液化天然氣貿易交接計量分析

吳丹 時晟楠 羅再揚（大慶油田設計院有限公司）

液化天然氣（以下簡稱LNG）是一種戰略天然氣，在長距離輸送的情況下，更經濟地替代管道天然氣。事實上，在過去的幾十年里，無論是管道天然氣還是液化天然氣的運輸，全球市場都在增長。預測到2050 年，液化天然氣貿易與其他能源類別相比將有更快的增長。中國自2006 年開始進口LNG，現在已經成為全球最大的LNG 進口國，國內LNG 接收站項目也呈現飛速發展趨勢，已建成了深圳大鵬、福建、大連、天津、江蘇等20 余處LNG接收站，且有更多的接收站項目正在建設或籌備。

LNG 在管道內運輸過程中容易氣化造成計量誤差，因此不能使用簡單的體積法來計量，目前國際上多采用能量計量作為結算方式，計算天然氣組分中能產生能量的組分在標準參比條件下的能量[1]。LNG 在不同工況、不同結算方式下都會引起計量誤差，通過探討LNG 貿易交接計量的現狀，分析引起計量誤差的主要因素，并針對LNG 動態計量存在的問題進行研究，研究結論對國內LNG 貿易交接計量的發展具有重要意義。

1 LNG 國際貿易計量

國際上船舶運來的LNG 通常以液體形式在LNG接收站進行到岸貿易計量，船舶提供的艙容表作為交接憑據，體積計量的不確定度估算值和實際操作值存在差異[2]。通過LNG 船貿易交接計量系統計量卸貨總體積、返艙天然氣體積、壓力值、溫度值、單位熱值和密度值，計算出卸貨的LNG 總能量。LNG 完成接收后，一部分氣化后通過流量計動態計量進入管網，另一部分通過低溫流量計動態計量或汽車衡計量后用汽車、船舶運輸給下游用戶。

1.1 LNG 船艙計量

LNG 船艙計量與原油靜態計量類似，通過測量儲罐的液位等參數來計算其體積，再用密度來計算質量。使用LNG 船上的貿易交接系統對貿易交接開始和結束時船艙的液位、溫度、壓力進行測量，作為結算的基礎數據。貿易交接前，要保持儲罐的蒸氣壓力一致，輸送管線無論是裝載還是卸載，都應達到相同的體積條件[3]。

通過液位計測量液位，液位計的安裝位置應不受LNG 波動影響，其基準點下限要滿足在裝載前或卸載后可以對儲罐的液位進行測量。首先，分別用貿易交接系統對卸載前和卸載后的液位連續讀取5次，每次間隔15 s，取算術平均值作為船艙的液位。其次，對平均值進行修正后再進行體積值換算。最后，卸載前和卸載后體積差即為交接LNG 的體積。其中，對液位平均值修正值的影響因素包括液位計的精確度、船艙溫度測量系統、船艙壓力測量系統[4]。

船艙溫度測量系統，至少有5 個溫度傳感器用于測定LNG 的液相和氣相溫度。LNG 儲罐內外存在溫差，為了確定其溫度參數，需對船艙內每個LNG儲罐內的溫度測量裝置的數據讀取一次，取其算數平均值。船艙壓力測量系統，測量船上儲罐中蒸氣壓力，每個儲罐應配備一個壓力計或壓力變送器與壓力計的組合裝置，同樣計算平均值作為船艙儲罐LNG 壓力數據依據。

1.2 取樣分析

取樣分析是能量計量中最重要的環節。在岸上設置LNG 取樣分析系統，卸載過程中連續采集LNG氣化后的天然氣作為樣品，通過氣相色譜分析儀分析天然氣組分，根據組分分析結果計算樣品的密度和單位質量熱值，再結合船上體積計量，得出LNG總熱值。通過來自LNG 接收站內的返回天然氣的組分，來計算返船天然氣的總能量，最終LNG 到港熱值為兩者之差[5]。

但是，LNG 屬于超低溫的液體混合物，溫度和壓力變化都會引起LNG 氣化，LNG 取樣結果就會受到影響。為了確保取樣參數滿足性能要求，應將裝置的取樣探頭安裝在LNG 主管線的上部，保持與主管線的軸心線垂直，選取管道中心作為探頭插入最佳位置。

1.3 能量計算

根據貿易交接過程中兩次船艙計量的數據，以及具有代表性樣品的色譜分析數據，結合貿易雙方約定的標準（例如：ISO6578），可以計算出LNG 的液態密度、單位熱值、卸載能量以及卸載質量等數據[6]。至此，一次完整的LNG 貿易計量基本上完成，所得數據可用作貿易結算的依據。船艙計量計算方法為：

式中：Q為總熱值，MJ；V1iq為LNG 液體體積，m3；Hs,m是LNG 的質量總熱值，MJ/kg；Ts是標準參考溫度，288.15 K；Tvap是儲罐氣相空間溫度，K；Pvap為儲罐氣相空間壓力，kPa；Ps是標準參考壓力，101.325 kPa；Hs,vol是氣體體積熱值，MJ/m3。

2 LNG 國內貿易計量

LNG 的國內貿易沒有統一的計量體系支撐，通常都是按照LNG 質量進行貿易結算，組分分析也只作為買方核查產品質量的依據。LNG 在國內的貿易計量形式包括槽車外運形式、LNG 汽車加注站形式以及氣化后外輸的形式。

2.1 LNG 槽車外運計量

LNG 槽車加注計量，利用槽車稱重計量LNG 的加注量進行結算。槽車加注前后在同一地秤上稱量的質量差為LNG 的加注量。要實現LNG 槽車能量計量，就需要在進入槽車充裝管線的總管處，增設在線色譜分析儀，通過實時分析LNG 組分，根據標準規范計算出質量熱值，即可算出每車重量所對應的能量[7]。計算方法為：

式中：Hmi為組分i的質量熱值，MJ/kg；m為槽車裝車質量，kg；xi為組分i的摩爾分數，%；Mi為組分i的摩爾質量，kg/mol。

LNG 槽車自重約為30 t 左右，每次加注量約為24 t，兩者量級一致，由于地秤使用環境條件較差，這將導致LNG 加注量的準確度大大降低。目前，為了提高槽車加注計量準確度，已經開展了流量計替代地秤計量的相關研究。

2.2 LNG 汽車加注站計量

LNG 汽車加注站目前使用的LNG 汽車加注機內的流量計多數為科里奧利質量流量計。由于加注過程導致車輛儲罐內壓力升高，會有部分氣體通過氣體返回管線回到汽車加注站內的儲罐中，所以LNG加注量等于液相來液管線與氣相返回管線的兩個質量流量計計量之差。流量計在使用過程中，要保持較高的穩定性，避免不必要的振動，以保持計量準確性。同樣，要實現LNG 汽車加注能量計量，也需要增設在線色譜分析儀，完成LNG 組分分析。

2.3 LNG 氣化后外輸計量

LNG 氣化后計量與天然氣相同，采用氣體流量計測量體積流量，應用最普遍的流量計為超聲波流量計。通過色譜分析儀分析的組分來計算LNG 氣化后的總熱值。計算公式[8]為：

式中：為組分i的體積熱值，MJ/m3；Zmix為LNG 輸送在計量參比條件下的壓縮因子；VNG為天然氣的體積，m3。

以上三種形式的LNG 國內貿易計量對比見表1所示。

表1 LNG 國內貿易計量形式Tab.1 Measurement form of LNG domestic trade

綜上所述，LNG 國內外貿易計量大多數采用靜態計量，LNG 計量用流量計類型主要是超聲流量計和質量流量計。在貿易結算方式上存在差異，國外按照能量計量方式結算，國內依據質量進行貿易結算，沒有統一的計量體系。隨著LNG 動態計量技術的發展，對未來完善LNG 貿易交接計量體系具有重要意義。

3 LNG 動態計量現狀

3.1 流量計計量性能影響因素分析

國際上，LNG 貿易都是采用長期銷售合同，其計量的主要方式是基于LNG 運輸船艙液位測量進而轉換成體積測量的靜態計量；而LNG 動態計量技術近年來發展快速，已經在現貨交易、船－船貿易交接中應用。目前應用于LNG 這種超低溫、低潤滑性、高雷諾數液體的過程計量儀表有超聲波流量計和科里奧利質量流量計。下面分別對兩種流量計在LNG 計量應用中影響計量準確度的影響因素進行分析。通過對某公司超聲流量計進行檢測分析，得到的示值誤差曲線如圖1 所示。

圖1 某公司超聲流量計示值誤差曲線Fig.1 Indicating value error curve of ultrasonic flowmeters for a company

從圖1 看出，7 月超聲流量計示值誤差接近超差，查找原因是LNG 介質臟污造成探頭臟污而致流量超差。根據研究分析，可以通過對超聲流量計的安裝細節進行改進，如將超聲換能器安裝在傾斜45 度角的方向上面，就會避免臟污堆積，減小計量誤差。另外環境噪聲、信號衰減、介質密度不均勻等，都會造成超聲流量計計量誤差。

科里奧利質量流量計是通過測量科里奧利力來直接測量質量流量的方法，可直接測得LNG 的交接質量。在LNG 計量過程中影響質量流量計計量準確度的因素[9]如表2 所示。

表2 質量流量計計量準確度的影響因素Tab.2 Factors influencing the measurement accuracy of mass flowmeter

通過以上分析，超聲流量計和質量流量計都存在安裝因素影響計量準確度的問題，因此，在提升流量計自身計量性能的同時，也要從安裝等外界條件方面入手，降低對LNG 流量計量的影響，此項工作對于未來LNG 動態計量發展具有重要意義。

3.2 流量計檢定方法現狀

貿易交接用質量流量計和超聲流量計均是通過液體流量標準裝置進行檢定，量值最終溯源到相應的國家基準。目前，液體流量計通常使用水作為介質進行檢定，水和LNG 的物性差別較大，對流量計檢定結果存在一定影響，從而會降低動態計量的準確性。

在國外，一方面LNG 超聲流量計大多采用激光多普勒的方式進行量值核查，保障流量計的準確性，但該方式不符合我國國家液體流量計量器具檢定系統表的規定，無法完成量值溯源；另一方面各國也在積極開發LNG 實流檢定裝置，具體內容如表3 所示。

表3 LNG 實流檢定裝置現狀對比Tab.3 Comparison of current status for LNG real flow calibration equipment

雖然質量流量計和超聲波流量計用于液體計量的工業標準已經發布多年，但是并沒有專門的標準適用于低溫烴類計量，也沒有工業普遍認可的、有相應標準支持的流量計檢定方法[10]。到目前為止，開發的LNG 實流檢定裝置均作為實驗測試應用，對溫度和壓力、密度變化補償、檢定裝置容積、天然氣氣化等影響因素問題尚未解決。所以，LNG 計量用流量計檢定方法還需要針對以上問題進行研究，保證流量計溯源的準確性。

4 結束語

針對目前液化天然氣貿易交接計量的現狀，從LNG 國際貿易計量、LNG 國內貿易計量和LNG 動態計量三方面進行了探討，得出如下結論：

1）LNG 動態計量用流量計類型包括質量流量計和液體超聲流量計，除了自身計量性能需要提升以外，安裝等外界條件也是影響LNG 動態計量準確性的重要因素。

2）LNG 動態計量的應用受LNG 流量計檢定方法制約的同時，還受溫度和壓力、密度變化補償、檢定裝置容積、天然氣氣化等因素影響。

3）開展LNG 動態計量用流量計以及檢定方法的研究，研發LNG 在線實流檢定裝置，應用于貿易交接計量，對未來國內LNG 貿易交接計量采用能量計量方式結算，完善計量體系，將會發揮出重要作用。