賈曉林 黃楊挺 吳凱騏 徐 剛
中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041
作為全球第一大天然氣進(jìn)口國(guó)、第三大天然氣消費(fèi)國(guó),天然氣在中國(guó)能源體系中的地位舉足輕重。由于中國(guó)油氣干線“一張網(wǎng)”布局的初步形成,國(guó)內(nèi)天然氣管網(wǎng)建設(shè)正朝著逐步完善的方向發(fā)展[1-2]。隨著中亞、中緬、中俄、進(jìn)口LNG等新氣源的引進(jìn),國(guó)內(nèi)新氣田的不斷開發(fā)和非常規(guī)氣源的有效補(bǔ)充,傳統(tǒng)單一氣源長(zhǎng)期使用的局面已發(fā)生不可逆的改變[3-4]。氣質(zhì)條件的改變必然導(dǎo)致天然氣發(fā)熱量發(fā)生變化,為了更好地體現(xiàn)貿(mào)易優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)、公平公正的原則,計(jì)量改革應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),計(jì)量理念應(yīng)步入新的里程碑,在天然氣貿(mào)易交接計(jì)量中推行能量計(jì)量勢(shì)在必行。
國(guó)外大多數(shù)國(guó)家在天然氣計(jì)量方面已采用能量計(jì)價(jià)方式(美國(guó)、加拿大、西歐各國(guó)、中東及亞洲大多數(shù)國(guó)家),且已形成較成熟和完善的管理、運(yùn)行體系。目前僅中國(guó)、俄羅斯及部分東歐國(guó)家在天然氣貿(mào)易計(jì)量方面仍采用體積計(jì)量方式[5]。近年來,中國(guó)在能量計(jì)量領(lǐng)域開展了大量的研究工作[6-7],先后制定了GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》[8-9](以下簡(jiǎn)稱GB/T 18603—2014)、GB/T 22723—2008《天然氣能量的測(cè)定》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 22723—2008)[10]和Q/SY 1447—2011《輸氣管道計(jì)量導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱Q/SY 1447—2011)等標(biāo)準(zhǔn),對(duì)能量計(jì)量方式、能量測(cè)定方式提出了要求。但由于中國(guó)天然氣貿(mào)易計(jì)量以體積計(jì)量方式為主[11],能量計(jì)量處于有標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施狀態(tài)。2019年5月24日,中國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等四部委聯(lián)合發(fā)布《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》,明確規(guī)定了中國(guó)推行天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系的時(shí)間表(即通知發(fā)布之日起24個(gè)月內(nèi))。
本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā),通過對(duì)國(guó)內(nèi)外天然氣能量計(jì)量法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行調(diào)研,分析了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的適用性,同時(shí)針對(duì)中國(guó)開展天然氣能量計(jì)量存在的問題及現(xiàn)狀進(jìn)行分析,提出了國(guó)內(nèi)各站場(chǎng)天然氣能量計(jì)量改造中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題,為今后開展相應(yīng)設(shè)計(jì)工作提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
中國(guó)天然氣計(jì)量技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代,GB/T 18603—2014和GB 17820—2012《天然氣》等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的形成,豐富了中國(guó)天然氣貿(mào)易計(jì)量管理體系,為保證中國(guó)天然氣計(jì)量尤其是貿(mào)易交接計(jì)量中的公平公正、安全有效做出了重要貢獻(xiàn)。但由于天然氣管網(wǎng)基本上由中國(guó)石油、中國(guó)石化企業(yè)內(nèi)部建立和運(yùn)營(yíng),運(yùn)營(yíng)成本多為企業(yè)內(nèi)部核算,前期天然氣貿(mào)易計(jì)量均采用體積計(jì)量方式。隨著越來越多氣源引進(jìn)、新氣田不斷開發(fā),國(guó)家管網(wǎng)公司的成立,以及國(guó)際市場(chǎng)普遍以能量計(jì)量方式進(jìn)行天然氣貿(mào)易結(jié)算,傳統(tǒng)體積計(jì)量不能體現(xiàn)不同氣源之間的熱值差異[12],已不適應(yīng)目前綜合氣源。
1)根據(jù)調(diào)研高位發(fā)熱量結(jié)果,目前國(guó)內(nèi)天然氣的高位發(fā)熱量主要維持在33.23~44.92 MJ/m3之間,最小發(fā)熱量與最大發(fā)熱量之間相差達(dá)35%。氣體的高位發(fā)熱量在不同時(shí)期也可能存在較大差異[13-14],以中俄東線為例,其發(fā)熱量為36~38 MJ/m3,最小發(fā)熱量與最大發(fā)熱量之間相差可達(dá)5.6%。從公平公正角度出發(fā),在天然氣貿(mào)易交接計(jì)量中采用能量計(jì)量才能更準(zhǔn)確體現(xiàn)天然氣的實(shí)際價(jià)值。
2)隨著天然氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展,中國(guó)油氣干線“一張網(wǎng)”逐漸形成,各管網(wǎng)之間的天然氣相互調(diào)配日漸頻繁,為了不致于引起交易各方的經(jīng)濟(jì)糾紛[15-16],開展能量計(jì)量是維護(hù)公平、公正天然氣貿(mào)易交易的必要。
3)為滿足國(guó)家發(fā)改委提出的能量計(jì)量時(shí)間要求,完善中國(guó)天然氣能量計(jì)價(jià)體系的基礎(chǔ)就是對(duì)現(xiàn)有計(jì)量站場(chǎng)開展能量計(jì)量技術(shù)改造,達(dá)到能量計(jì)量的軟硬件條件。
基于上述內(nèi)容,實(shí)施能量計(jì)量是天然氣貿(mào)易交接計(jì)量發(fā)展的必然趨勢(shì),也是維護(hù)公平、公正天然氣貿(mào)易交易的必要條件。
2.1.1 體積計(jì)量
在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下以單位時(shí)間內(nèi)通過的氣體體積進(jìn)行計(jì)量。該方法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用非常成熟,且為目前國(guó)內(nèi)采用的最常用天然氣貿(mào)易計(jì)量交接方法,其準(zhǔn)確度主要取決于計(jì)量設(shè)備。
2.1.2 質(zhì)量計(jì)量
天然氣的體積受溫度、壓力、壓縮因子等諸多因素的影響,盡管采用多種溫度、壓力補(bǔ)償措施,仍對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度存在較大影響。因此,通過質(zhì)量流量?jī)x表直接測(cè)定天然氣質(zhì)量流量,其計(jì)量準(zhǔn)確度不受壓力、溫度、黏度、密度等影響。該方法準(zhǔn)確度高、量程比大、安裝簡(jiǎn)便;但壓損較大、信號(hào)控制與處理難度較大,且體積大、價(jià)格較高。
2.1.3 能量計(jì)量
GB/T 22723—2008中將天然氣能量測(cè)量分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量通過燃燒法,直接測(cè)定恒定流速的天然氣燃燒時(shí)所釋放的能量,該方法尚處于研究試用階段。目前,天然氣能量測(cè)量普遍采用的方法是以GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 11062—2014)為基礎(chǔ)開展的間接測(cè)量法,通過傳統(tǒng)方法分別獲得天然氣的體積流量(或質(zhì)量流量)和體積發(fā)熱量(或質(zhì)量發(fā)熱量),根據(jù)GB/T 11062—2014中天然氣能量計(jì)算公式獲得。
(1)
式中:E(tn)為天然氣的能量,MJ;e(t)為天然氣的能量流量,MJ/h;q(t)為天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積流量或質(zhì)量流量,m3/h或kg/h;H(t)為天然氣高位發(fā)熱量,MJ/m3或MJ/kg。
圍繞天然氣能量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展需求,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織、國(guó)際法制計(jì)量組織OIML相繼發(fā)布了一系列重要標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[17-20]:ISO 15112—2011 Natural Gas—Energy Determination、EN 1776—2015 Gas Infrastructure—Gas Measuring Systems-Functional Requirements、OIML R140—2007 Measuring Systems for Gaseous Fuel,規(guī)范了天然氣能量計(jì)量的技術(shù)要求。目前歐盟國(guó)家以EN 1776為主要標(biāo)準(zhǔn),美國(guó)以美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)(American Gas Association,AGA)5號(hào)報(bào)告AGA Report 5—2009 Natural Gas Energy Measurement為主要標(biāo)準(zhǔn)開展能量計(jì)量,其他國(guó)家主要以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO或歐美的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)開展相關(guān)工作。
20世紀(jì)末,中國(guó)石油各大研究機(jī)構(gòu)針對(duì)天然氣能量計(jì)量,開展了大量的基礎(chǔ)研究工作,取得了較大成果。2003年全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)成立“天然氣能量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)工作組”,2008年發(fā)布GB/T 22723—2008;同時(shí)根據(jù)國(guó)際接軌要求,制定了GB/T 18603—2014、Q/SY 1447—2011等。中國(guó)能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化體系與國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)情況見表1。

表1 中國(guó)能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化體系與國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)表
為了解國(guó)內(nèi)天然氣貿(mào)易交接計(jì)量現(xiàn)狀,以國(guó)家管網(wǎng)旗下5家管道公司為例進(jìn)行調(diào)研,共調(diào)研28個(gè)站場(chǎng),見表2。目前,國(guó)家管網(wǎng)旗下天然氣貿(mào)易交接普遍采用體積計(jì)量方式,管道沿線首站、轉(zhuǎn)供站、部分輸量較大分輸站等均已安裝在線氣相色譜分析儀,具備能量計(jì)量硬件改造條件。
目前,國(guó)內(nèi)各管道公司貿(mào)易計(jì)量站場(chǎng)氣相色譜分析儀的配置、應(yīng)用及安裝位置等存在以下問題:部分具有多氣源站場(chǎng)的氣相色譜分析儀安裝位置僅能測(cè)量不同氣體混合前的組分,無法測(cè)量混合后的氣體組分;部分氣相色譜分析儀運(yùn)行多年,無法正常工作,處于停用或故障狀態(tài);上游站場(chǎng)組分給下游站場(chǎng)進(jìn)行組分賦值的路由缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一方法;部分分輸量較大的站場(chǎng)未安裝分析色譜分析儀。
GB/T 18603—2014根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參比條件的設(shè)計(jì)能力,將天然氣計(jì)量站的計(jì)量系統(tǒng)分為四檔等級(jí),見表3。四檔等級(jí)分別為:100~1 000 m3/h、1 000~10 000 m3/h、10 000~100 000 m3/h 和>100 000 m3/h。同時(shí)將計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級(jí)劃分為A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)三檔。其中A級(jí)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)具備流量計(jì)核查比對(duì)功能,安裝在線氣相色譜分析儀測(cè)量在線發(fā)熱量與氣質(zhì);B級(jí)和C級(jí)計(jì)量系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量要求、工藝及場(chǎng)地條件,盡量使B級(jí)計(jì)量系統(tǒng)具備流量計(jì)核查比對(duì)功能,可采用離線色譜儀或發(fā)熱量賦值方法獲得氣體發(fā)熱量。

表3 不同設(shè)計(jì)能力計(jì)量系統(tǒng)分級(jí)和配置要求表
根據(jù)調(diào)研情況,中國(guó)計(jì)量站普遍以標(biāo)準(zhǔn)孔板、超聲或渦輪流量計(jì)作為天然氣貿(mào)易交接流量計(jì),具體工藝流程可分為三類[21-22]。
3.1.1 上游超聲+下游超聲
上游超聲+下游超聲流程見圖1,國(guó)內(nèi)天然氣貿(mào)易計(jì)量站自西氣東輸工程開始廣泛采用,充分結(jié)合了流量計(jì)檢定規(guī)程和國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站各分站檢定能力,滿足計(jì)量系統(tǒng)的基本功能,具備在線實(shí)時(shí)核查比對(duì)功能、并可選擇設(shè)置在線實(shí)時(shí)流量檢定或校準(zhǔn)接口。

圖1 上游超聲+下游超聲流程圖Fig.1 PFD of upstream ultrasound and downstreamultrasound flowmeter
3.1.2 上游超聲+下游孔板
當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量管路直管段長(zhǎng)度滿足兩套流量計(jì)串聯(lián)的要求,或者場(chǎng)地條件滿足串聯(lián)改造條件時(shí),采用上游超聲+下游孔板流程,見圖2。目前主要為中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司各貿(mào)易計(jì)量站采用。

圖2 上游超聲+下游孔板流程圖Fig.2 PFD of upstream ultrasound and downstreamorifice plate flowmeter
3.1.3 上游孔板+下游超聲
該類流程主要用于計(jì)量系統(tǒng)改造,將一備一用計(jì)量裝置中的其中一路孔板計(jì)量管路改為超聲計(jì)量管路,再將其上游與另一路孔板計(jì)量管路的下游串聯(lián),形成具備核查功能的上游孔板+下游超聲計(jì)量管路,見圖3。同時(shí),不影響現(xiàn)有流程輸氣功能。目前主要為中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司各天然氣貿(mào)易計(jì)量站采用。

圖3 上游孔板+下游超聲流程圖Fig.3 PFD of upstream orifice plate and downstreamultrasound flowmeter
3.2.1 貿(mào)易交接流量計(jì)的選擇
目前,國(guó)內(nèi)常用天然氣貿(mào)易交接計(jì)量的流量計(jì)主要包括:標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置、超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì),具體性能特性參數(shù)見表4。

表4 三種貿(mào)易交接流量計(jì)性能特性參數(shù)表
由表4可見,三種流量計(jì)性能指標(biāo)均滿足GB/T 18603—2014對(duì)于A級(jí)、B級(jí)計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量?jī)x表準(zhǔn)確度的要求,但從適用范圍、維護(hù)工作量、核算貿(mào)易輸差、使用情況等方面分析,渦輪流量計(jì)適用于小口徑、小流量場(chǎng)合,且對(duì)介質(zhì)潔凈度要求較高,操作流程相對(duì)復(fù)雜。超聲波流量計(jì)作為新型智能型儀表,已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外天然氣貿(mào)易交接計(jì)量場(chǎng)所廣泛應(yīng)用,除量程比大、無壓損和雙相測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)外,最大優(yōu)勢(shì)在于計(jì)量精度較高,重復(fù)性好,可以作為核查流量計(jì)使用。標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置已在國(guó)內(nèi)外廣泛采用,對(duì)于計(jì)量的穩(wěn)定性以及日常計(jì)量管理、維護(hù)等方面保證,且不需要進(jìn)行實(shí)流檢定及校準(zhǔn)。
3.2.2 核查流量計(jì)的選擇
GB/T 18603—2014要求A級(jí)計(jì)量系統(tǒng)需具備流量計(jì)核查比對(duì)功能,核查流量計(jì)通常與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)串聯(lián),通過二者計(jì)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、比對(duì),以判斷標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)工作的可靠性。為避免同一物理因素的影響標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)與核查流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確性,通常核查流量計(jì)的類型及原理應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)不同。
目前,超聲波流量計(jì)已在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道廣泛使用,西氣東輸一線、二線和三線,忠武線,陜京一線和二線,中貴線,中緬線等大型輸氣管道上都采用超聲波流量計(jì)作為貿(mào)易結(jié)算用表。在不受噪音干擾的情況下,超聲波流量計(jì)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性,從原理上可作為核查流量計(jì)。
3.2.3 物性參數(shù)測(cè)量?jī)x表的選擇
天然氣物性參數(shù)的獲取,主要包括:在線氣相色譜分析法[23]、實(shí)驗(yàn)室(離線)色譜分析法和賦值計(jì)算法[24-25]等三種方法。根據(jù)三種方法特點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)天然氣貿(mào)易計(jì)量站物性參數(shù)儀表配置建議如下。
1)在線氣相色譜分析法具有實(shí)時(shí)性、有效性的優(yōu)點(diǎn),能直接獲取介質(zhì)組分,并通過計(jì)算實(shí)時(shí)獲取相關(guān)物性參數(shù),但成本相對(duì)較高,因此建議在氣源復(fù)雜、組分變化大和測(cè)量要求高的站場(chǎng)采用。
2)實(shí)驗(yàn)室(離線)色譜分析法需人工分析計(jì)算,成本相對(duì)較低,但缺乏實(shí)時(shí)性,適用于氣源單一,氣質(zhì)組分變化不大的站場(chǎng)。
3)賦值計(jì)算法無需其他設(shè)備,直接利用上游站場(chǎng)的物性參數(shù)進(jìn)行能量計(jì)量,僅適用于單一氣源,且上游具備在線組分分析能力的站場(chǎng)。
3.2.4 流量積算設(shè)備的選擇
天然氣標(biāo)準(zhǔn)流量通常由工況流量與多個(gè)物性參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算,并經(jīng)時(shí)間累積獲得。獲得方法包括:一是站控計(jì)算機(jī)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)算法編制的流量計(jì)算軟件;二是專業(yè)流量計(jì)算機(jī)。目前,國(guó)內(nèi)外天然氣貿(mào)易計(jì)量中,兩種方式均有使用,具體對(duì)比見表5。

表5 流量積算方法對(duì)比表
由表5可見,考慮到流量計(jì)作為智能儀表,可根據(jù)相關(guān)采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)備自診斷,建議對(duì)所有流量計(jì)配置專用流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行累積計(jì)算,同時(shí)借鑒天然氣貿(mào)易交接站場(chǎng)通用做法,針對(duì)多個(gè)流路考慮熱備流量計(jì)算機(jī)以確保計(jì)量安全性,避免因單個(gè)流量計(jì)算機(jī)故障而影響多個(gè)用戶的貿(mào)易交接計(jì)量。
3.2.5 其他配套儀表的選擇
1)溫度、壓力、差壓測(cè)量?jī)x表可選用智能變送器,其不確定度應(yīng)滿足GB/T 18603—2014計(jì)量系統(tǒng)配套儀表準(zhǔn)確度要求。
2)為滿足供需雙方對(duì)氣體質(zhì)量的貿(mào)易交接要求,可按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置水露點(diǎn)分析儀、烴露點(diǎn)分析儀、H2S(總硫)分析儀。
根據(jù)國(guó)內(nèi)天然氣貿(mào)易計(jì)量站場(chǎng)氣相色譜分析儀配置情況,開展能量計(jì)量改造時(shí),需對(duì)現(xiàn)有站場(chǎng)全線氣相色譜分析儀、流量計(jì)算機(jī)、站控系統(tǒng)及管道調(diào)度中心進(jìn)行優(yōu)化和改造。根據(jù)輸氣管道站場(chǎng)的間距和氣源位置進(jìn)行新增、更換氣相色譜分析儀,使現(xiàn)有站場(chǎng)具備能量計(jì)量功能。同時(shí)對(duì)專業(yè)流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行改造,使其具備能量計(jì)量數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示和輸出功能,對(duì)站場(chǎng)控制系統(tǒng)、管道調(diào)度中心站控系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造,增加能量計(jì)量畫面和數(shù)據(jù)顯示,用于能量計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)測(cè)和管理。
氣相色譜分析儀取樣接口應(yīng)安裝在站內(nèi)計(jì)量系統(tǒng)的入口、進(jìn)站管線或出站管線處,同時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)前氣源注入、正輸和反輸?shù)裙r需求。在輸氣管道首站、新氣源接入計(jì)量站、分輸量接近或超過10×104Nm3/h的計(jì)量站,供需雙方在合同中約定需要設(shè)置的計(jì)量站,建議設(shè)置在線氣相色譜分析儀。
1)目前,國(guó)內(nèi)天然氣能量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)已成熟,通過選擇合理站場(chǎng)進(jìn)行氣相色譜分析儀及流量計(jì)算機(jī)配置,即可實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量功能,實(shí)現(xiàn)天然氣貿(mào)易交接計(jì)量的公平性。
2)由于能量計(jì)量改造涉及的站場(chǎng)多、地域跨度大,建議按區(qū)域進(jìn)行集中改造、合理安排改造計(jì)劃,盡量減少對(duì)輸氣以及對(duì)下游用戶的影響。
3)考慮到天然氣管網(wǎng)的復(fù)雜性及在線氣相色譜分析儀配置情況,短期內(nèi)很難準(zhǔn)確計(jì)算出整個(gè)天然氣管網(wǎng)能量值,建議天然氣管網(wǎng)的內(nèi)部運(yùn)行、輸送損耗核算等仍采用體積計(jì)量方式。
4)建議進(jìn)一步對(duì)天然氣組分賦值計(jì)算方法、原則等進(jìn)行研究,獲得適用于中國(guó)國(guó)情的組分、發(fā)熱量賦值方法。