气体流动时间差，则根据延迟时间t将A站的发热量曲线延后时间t，应用于B站即可。
进一步，当输配方式为多气源供气时，赋值计算方法为：首先，需要输入混合气体各自的组成、体积流量、压力、温度参数，对多个气源混合后的组成进行计算，得到正确的组成信息；然后，计算得到密度、相对密度、压缩因子、单位发热量物性参数，用于下游未安装组成分析设备站点的物性参数赋值；最后，完成多气源混合气体物性参数计算后，接下来赋值方法同单气源条件。
一种天然气能量计量赋值核查系统，其包括数据采集模块、系统数据库及综合信息分析发布平台，所述综合信息分析发布平台包括赋值模块、核查模块及用户权限管理模块；所述数据采集模块通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量系统数据库；所述系统数据库用于存储接收的各站点的生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据；所述赋值模块通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，计算得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，也为多气源混输用户提供气质预测，提供在线核查的比对数据；所述核查模块通过上传计量站物性计算结果，与所述赋值模块计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能；所述用户权限管理模块用于对用户身份进行标识。
进一步，所述数据采集模块能连接SCADA有线实时系统，支持Modbus协议，TCP/IP工业协议，实现实时生产数据的采集。
进一步，所述数据采集模块具有4G/5G无线GPRS通讯接口。
进一步，所述系统数据库采用分布式分层的云存储模式。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据不同气源输入现状，结合典型管网输配特点，建立一整套赋值方法，并通过信息化系统进行气质数据的赋值，节约被赋值站点计量器具改造或采购成本，加快天然气能量计量体系的推进；2、被权威机构评估认证后的本系统可对所有被赋值站点的物性参数进行核查，间接评估计量器具的使用性能，提高计量站管理水平；3、利用互联网技术进行站点赋值及核查，节约评估时间、站点覆盖面广；4、通过信息化集中管控，方便各级监管部门及时掌握各计量站的数据信息，有的放矢的开展各项管理工作。
附图说明
图1本发明赋值方法的计算方法流程示意图；
图2两气源混输计算流程图；
图3实现本发明方法的监管系统框架示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种天然气管网能量计量系统气质数据的赋值及核查领域，以及该领域与新一代信息通信系统的融合，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明提供一种天然气能量计量赋值核查方法，其包括以下步骤：
数据采集的步骤：通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量的系统数据库；
其中，各站点实时生产数据包括各接入站点进口、出口的压力、温度、流量及组分数据；如进行核查，还需采集被赋值站点的物性参数计算结果。
数据存储的步骤：系统数据库存储接收的各站点的生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据。
赋值的步骤：通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，计算得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，也为多气源混输用户提供气质预测，节省用户站点分析设备的额外投入，提供在线核查的比对数据。
核查的步骤：通过上传计量站物性计算结果，与赋值步骤中的赋值计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能；该步骤适用于计量器具完备的计量站。
对用户身份进行标识的步骤：针对不同用户分别设置不同功能权限。
上述赋值的步骤中，采用天然气能量计量用组分数据赋值方法，根据单位发热量的变化规律，在具备赋值条件的两个计量站(赋值源站和被赋值站点)之间建立了天然气组分赋值传递的关系，并分别针对单气源、多气源混输这两种现存的输配方式，建立了传递关系的赋值计算方法模型。如图1所示，具体包括以下步骤：
1)当输配方式为单气源供气时，赋值计算方法为：
在该条件下，存在两种具体的赋值计算模型，分别是固定赋值法和可变赋值法：
1.1)固定赋值方法适用于源站点单位发热量变化非常小的工况(气质数据变化率小于1％时)，为此建立了下游被赋值站点可直接使用源站点组分的方法。下游被赋值站点只需根据上游源站点情况，预先设置赋值间隔(小时、日、月、年)，然后进行平均值计算，直接使用源站点组分数据。
具体来讲，在计算组分均值时采用了两种计算方法，分别是时间算术平均法和流量加权平均法：d表示为组分，m表示在1～n之间的取值，n表示选取计算平均值的数目。
时间算数平均法计算公式：
式中，yd表示组分均值；yd,m(t)表示在不同时间测量得到的组分含量；
流量加权平均法计算公式:
式中，yd表示组分均值；yd,m(q)表示不同气源测量得到的组分含量；qm表示不同气源流量。
1.2)可变赋值法适用于被赋值的下游站点气质数据发生显著变化(气质数据变化率超过1％时为显著变化)的情况，此时被赋值站点气质组分数据随时间变化超过固定赋值的稳定区间范围。为此建立了气质数据随时间变化的函数关系，主要有两种关系，一种是根据经验由人工手动输入时间延时t，该方法适用于两站点管道敷设地理位置平稳的情况。另一种需要对两站点的实际管道路由线路进行分解，在本实施例中采用了自动计算延时t的方法。该自动计算延时t的方法建立了延时时间与站点路由线路参数的关系函数，主要涉及的输入参数包括上游源站点与下游被赋值站点管程高差和地形起伏对输气管输气能力的影响系数，将路由线路划分若干个直管，根据管道压力分布，得到各直管段的瞬时流量参数，再利用每个直管段的“管道内径参数”、“管道长度参数”、“平均密度参数”，统计每一直管段内流体的流动时间，进而得出整体的延迟时间t，根据整体的延迟时间t进行赋值：将A站在线分析设备获得的发热量曲线赋于未安装在线分析设备的B站，得到两站之间的气体流动时间差，则根据延迟时间t将A站的发热量曲线延后时间t，应用于B站即可。
自动计算延时t的方法如下：
气体在管道中流动可视为沿管道径向的一元流动,根据流体力学基本原理可建立气体流动相应的连续性方程、能量方程、运动方程和气体状态方程。
为了简化气体流动方程组，作如下的假设：
a.气体在管道中的流动过程为等温过程，即温度不变；
b.气体在管道中的流动为稳定流动，即气体的质量流量，在管道的任一截面上为常数即气体的质量流量不随时间也不随距离而改变。
根据以上的假设条件可得稳定流动时气体管流的基本方程为：
式中，p—压力，单位为Pa；ρ—气体密度，单位为kg/m3；λ—水力摩阻系数；x—管道的轴向长度，单位为m；D—管道内径，单位为m；v—管内气体流速，单位为m/s；g—重力加速度，单位为m/s2；s—高程，单位为m。
当地形高差小于200m时ds＝0，可得水平输气管道的质量流量M为：
对于长距离水平输气管道，上式中分母的第二项可忽略，其质量流量M可表示为：
转化后工程标准状态(标准压力P0＝1.01 325X 105pa，标准温度T0＝293.15k)下的体积流量Q为：
式中，
PQ—输气管计算段的起点压力，单位为Pa；PZ—输气管计算段的终点压力，单位为Pa；Z—天然气在管道输送条件下的压缩系数；△—天然气的相对密度；T—天然气的平均温度，单位为K；L—输气管道计算段的长度或压缩机站站间距，单位为m；R—热力学常数，8.314J·mol-1·K-1，Ra表示气体常数。
若采用国际单位制：T0＝273.15K，P0＝101.325x105Pa，Ra＝287.lm2/(S2·K)，则C0＝0.03840m2·s·k1/2/kg。对于输气管道计算公式的选择取决于气体在管道中的流态和水力摩阻系数，因此将不同的水力摩阻系数带入水平输气管道基本公式，就可以得到不同形式的输气管道计算公式。
当输气管线路上有高于或低于起点高程200m以上的地段时，就应该考虑高差和地形起伏对输气管输气能力的影响。这样的输气管可以看作是不同坡度的直管段连接而成任一坡度的直管段，若忽略气体流速增大的影响式子可以写为：
其中，
△s为直管段终点与起点的高程差，单位为m；l为直管段的长度，单位为m。
若第I根直管段，长为l，起点压力为PI，终点压力为PI+1，将公式整理积分：
得到：
每一段的起始点和终点就是线路上的地形起伏较大的特征点。特征点之间微小的起伏则予以忽略。长输气管道由N根管道组成。假设输气管起点压力为PQ，终点压力为PZ，经过整理和化简后可以得到质量流量为：
式中，sN表示相对起点的高度，单位为m；lI表示为第I段管道长度，单位为m。
在计算过程中，根据用户选择的步长ΔX将管道分为多个小的管段，根据起始端压力和终点的压力，可以计算得到每一个小段末端的压力值，最终计算得出整根管道的压力分布，从而得到各小段的流动速度，进而得到各小段上的流动时间，将整个管段上的流动时间沿管道长度积分，即可得到气体在两个计量站之间的总流动时间，使问题得到求解。
2)当输配方式为多气源供气时，赋值计算方法如下：
在多气源供气条件下，气源混合输入管网后下游计量站通常对组分或发热量的测量精度要求较低，在本实施例中建立了多气源混合情况下的组成计算方法。该方法以各气源的流量计量、组分分析数据为基础，利用物质守恒原理建立下游站点的组分预测计算模型，具体步骤为：
首先，需要输入混合气体各自的组成、体积流量、压力、温度等参数，对多个气源混合后的组成进行计算，得到正确的组成信息。
然后，计算得到密度、相对密度、压缩因子、单位发热量等物性参数，用于下游未安装组成分析设备站点的物性参数赋值。
最后，完成多气源混合气体物性参数计算后，接下来赋值方法同单气源条件。
具体来讲，以两个气源混合为例，如图2所示，两气源混输计算流程图。计算多气源混合情况下的组成需要输入的参数包括两种气体各自的组成、体积流量、压力、温度等。
对于用质量体积浓度表示的，可以直接使用质量体积浓度与流量相乘来进行计算：
式中，C3为混合气的质量百分比；C1为气源1的质量百分比；C2为气源2质量百分比；F3为混合气体积流量，单位为m3/s；F1为气源1体积流量，单位为m3/s；F2为气源2体积流量，单位为m3/s。
而对于给定的组成浓度为体积比时，首先应将体积比转化为质量比c：
式中，xi为指定组分的体积百分比；Mi为指定组分的摩尔质量，单位为kg/kmol；xj为组分j的体积百分比；Mj为组分j的摩尔质量，单位为kg/kmol；N为气体中体积百分比超过0.05％的组分个数。
通过上述公式计算获取各组分的质量百分比。同时，使用各组成的组成数据，按照GB/T 11062进行气体密度的计算，获得气体的密度d。在获取以上参数的情况下，结合两种初始气体的体积流量，可以计算混合气的各组分质量百分比。
式中，c1i为气源1中组分i质量百分比；c2i为气源2中组分i质量百分比；c1j为气源1中组分j质量百分比；c2j为气源2中组分j质量百分比；d1为按GB/T 11062计算的气源1密度，单位为kg/m3；d2为按GB/T 11062计算的气源2密度，单位为kg/m3。
在完成了混合气中各组分质量百分比的计算后，需要按照使用习惯，将质量百分比换算成为摩尔百分比：
式中，x为指定组分的体积百分比；ci为指定组分的质量百分比；Mi为指定组分的摩尔质量，kg/kmol；cj为组分j的质量百分比；Mj为组分j的摩尔质量，单位为kg/kmol。
通过上述的计算，最终可获取由气源1和气源2混合获得的气体组成数据。多气源的情况可以依次类推，计算得到最终混合气的组成。
如图3所示，本发明还提供一种天然气能量计量赋值核查系统，该系统是基于一种B/S架构的实时信息监管系统，其包括数据采集模块、系统数据库及综合信息分析发布平台。其中综合信息分析发布平台包括赋值模块、核查模块及用户权限管理模块。
数据采集模块通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量系统数据库；各站点实时生产数据包括各接入站点进口、出口的压力、温度、流量及组分数据。如进行核查，需采集被赋值站点的物性参数计算结果。
系统数据库用于存储接收的各站点的生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据。
赋值模块通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，计算得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，也为多气源混输用户提供气质预测，节省用户站点分析设备的额外投入，提供在线核查的比对数据。
核查模块适用于计量器具完备的计量站，通过上传计量站物性计算结果，与赋值模块计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能。
用户权限管理模块用于对用户身份进行标识，针对不同用户分别设置不同功能权限。
上述实施例中，数据采集模块可连接SCADA等有线实时系统，支持Modbus协议，TCP/IP等工业协议，进而实现实时生产数据的采集。而且，数据采集模块为无法实现有线通讯的站场提供4G/5G无线GPRS通讯接口，采集市面上某些气质数据无线传输设备的转换数据，周期性地将现场实时计量数据发送到天然气能量计量系统数据库，进行数据的存储、相关模块关联及网络发布，为集中统一管理发布与关联分析提供基础。
上述各实施例中，天然气能量计量系统数据库采用分布式分层的云存储模式。在本实施例中，必要时采用分布式计算框架将复杂的数据集分发给不同的节点去操作，每个节点会周期性的返回它所完成的工作和最新的状态。
综上，本发明涉及一种适合不同输气管网特征的天然气能量计量用气质数据的赋值、核查方法，以及整个过程的信息化监管系统。该方法为能量器具不完备的被赋值站点提供计量所需物性参数，为条件完备的计量站提供核查方法。在赋值过程中，分别针对单气源和多气源混输情况，选取典型管网敷设条件，建立固定和可变赋值详细计算方法。并在互联网云平台上融合此套方法建立监管系统，包括数据采集模块，将赋值站实时生产数据传输至系统数据库；系统数据库存储各站点数据及管网特征参数；赋值计算模块通过固定和可变赋值计算模型为被赋值站点提供组分数据或计算后的物性参数以供核查；整个系统平台的数据采集和计算模型经权威机构认证，符合计量系统性能评价要求，为集中监管计量站点提供一体化信息平台，节省能量计量转化实施成本，提供公开透明的市场化监管平台。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种天然气能量计量赋值核查方法，其特征在于包括以下步骤：
数据采集的步骤：通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量的系统数据库；
数据存储的步骤：系统数据库存储接收的各站点的生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据；
赋值的步骤：通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，计算得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，也为多气源混输用户提供气质预测，提供在线核查的比对数据；
核查的步骤：通过上传计量站物性计算结果，与赋值步骤中的赋值计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能；
对用户身份进行标识的步骤：针对不同用户分别设置不同功能权限；
所述赋值的步骤中，采用天然气能量计量用组分数据赋值方法，根据单位发热量的变化规律，在具备赋值条件的赋值源站和被赋值站点之间建立了天然气组分赋值传递的关系，并分别针对单气源、多气源混输这两种现存的输配方式，建立了传递关系的赋值计算方法模型；
当输配方式为单气源供气时，所述赋值计算方法采用两种具体的赋值计算模型：固定赋值法和可变赋值法；
所述可变赋值法适用于被赋值的下游站点气质数据发生显著变化的情况，此时被赋值站点气质组分数据随时间变化超过固定赋值的稳定区间范围；建立了气质数据随时间变化的函数关系，主要有两种关系，一种是根据经验由人工手动输入时间延时，该方法适用于两站点管道敷设地理位置平稳的情况；另一种需要对两站点的实际管道路由线路采用自动计算延时的方法进行分解，该自动计算延时的方法建立了延时时间与站点路由线路参数的关系函数，将路由线路划分若干个直管，根据管道压力分布，得到各直管段的瞬时流量参数，再利用每个直管段的“管道内径参数”、“管道长度参数”、“平均密度参数”，统计每一直管段内流体的流动时间，进而得出整体的延迟时间t，根据整体的延迟时间t进行赋值：将A站在线分析设备获得的发热量曲线赋于未安装在线分析设备的B站，得到两站之间的气体流动时间差，则根据延迟时间t将A站的发热量曲线延后时间t，应用于B站即可；
当输配方式为多气源供气时，赋值计算方法为：
首先，需要输入混合气体各自的组成、体积流量、压力、温度参数，对多个气源混合后的组成进行计算，得到正确的组成信息；
然后，计算得到密度、相对密度、压缩因子、单位发热量物性参数，用于下游未安装组成分析设备站点的物性参数赋值；
最后，完成多气源混合气体物性参数计算后，接下来赋值方法同单气源条件；
所述固定赋值方法适用于源站点单位发热量变化非常小的工况，建立了下游被赋值站点可直接使用源站点组分的方法，下游被赋值站点只需根据上游源站点情况，预先设置赋值间隔，然后进行平均值计算，直接使用源站点组分数据。
2.一种天然气能量计量赋值核查系统，其特征在于：包括数据采集模块、系统数据库及综合信息分析发布平台，所述综合信息分析发布平台包括赋值模块、核查模块及用户权限管理模块；
所述数据采集模块通过无线和/或有线通信方式将采集到的各站点实时生产数据传输至天然气能量计量系统数据库；
所述系统数据库用于存储接收的各站点的生产数据，为计算赋值、核查比对提供基础数据；
所述赋值模块通过对赋值站点和被赋值站点的关联性分析，提供固定赋值计算模型或可变赋值计算模型，计算得到赋值结果，向被赋值站点输送天然气组分参数，也为多气源混输用户提供气质预测，提供在线核查的比对数据；
所述核查模块通过上传计量站物性计算结果，与所述赋值模块计算结果比对，计算误差，根据误差结果在线评估计量器具的使用性能；
所述用户权限管理模块用于对用户身份进行标识。
3.如权利要求2所述系统，其特征在于：所述数据采集模块能连接SCADA有线实时系统，支持Modbus协议，TCP/IP工业协议，实现实时生产数据的采集。
4.如权利要求2所述系统，其特征在于：所述数据采集模块具有4G/5G无线GPRS通讯接口。
5.如权利要求2所述系统，其特征在于：所述系统数据库采用分布式分层的云存储模式。
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