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中国天然气计量技术及展望
发布时间:2020-8-31 08:40:18

摘要:天然气计量是国家、社会和经济发展的基础性工作,准确可靠的计量是促进我国天然气工业快速发展的重要保证。为此,分析了天然气计量的重要性及其特点,从计量技术标准体系、计量器具的应用技术、天然气贸易交接计量方式、量值溯源体系和计量管理方面对国内外天然气计量技术进行了对比分析,并对中国天然气流量计量技术的发展进行了总结和展望。研究结果表明:①天然气计量是量大、动态、可压缩介质的气体计量,计量结果由工况流量、组成、温度、压力等数据导出,每个基础数据都要被准确测量,才能保证计量结果的准确性;②我国已经建立了天然气计量技术体系,主要包括计量法律、法规,计量技术标准与规范,计量量值溯源技术,计量器具的应用技术,计量管理制度等;③随着我国天然气工业的高质量快速发展,我国天然气计量技术体系将持续完善并进一步与国际接轨,计量器具可靠性保证可能从强制检定转变为通过检定或校准均可的方式进行溯源,计量器具国产化进程会加快,天然气贸易计量方式将发生从体积计量转变为能量计量的重大改变。结论认为,我国建立的天然气计量技术体系基本满足了国家天然气大发展的需求,但仍需进一步提升和完善。
1. 天然气计量的重要性及其特点.
  “量”是客观事物及其运动的表现形式,确定的“量”是一切活动的前提和基础,天然气商品的价值也是通过天然气的“量”来体现的。计量是通过技术与法律手段,实现单位统一、量值准确可靠的活动。计量是国民经济发展重要的基础工作,是适应于生产、贸易、科学技术发展和国民经济建设需要,维护国家、人民的利益的重要保证。
  我国天然气工业按照产供储销协调发展的原则,整体推进天然气.上、中、下游业务快速发展,构建供应立足国内、进口来源多元、管网布局完善、储气调峰配套、用气结构合理、运行安全可靠的天然气产供储销体系。随着中亚、中缅及进口液化天然气的引入,中俄东线天然气管道的开通,国家天然气骨干管网基本形成,区域性天然气管网逐步完善,“西气东输、北气南下、海气登陆、就近外供”供气格局已经形成,干线互联互通工作正在全面开展"。天然气计量结果直接影响到天然气产供储销企业的生产经营活动。企业计量的科学性和先进性关系到企业的运行效率和经营效益。在天然气生产环节中,计量数据为油气田产量统计和生产调度组织提供基本依据;在天然气输送环节中,计量数据可监控输气管线运行状态,为输差分析提供基础数据;在天然气销售环节中,计量数据的准确性可有效保障企业的合法经济利益,实现天然气公平贸易、公正交接。只有通过准确、可靠的计量结果,我们才能得到我国每年巨大的天然气消费量、生产量、进口量等关键数据。如果没有准确、可靠的计量,天然气企业无法开展正常生产经营活动,社会经济秩序将发生混乱,天然气的生产、输送、贸易活动也不能正常进行。
天然气计量特点和难点如下:
1)天然气是易燃、易爆气体,天然气管道和计量站都处在压力状态,计量设备、设施、仪器符合安全标准,保证计量全过程安全是天然气计量的首要条件。
2)天然气计量是量大、流动、可压缩介质的动态气体计量,相较于静态、不可压缩的液体和固体计量,量值不易复现。
3)由于天然气属于多组分混合气体,组分的变化会引起相对密度、发热量、压缩因子、等熵指数、临界流函数等物性参数的变化,而这些参数直接参.与天然气流量计算,对计量结果有直接影响。
4)由于天然气的气体流态特征,流量计的上游管件和阻力件形式、前后直管段和整流器形式等安装条件和温度、压力、振动、脉动、电磁干扰等操作条件和环境条件均会对计量结果产生直接影响。
5)天然气流动过程中温度和压力都处于变化中,流量是由时间、组成、长度、温度、压力等数据导出,相比较单参数测量要求更高,每个基础数据都要准确测量,才能保证计量结果的准确。
  面对复杂的产供储销体系,天然气计量工作必须适应天然气工业的快速变化,才能够保证我国天然气业务的健康发展。
2国内外天然气计量技术对比分析
  天然气计量是压力状态下的大流量、动态、影响因素多且复杂条件下的不可复现的气体计量,须具备先进的技术体系和高效的管理才能实现准确、可靠的计量。天然气计量方式包括体积计量、质量计量和能量计量3种方式。国际天然气贸易和欧美日韩等工业发达国家广泛采用能量计量;我国按照苏联模式,与俄罗斯、中亚地区国家--样,仍以体积计量为主;天然气质量计量应用相对较少,主要针对压缩天然气计量。随着贸易全球化进程加快,消除国际间贸易技术壁垒,正当维护国家利益,实现多气源格局下天然气国际国内贸易的准确计量,是计量界业内人士的重要责任。
  我国天然气主要用户包括居民、商业、工业用户等对象。天然气利用领域分为城市燃气、工业燃料、天然气发电和天然气化工4大类。本文所指的天然气计量是以20℃、101.325kPa为标准参比条件,流量大于100m2/h,工作压力大于0.1MPa(表压)的天然气贸易计量。天然气计量是天然气生产、输送和销售等关键环节的重要工作,为了更好地满足国家天然气大发展需求,结合我国天然气工业的实际情况,.我国配套建立了以体积计量为基础的天然气计量技术体系,体系主要包括计量相关的法律、法规与管理制度,计量技术标准与规范,计量器具的应用与量值溯源技术等。随着国家对天然气工业加快发展要求越来越高,我国天然气计量技术体系也在不断建设、优化和发展中。笔者将从计量技术标准体系、计量器具应用技术、贸易交接计量方式、量值溯源技术、管理制度等方面,讨论如何保障天然气计量结果的准确可靠。
2.1计量技术标准体系
  先进、实用的计量技术标准体系是天然气工业发展的基础,先进标准的使用对推进天然气技术进步,加快中国天然气工业的生产、消费升级和推进天然气利用,提高经济社会发展水平,维护国家和人民的利益意义重大。在符合我国计量相关的法律、法规.与管理制度基础上,参考国际先进天然气计量技术标准体系,并结合我国实际情况,建立了基本适合我国天然气工业的天然气计量技术标准体系,保证了天然气的生产和贸易需求,我国天然气体积流量计量标准体系总体与国际接轨,部分达到国际先进水平,近年来我国积极参与并牵头制订天然气计量方面的国际标准,这对提升我国天然气大国地位和获取天然气国际贸易主动权具有重要意义,我国天然气计量主要技术标准及国外相关标准对比如表1所示。
  通过国内外标准的总体比较,我国天然气计量标准与国外先进标准基本一致,基本能满足我国天然气体积计量和能量计量的需求。其中GB/T18603一2014《天然气计量系统技术要求》是标准体系中的基础,标准规定了天然气计量站贸易计量系统的设计、建设、投产运行、维护方面的技术要求,对流量计量装置和发热量测量系统均提出了技术要求。该标准根据在标准参比条件下,按照设计100~1000m3/h、1000~10000m3/h、10000~100000m3/h和大于100000m2/h体积流量规模将天然气计量站计量系统分为4档,不同等级计量系统的对应准确度等级要求分别为A级、B级、C级,对应的能量计量结果的最大允许误差为1%、2%和3%四,计量站流量规模越大,对计量系统要求越高。表2为我国天然气不同等级的计量系统技术要求,我国的要求与国际法定计量组织OIMLR140:2007月]标准要求相同。中国作为天然气大国,若按照2018年2766×108m3的天然.气年消费量,0.5%的计量误差将产生14×108m3的输送差异,A级计量系统1%的允许误差,计量将可能产生28×108m3的差异,涉及金额数十亿,实际上我们还有大量的B级站和C级站,如果再加上天然气生产商到终端用户的若干贸易交接界面,计量差异会更大,对供销双方均有--定的财务风险。因此,如何进一步提高我国的天然气计量技术水平,还任重道远。


2.2计量器具的应用技术
  天然气计量需要多台套仪器设备的测量值综合计算导出,使用先进可靠的计量检测设备是获得计量结果准确的保证,流量计是天然气实现准确计量最为关键的设备,根据天然气流量计工作原理,主要包括以下几类:
1)容积式流量计:测量元件把流体连续不断地分割成单个已知体积的测量室,根据测量室逐次重复地充满和排空其腔室流体的次数来测量流体体积总量,如腰轮流量计、皮膜表等。.
2)差压式流量计:管道中流量检测元件产生的差压与管道的几何尺寸的相互关系来推算流量的,如孔板流量计、文丘里管等。
3)速度式流量计:基于与流体流速有关的各种物理现象测量管道内流体速度来测量流体流量,如涡轮流量计超声流量计旋进旋涡流量计等。
4)质量流量计:管道中流量检测元件产生的相位差或温度差与流体质量流量呈比例关系来测量流体的质量流量,如科里奥利质量流量计、热式质量流量计等。
  国内外目前使用的主要计量器具及特点如表3所示。20世纪80年代以孔板流量计为主,随着技术进步,准确度水平越来越高,量程越来越宽,可供选择的流量计种类也越来越多,应用较多的超声流量计、孔板流量计、涡轮流量计。超声流量计以其准确度高、量程比宽、压力损失小等特点在干线管网中使用越来越普遍。在流量计选型时,在应用流量计类型方面国内外相同,主要根据各种流量计的价格、准确度要求、适用流量和管径范围、天然气压力和压力损失要求温度和流动状态、天然气洁净程度要求、环境条件、检定要求等因素综合考虑选用合适的流.量计。高准确度流量计是实现天然气的准确计量重.要保障。随着我国制造业技术的不断进步,各类流量计我国都能够自主生产,也得到越来越广泛的应用,但在流量计的准确度和长期稳定性方面与国外先进水平还存在差距,目前,在A级计量站的流量计及其配套仪器主要还是进口设备(孔板流量计除外,国产孔板流量计已达到国际同类先进水平),在低级别计量站国产设备使用越来越广泛。

  天然气计量结果是由工作条件下的流量、组成、温度、压力等数据导出标准参比条件下(20C、101.325kPa)的体积、质量或能量流量,我国天然气计量基本采用体积流量计量方式。因此,除流量计外,温度传感器、压力和差压变送器,以及色谱仪、水露点检测仪、硫化氢检测仪等天然气组成分析仪表也必不可少。工作条件下的体积流量、温度、压力密度、压缩因子等测量参数在不同等级的计量系统配套仪表需要满足的准确度要求如表4所示,计量系统规模等级越大,准确度要求越高。

  另外,对于标况流量超过10×10m3/h的计量站,在体积流量测量方面,欧美发达国家常采用不同原理或相同原理不同厂家生产的流量计在同一管路进行一对一核查,即主流量计与核查流量计,两流量计示值的差值限由供销双方通过合同约定,通常情况下两流量计工况体积流量之差控制在0.2%,超过0.3%就预警需查找原因,两流量计之工况流量差不超过0.5%,贸易交接数据采用两台流量计示值的平均值作为结算依据[7]。我国在同一计量站同一管路采用两台流量计一对一核查的较少,多为供销双方各自建站进行计量总量核查,误差限不超过表4规定误差限,相对来说误差限较大。在气质分析方面,在进出口国际贸易计量站或重要计量站,常设置两台在线色谱仪分析结果的平均值计算发热量,或是1台在线色谱仪和1台累积取样器结合的方法,用在线色谱仪的组成分析数据进行贸易计量,累积取样
  离线气质分析数据进行确认,两种方法的发热量差值均控制在0.3%内,超过0.3%查找原因,但不能超过0.5%,双方在协议中协商确定,保障了色谱分析数据的准确性。我国色谱分析设备均为引进设备,取点样分析的较多,国内同一计量站安装两台在线色谱的很少,且多数在周期检定期间,计量器具性能核查频次少,出现问题不易及时发现。
2.3天然气贸易交接计量方式
  天然气是以甲烷为主的气体混合物,是一种能源商品,天然气的使用价值是提供能量,在商品贸易过程中应该体现其使用价值。天然气的计量方式国内外并不统一,我国天然气计量采用体积计量,通过测量工况条件下的体积流量值换算到标准参比条件下的体积量进行结算,体积计量体现了天然气单位时间内流过管道横截面的体积量的多少,但同样体积的天然气可能由于组成不一样,燃烧后产生的.热量就不一样。同样,质量计量只体现了天然气单位时间内流过管道横截面的质量,相同质量的天然.气由于组成不一样,燃烧后产生的热量也往往不一样。体积计量方式和质量计量方式均未体现优质优价原则。国外天然气计量交接方式经历了体积计量(或质量计量)和能量计量的不同发展阶段。天然气能量值由天然气的体积量乘以单位体积发热量得到,能量计量兼顾了天然气的组成和体积,虽然需要准确获得天然气的体积量和单位体积发热量两个量值,要求高于体积计量和质量计量,但能量计量更为科学合理地体现了天然气商品属性。因此更加合理。天然气能量流量计算如下:
E=V×Hs
  式中E表示一定时间内的能量流量,MJ;V表示一定时间内的体积流量或体积流量,m3/h或kg/h;Hs表示单位体积或摩尔质量的天然气完全燃烧,其中的水蒸气凝析到标准参比条件下的液态水释放出的发热量,MJ/m3或MJkg。
  目前我国LNG液化天然气进口和中缅管线国外段采用能量结算,国内中海油输香港支线和广东深圳LNG液化天然气独立管网采用能量结算,其他管线仅部分计量系统具备能量计量功能,但未进行能量结算。中国石油西南油气田公司在1997年初开始进行能量计量科研项目研究,2008年发布GB/T22723《天然气能量测定》标准[13],国家正在制订具体的能量实施管理办法。
  国外天然气能量测定方法可参考表5,对于配有在线色谱仪的A、B级计量站,可根据在线色谱分析的组成计算单位发热量,并与分析周期内的标准状态流量的乘积实时计算并累积。可采用取点样或累积样进行定期核查,确保单位发热量在合同约定的区间范围内。对于未配置在线色谱仪的B、C级计量站,可采用GB/T22723--2008的固定或可变赋值技术,也可采用加权平均或算数平均计算发热量4,并与双方约定时间内的标准状态流量的乘积计算能量。

2.4量值溯源体系
  天然气计量结果是通过计量器具测定工况条件下天然气实际流量并结合其他参数值计算得到,计量器具是指能用以直接或间接测出被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质。计量器具的准确性必须通过量值溯源进行保证,量值溯源是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链,使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准(通常是国家计量基准或国际计量基准)联系起来的特性。
  量值溯源的目的主要是通过检定/校准等方式,以保证被计量对象的量值准确一致。量值溯源和传递具有法制性、强制性和科学性。它是保证仪器仪表量值准确可靠的重要途径,是检验装备是否始终处于良好技术状态的重要手段,也是获取正确的、可信的科研试验数据的重要技术基础。国家石油天然气大流量计量站成都分站、南京分站和武汉分站共同构成完整的低、中和高压体积流量量值传递和溯源链(图1),通过这3条溯源链分别将原级标准量值传递至广州分站、乌鲁木齐分站、北京采育检定点、塔里木检定点、长庆检定点、武汉检定点。总体说来,天然气流量原级标准装置测量不确定度(U)水平达到0.05%~0.07%,与国外一流水平相当,工作级标准装置的能力和水平有待于提高(表6)。
2.5计量管理
  计量管理是对计量站中与操作人员、计量器具、数据和资料管理相关的管理制度。欧美国家对计量器具的管理与我国主要不同的地方在于贸易交接以供销双方合同协议确定流量计的校准周期、运行维护相关事项;而我国目前是强制检定为主,流量计按相关检定规程(表7)进行检定。
3中国天然气流量计量技术展望,
  随着国家加快发展天然气工业,我国正在加快进入天然气时代,为了满足中国天然气消费的强劲需求,我国天然气管网更加复杂,天然气管道输送压力和管径大幅增加,长输管径超过1200mm,管道设计压力最高达到12MPa,单台流量计工况流量超过10000m2/h,加之国家管网公司的呼之欲出,这些会对天然气计量工作的管理和技术提出新的更高要求。作为天然气工业基础的天然气计量技术在“十四五”期间乃至更长时间将得到进--步的发展和提升,预计主要从以下方面:
1)天然气贸易交接用计量器具将从检定向校准,现场计量注重流量计使用中检验、远程诊断、主流量计与核查流量计串联应用以及现场计量系统的性能评价等方向改变。

2)天然气实流检点站逐步增加,以满足天然气发展的需求。
3)国内外天然气计量标准装置的量值比对活动将会加强。2018年由中国计量科学院牵头启动了国家石油天然气大流量计量站成都分站、南京分站、武汉分站原级标准的量值比对活动,还将开展工作级标准比对,为国内天然气流量的量值统一.及参加国际关键比对,实现国际间实验室数据互认打下了坚实基础。
4)完善标准体系,积极主导国际标准制修订。积极承担和参与国际标准制修订,提升我国在天然气标准领域的国际影响力。如天然气贸易用流量计的选型指南、天然气计量性能评价研究、槽道式流量计测量天然气流量等国际标准的制订。
5)加强流量计量仪器、仪表的国产化。我国除.孔板流量计达到国际先进水平外,高准确度超声流量计、气相色谱仪等主要依赖进口。因此,必须大力发展此类仪表的国产化,提高仪器仪表的长期稳定性,达到国际先进水平。
6)体积计量将会向能量计量转变。2019年5月.24日,国家发展与改革委员会、国家能源局、住房城乡建设部门和市场监管部门联合发布“关于印发《油气管网设施公平开放监管办法》的通知(发改能源规[2019]916号),第十五条明确提出“以能量作为贸易结算依据,暂不具备热值计量条件的,应于本办法施行之日起24个月内实现热值计量”。
能量计量分阶段开展实施。第一阶段:选择代表性计量站点开展能量计量示范,完全模拟天然气的能量计量开展工作,根据示范点实施情况,不断改进完善;第二阶段:推广至进口管道气下游、进口LNG下游以及煤层气、煤制气的输送、销售、储存及贸易交接的地区公司。
4结论
1)计量是国家、社会和经济发展的基础性工作,准确可靠的计量是我国天然气工业快速发展的重要保证。在天然气生产中,计量数据为油气田产量统计和生产调度组织提供基本依据:输送中,计量数据可监控输气管网运行状态,为输差分析提供基础数据;销售中,计量数据的准确性可有效保障企业的合法经济利益。
2)通过参考国际先进技术,结合我国天然气工业实际情况,我国建立了天然气计量技术体系,主要包括计量法律、法规,计量技术标准与规范,计量器具的选择与应用,计量量值溯源技术,计量管理制度等。我国建立的天然气计量技术体系基本满足.了国家天然气大发展需求,维护了国家、人民的利益。
3)大力发展天然气,推进中国能源生产和消费升级是我国能源战略的重要方向。伴随我国天然气工业的高质量发展和天然气对外依存度越来越高,我国天然气计量技术和标准体系将进一步完善,并与国际接轨,计量器具可靠性保证可能从强制检定转变为通过检定或校准均可的方式进行溯源,计量器具国产化进程会加快,天然气贸易计量方式将发生从体积计量转为能量计量的重大改变。

 

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