天然氣發(fā)熱量直接測(cè)量及賦值技術(shù)

李 克 潘春鋒 張 宇 曾文平 韓 慧

（1．中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院）

（2．中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）（3．中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司）

1 實(shí)施天然氣能量計(jì)量的必要性

近年來，隨著我國(guó)對(duì)能源需求的高速增長(zhǎng)，天然氣工業(yè)發(fā)展迅猛，國(guó)際、國(guó)內(nèi)貿(mào)易量逐年上升。據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)公布的數(shù)據(jù)，2012年中國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量為1 471×108m3，進(jìn)口管道氣和LNG為425×108m3，占2012年天然氣消費(fèi)量的29%。頁(yè)巖氣、煤層氣和煤制氣等多品種氣源已進(jìn)入或即將進(jìn)入天然氣管網(wǎng)，我國(guó)天然氣氣質(zhì)復(fù)雜化的輸送和市場(chǎng)格局已經(jīng)形成。氣源不同導(dǎo)致進(jìn)入管網(wǎng)的天然氣發(fā)熱量等氣體質(zhì)量必然存在差異，目前國(guó)內(nèi)各類天然氣氣源中，煤層氣的體積發(fā)熱量最小值為34 MJ／m3，進(jìn)口LNG體積發(fā)熱量區(qū)間為38～43MJ／m3，最大差異達(dá)到26%。當(dāng)天然氣年銷售量達(dá)到1 500×108m3，平均門站供氣價(jià)格達(dá)到2．30元／m3時(shí)，熱值相差5%，就意味著170億元以上的經(jīng)濟(jì)價(jià)值差額［1］。因此，從國(guó)內(nèi)氣源氣質(zhì)復(fù)雜化的現(xiàn)實(shí)和與國(guó)際接軌的需要出發(fā)，天然氣貿(mào)易按能量進(jìn)行計(jì)量和結(jié)算的要求是非常迫切的。

2 能量計(jì)量研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)天然氣貿(mào)易交接普遍采用體積計(jì)量方式。在中土進(jìn)口天然氣項(xiàng)目中，與土庫(kù)曼斯坦簽訂的商務(wù)技術(shù)協(xié)議規(guī)定天然氣按體積流量進(jìn)行貿(mào)易交接，同時(shí)規(guī)定了發(fā)熱量必須達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)發(fā)熱量低于某個(gè)值時(shí)，則會(huì)在經(jīng)濟(jì)上給予一定的補(bǔ)償。天然氣貿(mào)易交接從體積計(jì)量到能量計(jì)量的轉(zhuǎn)變涉及諸多復(fù)雜的問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了廣泛深入的探討。周志斌等［2］概述了國(guó)外天然氣能量計(jì)量進(jìn)展情況，對(duì)國(guó)外天然氣能量計(jì)價(jià)方式和能量?jī)r(jià)格現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納與分析；張偉和周進(jìn)生［3］論述了天然氣實(shí)施能量計(jì)量的經(jīng)濟(jì)必然性和技術(shù)可行性；黃維和、羅勤等［4］分析了中國(guó)天然氣能量計(jì)量體系在天然氣能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系、能量計(jì)量相關(guān)設(shè)備的配置和性能評(píng)價(jià)、體積流量和發(fā)熱量量值溯源鏈、標(biāo)準(zhǔn)參比條件和結(jié)算單位等方面的現(xiàn)狀；陳賡良［5－6］介紹了天然氣能量計(jì)量的相關(guān)法制問題以及分析測(cè)試的溯源性準(zhǔn)則；韓玲莉和張福元［7］介紹了天然氣能量計(jì)量的不確定度評(píng)定方法；李勁松、溫家明［8］介紹了中海油崖城13－1氣田的能量計(jì)量交易模式和分配計(jì)量方法。

根據(jù)GB／T 22723－2008《天然氣能量的測(cè)定》和天然氣能量測(cè)定的基本準(zhǔn)則要求，發(fā)熱量直接測(cè)量方法是溯源的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)全面能量計(jì)量非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。發(fā)熱量賦值方法是標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的發(fā)熱量獲取方式中重要的一項(xiàng)，在德國(guó)的能量計(jì)量實(shí)踐中，考慮到經(jīng)濟(jì)性和必要性等因素，在1 600個(gè)計(jì)量用戶、50余個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)中僅有400多個(gè)安裝有在線氣相色譜儀，其他交接點(diǎn)均依靠賦值實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量。因此，本文就國(guó)內(nèi)學(xué)者較少提及的發(fā)熱量直接測(cè)量和賦值方法做簡(jiǎn)要介紹。

3 發(fā)熱量直接測(cè)量

天然氣能量的溯源包括直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分，如圖1所示。法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家擁有不確定度≤±0．1%、準(zhǔn)確度等級(jí)為0級(jí)的發(fā)熱量直接測(cè)定技術(shù)和裝置，正在向0．05%的不確定度水平發(fā)展。溯源鏈的4個(gè)等級(jí)為：0級(jí)，不確定度0．10%，測(cè)定精度 ±0．04MJ／m3，實(shí)驗(yàn)室用基準(zhǔn)儀器，主要用于間歇測(cè)定；1級(jí)，不確定度0．25%，測(cè)定精度 ±0．1MJ／m3，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)定用的最高等級(jí)；2級(jí)，不確定度0．50%，測(cè)定精度 ±0．2MJ／m3，一般現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)定用；3級(jí)，不確定度1．0%，測(cè)定精度±0．5MJ／m3，一般現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)定用。

目前，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院保存的水流式熱量計(jì)，不確定度水平≤1．0%（純甲烷），僅相當(dāng)于ISO 15971－2008《天然氣：參數(shù)測(cè)量、發(fā)熱量和沃泊指數(shù)》中規(guī)定的3級(jí)水平，不能滿足GB／T 18603－2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》中A級(jí)站規(guī)定的發(fā)熱量測(cè)定不確定度≤0．5%的要求。在全國(guó)范圍內(nèi)推行天然氣能量計(jì)量，在大貿(mào)易量的情況下，完備的溯源體系是建立貿(mào)易各方爭(zhēng)議協(xié)議與仲裁機(jī)制的基礎(chǔ)。因此，國(guó)內(nèi)應(yīng)具備完善的天然氣發(fā)熱量測(cè)定量值量傳體系，保存發(fā)熱量直接測(cè)定一級(jí)和基準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，保證量傳和溯源功能的相對(duì)權(quán)威性和獨(dú)立性。

3．1 測(cè)定原理

燃燒法測(cè)定天然氣發(fā)熱量的基本原理是：將一定量的天然氣配以適量空氣后完全燃燒，再利用不同的方式來測(cè)定其釋放出的熱量，測(cè)定方法可分為直接式和間接式兩大類。直接式測(cè)量方法是利用另一種介質(zhì)（如水或空氣）與燃燒后的煙氣換熱，再測(cè)定換熱介質(zhì)的溫升來確定天然氣的發(fā)熱量，這種測(cè)量方法是國(guó)際公認(rèn)的基本測(cè)量方法，但只適用于間歇測(cè)定。間接測(cè)量方法是間接測(cè)定天然氣燃燒過程的某種物理化學(xué)特性，再利用此特性與發(fā)熱量的線性關(guān)系來確定發(fā)熱量。工業(yè)上使用的是利用當(dāng)量燃燒原理的儀器，可用于在線測(cè)定。

3．2 GERG標(biāo)準(zhǔn)熱量計(jì)

GERG （Groupe Européen de Recherches Gazières，歐洲氣體研究組織）2002年立項(xiàng)在德國(guó)PTB（Physikalisch－Technische Bundesanstalt，德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）建立一套新的直接測(cè)量式標(biāo)準(zhǔn)熱量計(jì)用于確定純組分氣和混合氣的高位發(fā)熱量。該裝置的測(cè)量技術(shù)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局Frederick D．Rossini研制，并在歐洲廣泛采用，是ISO 15971－2008推薦的0級(jí)基準(zhǔn)裝置。

研究［9］表明，基于 Rossini（羅西尼）測(cè)量原理的裝置的不確定度可以達(dá)到0．05%（k＝2）的不確定度水平。由這套裝置測(cè)得的純甲烷氣體的摩爾發(fā)熱量為890．578kJ／mol，與ISO 6976－1995《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》中給出的890．63kJ／mol非常接近。

標(biāo)準(zhǔn)熱量計(jì)的工作原理是通過模擬燃燒的熱釋放過程，采用等效的電阻式加熱校準(zhǔn)，當(dāng)燃燒過程釋放的熱量與電阻絲加熱時(shí)釋放的熱量使得吸熱介質(zhì)（水）溫度變化以及熱釋放過程基本一致時(shí)，這就可以通過已知的校準(zhǔn)用電熱量計(jì)算得到氣體的發(fā)熱量。如圖2所示，理想的熱量計(jì)與環(huán)境之間應(yīng)有良好的隔熱處理，這樣才能保證測(cè)得的溫度變化只與燃燒反應(yīng)釋放的熱量相關(guān)。高位發(fā)熱量通過式（1）計(jì)算：

式中：HS為高位發(fā)熱量，MJ／m3；ccomb為熱量計(jì)的熱容，J／K；ΔTad．comb為氣體燃燒后造成的溫度升高值，K；mgas為氣體質(zhì)量，kg；K 為校正系數(shù)。

3．3 我國(guó)發(fā)熱量直接測(cè)量裝置發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院目前正在建設(shè)一套1級(jí)發(fā)熱量直接測(cè)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Cutler－Hammer發(fā)熱量測(cè)定技術(shù)，用燃燒法直接測(cè)定天然氣發(fā)熱量，氣體發(fā)熱量測(cè)定范圍36～43 MJ／m3，并且可擴(kuò)展至30～45MJ／m3。發(fā)熱量測(cè)定相對(duì)不確定度優(yōu)于0．25%（36～43MJ／m3，k＝2）。

Cutler－Hammer熱量計(jì)是ISO 15971－2008推薦的1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，最高可以達(dá)到0．17%（k＝2）的不確定度水平。它的測(cè)量原理是：一定量的氣體完全燃燒，通過熱交換器，將燃燒產(chǎn)生的熱量傳遞給相關(guān)熱吸附介質(zhì)（一般為空氣），使得介質(zhì)的溫度隨之升高，通過檢測(cè)介質(zhì)升高的溫度就可以計(jì)算得到相關(guān)氣體的單位發(fā)熱量值。

建立這套裝置的目的是逐步提高我國(guó)天然氣發(fā)熱量直接測(cè)定的技術(shù)水平，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步努力，達(dá)到國(guó)際0級(jí)水平，完善發(fā)熱量直接測(cè)量溯源鏈建設(shè)，為我國(guó)全面推行天然氣能量計(jì)量及結(jié)算提供溯源基礎(chǔ)。

4 天然氣發(fā)熱量間接測(cè)量及能量計(jì)算

GB／T 22723－2008規(guī)定，天然氣發(fā)熱量直接測(cè)量是發(fā)熱量測(cè)量的溯源基礎(chǔ)，同時(shí)也給出可用的天然氣發(fā)熱量間接測(cè)量方法，即通過氣相色譜儀測(cè)得天然氣的組成（在線或離線），然后根據(jù)GB／T 11062－1998《天然氣－發(fā)熱量、密度和相對(duì)密度的計(jì)算》由組成數(shù)據(jù)計(jì)算得到單位發(fā)熱量數(shù)值。發(fā)熱量間接測(cè)量采用與發(fā)熱量直接測(cè)量系統(tǒng)完全不同的裝置和技術(shù)，并且屬于完全不同的兩個(gè)溯源體系。

流量計(jì)量與發(fā)熱量測(cè)量二者聯(lián)合才能構(gòu)成能量計(jì)量。通過發(fā)熱量直接測(cè)量或間接測(cè)量技術(shù)得到的單位發(fā)熱量均需與流量進(jìn)行積分才能得到某一時(shí)間段內(nèi)通過界面的天然氣能量值。

5 發(fā)熱量賦值

在生產(chǎn)實(shí)際中，天然氣輸氣管網(wǎng)上的許多站點(diǎn)沒有條件安裝氣相色譜儀，因此在已知管道布局和氣源狀態(tài)前提下，對(duì)天然氣物性參數(shù)隨管道長(zhǎng)度、流速、壓力和時(shí)間等因素的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，用狀態(tài)重構(gòu)和流體力學(xué)的方法建立數(shù)學(xué)模型是十分重要和必要的。具體計(jì)算過程是：根據(jù)基本的流體力學(xué)方程組推導(dǎo)管線壓力分布和質(zhì)量流量的計(jì)算公式，結(jié)合物性參數(shù)求出體積流量和流動(dòng)速度，進(jìn)而求出有在線色譜設(shè)備的站點(diǎn)測(cè)出的氣體組分到達(dá)被賦值站點(diǎn)的流動(dòng)時(shí)間，從而對(duì)組分和發(fā)熱量進(jìn)行賦值計(jì)算。

5．1 水平管段流動(dòng)模型

氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)可視為一元流動(dòng)，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，由流體力學(xué)基本原理可建立相應(yīng)的連續(xù)性方程、能量方程、運(yùn)動(dòng)方程和氣體狀態(tài)方程，這些方程描述了氣體的壓力、密度、流速和溫度、壓縮因子等物理量之間的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化推導(dǎo)過程，可作如下假設(shè)：

（1）氣體在管道中的流動(dòng)過程為等溫過程，即溫度不變，T＝常數(shù)。

（2）氣體在管道中的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，即氣體的質(zhì)量流量，在管道的任一截面上為常數(shù)，即氣體的質(zhì)量流量不隨時(shí)間也不隨距離而改變。根據(jù)以上的假設(shè)條件可得穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)氣體管流的基本方程為：

式中：p 為壓力，Pa；ρ為氣體密度，kg／m3；λ 為水力摩阻系數(shù)；x為管道的軸向長(zhǎng)度，m；D為管道內(nèi)徑，m；v為管內(nèi)氣體流速，m／s；g為重力加速度，m／s2；s為高程，m。

式中：PQ為輸氣管計(jì)算段的起點(diǎn)壓力，MPa；PZ為輸氣管計(jì)算段的終點(diǎn)壓力，MPa；D為管道內(nèi)徑，m；λ為水力摩阻系數(shù)；Z為天然氣在管道輸送條件下的壓縮系數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為天然氣的平均溫度，K；L為輸氣管道計(jì)算段的長(zhǎng)度，m。

5．2 地形起伏管段流動(dòng)模型

當(dāng)輸氣管線路上有高于或低于起點(diǎn)高程200m以上的地段時(shí)，就應(yīng)該考慮高差和地形起伏對(duì)輸氣管輸氣能力的影響。這樣的輸氣管可以看作是不同坡度的直管段連接而成。每一段的起始點(diǎn)和終點(diǎn)就是線路上的地形起伏較大的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)之間微小的起伏則予以忽略。對(duì)于任意坡度的直管段，忽略氣體流速增大影響穩(wěn)定流動(dòng)的因素，其方程為：

當(dāng)?shù)匦胃卟钚∮?00m時(shí)ds＝0，則可求得水平輸氣管道質(zhì)量流量為：

式中：Δs為高差，m；l為相同斜率的直管段長(zhǎng)度，m。則式（4）可整理為：

如圖3所示，每一段的起始點(diǎn)和終點(diǎn)就是線路上的地形起伏較大的特征點(diǎn)，特征點(diǎn)之間微小的起伏則予以忽略。對(duì)式（5）在圖3（b）中所示的各段進(jìn)行積分可得到式（6）：

對(duì)各管段的方程組進(jìn)行求解并整理和簡(jiǎn)化得到高程有起伏的管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量流量為：

式中：pQ為每一段輸氣管計(jì)算段的起點(diǎn)壓力，MPa；pZ為每一段輸氣管計(jì)算段的終點(diǎn)壓力，MPa；sz為起點(diǎn)高程，m；li為斜率相同的直管段長(zhǎng)度，m；si－1為各段起點(diǎn)高程，m；si為各段終點(diǎn)高程，m；L 為輸氣管道總長(zhǎng)度，m。

在計(jì)算過程中，根據(jù)用戶選擇的步長(zhǎng)將管道分為多個(gè)小的管段，根據(jù)起始端壓力計(jì)算每一個(gè)小段末端的壓力值可得出整根管道的壓力分布。

5．3 流動(dòng)速度和時(shí)間計(jì)算

天然氣密度和相對(duì)密度計(jì)算可參考文獻(xiàn)［10］，壓縮系數(shù)計(jì)算可參考文獻(xiàn)［11－13］，燃燒熱值計(jì)算可參考文獻(xiàn)［14］。

根據(jù)各管段的質(zhì)量流量及物性參數(shù)可求出體積流量，進(jìn)而求出流動(dòng)速度：

式中：Pi（x，t）為天然氣管段第i段處的壓力，MPa；Qi（x，t）為天然氣管段第i段處的流量，NM3／D；vi為天然氣管段第i段處的流動(dòng)速度，m／s。

流動(dòng)時(shí)間：

式中：Δxi為差分計(jì)算步長(zhǎng)，m；Δt為流動(dòng)時(shí)間，s。

6 結(jié)論與建議

國(guó)內(nèi)天然氣能量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)法規(guī)基本與國(guó)際接軌，達(dá)到先進(jìn)水平，能夠滿足能量計(jì)量實(shí)施的需要。但在發(fā)熱量直接測(cè)定裝置的研發(fā)方面與國(guó)外先進(jìn)水平還有不小的差距，德國(guó)等國(guó)家的發(fā)熱量直接測(cè)定裝置的測(cè)量不確定度已經(jīng)可以達(dá)到0．05%的水平，而國(guó)內(nèi)目前只能達(dá)到1．0%的不確定度水平，遠(yuǎn)不能達(dá)到能量計(jì)量溯源基準(zhǔn)的要求，因此應(yīng)在這方面加大研究力度。

發(fā)熱量賦值模型方面，本文介紹了由流體力學(xué)基本理論出發(fā)，結(jié)合等溫和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)假設(shè)，得到了水平和起伏管段各自的流速計(jì)算公式，給出了氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)間的計(jì)算方法，奠定了賦值軟件的基礎(chǔ)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，管道的輸氣溫度必然與環(huán)境溫度相關(guān)，在閥門、接頭、流量計(jì)等處必然存在湍流，因此模型的計(jì)算和賦值精度必然受到一定程度的限制。另外，在天然氣輸送過程中，管道的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)如流量、壓力、溫度、管道坡度等均會(huì)對(duì)賦值模型計(jì)算結(jié)果的不確定度產(chǎn)生影響。因此，管道管理公司提高信息化管理水平和數(shù)據(jù)應(yīng)用能力是賦值技術(shù)能夠達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)賦值精度要求的必要條件。

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