我國天然氣流量計量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

蘇 毅 駱科東

(中國石油規(guī)劃總院 北京 100083 )

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整、環(huán)境保護的大力推進，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中的比例不斷上升，其需求量逐年攀升，從而使得我國天然氣工業(yè)進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。傳統(tǒng)的天然氣管理調(diào)度模式已經(jīng)不能適應(yīng)新時期發(fā)展的要求，為了促進天然氣貿(mào)易的發(fā)展，天然氣流量計量越來越受到人們的重視。天然氣流量的準(zhǔn)確計量是天然氣貿(mào)易交接公平進行的基礎(chǔ)，同時也是進行經(jīng)濟效益計算、成本分析的依據(jù)，可以說流量計量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益和用戶利益。因此，新時期天然氣工業(yè)對天然氣流量計量技術(shù)提出了更高的要求，具體體現(xiàn)在以下3個方面:

計量的實時性。流量計量的實時性是指能夠快速準(zhǔn)確地反應(yīng)市場對天然氣需求的變化，從而幫助企業(yè)合理安排生產(chǎn)，優(yōu)化管輸運行，最大化地提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

計量的精確性。流量計量的精確性是天然氣貿(mào)易公正公平進行的前提，同時也是優(yōu)化天然氣的庫存量，減小天然氣輸差，避免輸氣監(jiān)測爭端，合理配置天然氣供銷的基礎(chǔ)依據(jù)。

計量的經(jīng)濟性。流量計量的經(jīng)濟性是衡量天然氣計量成本的經(jīng)濟指標(biāo)，為了提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，應(yīng)采用先進的計量技術(shù)來降低流量計量成本。

1 國內(nèi)外流量計量技術(shù)現(xiàn)狀

天然氣計量技術(shù)是對天然氣流動過程中的流量進行測定的技術(shù)，一般通過間接測量法獲得，測量的精度取決于整套計量系統(tǒng)的綜合性能［1］。為了提高天然氣流量計量的精確度，需要采用統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對天然氣流量計量系統(tǒng)進行綜合管理，因此建立一套完善的計量標(biāo)準(zhǔn)體系是非常必要的。

天然氣計量受多個因素的影響，因此與其相關(guān)的計量標(biāo)準(zhǔn)體系有很多，在諸多計量標(biāo)準(zhǔn)體系中，最重要的是天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)，其次還有一些特性參數(shù)計算和測量標(biāo)準(zhǔn)，如發(fā)熱量、密度、組分、壓縮因子等，同時還包括設(shè)計及安全、儀器儀表等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 國外流量計量主體技術(shù)

國外對天然氣計量的相關(guān)技術(shù)研究較早，目前已經(jīng)有一系列完整的計量標(biāo)準(zhǔn)體系和法規(guī)政策，同時也有很多先進的計量儀器。1998 年，ISO(International Organization for Standardization)發(fā)布了ISO 13686《天然氣質(zhì)量指標(biāo)》［2］。這個標(biāo)準(zhǔn)對天然氣質(zhì)量必須要符合的3 個要求進行了明確的規(guī)定，包括安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟利益標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)，同時還規(guī)定了天然氣質(zhì)量的測量方法、控制參數(shù)和測量單位等，如圖1 所示。

圖1 ISO 13686《天然氣質(zhì)量指標(biāo)》圖

按照ISO 13686 標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要形成一套完整的天然氣計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，其次還需要建立天然氣取樣分析標(biāo)準(zhǔn)，天然氣組分在線、離線分析標(biāo)準(zhǔn)，硫化物、顆粒物、汞等微量組分分析標(biāo)準(zhǔn)，以及天然氣的物性參數(shù)如發(fā)熱點、密度、水露點、烴露點等的測量與計算方法標(biāo)準(zhǔn)，同時還需要建立非烴類、多組分烴、硫化物等天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系，以及天然氣組成分析系統(tǒng)性能評價體系，從而形成一條完整的量傳溯源鏈。

流量計量標(biāo)準(zhǔn)方面，研究者們在進行了大量的實驗和相關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，先后建立了一系列流量計量標(biāo)準(zhǔn)，比較具有代表性的如天然氣孔板流量計標(biāo)準(zhǔn)(AGANo.3)、氣體渦輪流量計標(biāo)準(zhǔn)(AGA No.7)、氣體超聲波流量計測量天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)(AGA No.9)以及天然氣壓縮因子計算標(biāo)準(zhǔn)(ISO/DIS12213)等［3］，這些標(biāo)準(zhǔn)的建立對天然氣計量技術(shù)的發(fā)展具有很重要的意義。表1列出了國外主要天然氣流量檢定裝置的技術(shù)參數(shù)［4］。

表1 國外主要天然氣流量檢定裝置技術(shù)參數(shù)

此外，OIML(International Organization of Legal Metrology)還發(fā)布了R140《氣體燃料計量系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)體系［5］，該標(biāo)準(zhǔn)體系明確規(guī)定了天然氣流量計量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級，及其相應(yīng)等級下天然氣的物性參數(shù)如質(zhì)量、能量、體積、壓力、溫度、密度、壓縮因子等的測量最大允許誤差，見表2。

表2 OIML R140《氣體燃料計量系統(tǒng)》

近年來，實流檢定法在歐美等國家開始興起，有許多實驗室對此方法進行了研究，比較著名的有美國西南研究院(SWRI)、美國科羅拉多工程實驗室(CEESI)、荷蘭國家計量研究院(NMI)、英國國家工程實驗室(NEL)、加拿大標(biāo)定站(TCC)等，這種方法通過對天然氣在接近實際工況下的狀態(tài)參數(shù)和物性參數(shù)等進行量值溯源，來實現(xiàn)對天然氣流量的檢定。

1.2 國內(nèi)天然氣流量計量技術(shù)現(xiàn)狀

1.2.1 流量計量標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)對天然氣計量技術(shù)的研究始于上世紀(jì)80 年代，研究人員以國際現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系為基礎(chǔ)，同時結(jié)合國內(nèi)具體發(fā)展要求，對天然氣計量系統(tǒng)的技術(shù)要求、天然氣產(chǎn)品質(zhì)量的控制指標(biāo)及其與之相配套的檢測技術(shù)和方法等進行了大量的研究，最終形成了國家標(biāo)準(zhǔn)體系，即國標(biāo)GB17820《天然氣》和國標(biāo)GB/T 18603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》［6］，并在其基礎(chǔ)上，形成了一套完整的測試技術(shù)與方法，以及相關(guān)的量傳溯源體系。

GB 17820 作為天然氣工業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對管輸商品天然氣的技術(shù)指標(biāo)和總體分類等進行了規(guī)定，具體指標(biāo)見表3。表中列出的這5 項技術(shù)指標(biāo)分別代表了環(huán)境保護、安全衛(wèi)生以及經(jīng)濟效益等方面對天然氣控制的技術(shù)要求;同時表中的一類氣指標(biāo)達到了國際標(biāo)準(zhǔn)，這為我國進口天然氣的質(zhì)量控制和測量提供了參考依據(jù)。

GB/T 18603 是在OMIL R140 標(biāo)準(zhǔn)體系和EN1776標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上形成的計量站工作標(biāo)準(zhǔn)體系，它明確地規(guī)定了天然氣計量系統(tǒng)新建或改造擴建等過程各個方面的技術(shù)指標(biāo)［7］，見表4，同時還規(guī)定了計量系統(tǒng)配套儀表的準(zhǔn)確度等級要求，見表5。

表3 GB 17820 -2012《天然氣》技術(shù)指標(biāo)

表4 GB/T 18603 不同等級的計量系統(tǒng)技術(shù)要求

表5 GB/T 18603 計量系統(tǒng)配置儀表準(zhǔn)確度要求

此外，為了促進GB 17820 和GB/T 18603 的應(yīng)用，我國又先后制定了50 多個國家和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系(見表6)，涵蓋了天然氣取樣、能量測定、組分分析、流量檢測、物性計算等各個方面，初步形成了以這兩個標(biāo)準(zhǔn)為主導(dǎo)的質(zhì)量和計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而實現(xiàn)了我國的天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)體系與國際接軌。

1.2.2 流量計量量傳溯源體系

近年來，我國天然氣流量量值溯源逐漸向?qū)嵙鳈z定靠攏，從而使得天然氣實流檢定技術(shù)發(fā)展迅速，目前國內(nèi)主要的天然氣流量量值溯源體系指標(biāo)見表7。其中成都分站和南京分站的天然氣流量原級(mt 法)標(biāo)準(zhǔn)，總體達到世界水平。

表6 天然氣質(zhì)量和計量標(biāo)準(zhǔn)一覽表

表7 國內(nèi)天然氣流量量值溯源體系

與此同時，成都分站在原有基礎(chǔ)上進行了擴容改造，改造后的成都分站流量量值溯源體系見表8。可見，擴容后成都分站增加了不確定度為0.05% ～0.076%的中低壓原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，同時把音速噴嘴次級標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度由0.25%提高到0.20%，從而使成都分站的技術(shù)水平和能力達到了國際先進水平。

表8 改造后的成都分站流量量值溯源體系

此外，我國還研制了用于天然氣分析的國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)9 種、二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)10 余種，初步形成了天然氣分析量傳溯源鏈，以此來確保天然氣分析的準(zhǔn)確性和溯源性。同時，為了滿足多品種、多氣源天然氣發(fā)展的要求，中石油西南油氣田正在建設(shè)的天然氣分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系制備系統(tǒng)能夠完成少量組分不確定度優(yōu)于0.5%的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系的研發(fā)。

1.2.3 天然氣能量計量系統(tǒng)

天然氣能量計量是通過天然氣的體積流量測量和高位發(fā)熱量測量間接獲得的，而相應(yīng)的能量計量系統(tǒng)主要包括流量計、熱量計、組分分析儀以及流量計算機等。其中流量計用于測量天然氣的體積流量，其類型主要有腰輪、孔板、超聲波和渦輪等，而我國則主要以孔板流量計為主;熱量計用于測量天然氣的高位發(fā)熱量，一般采用燃燒式量熱計，其有兩種形式:水流式和氣流式。中國計量科學(xué)研究院的水流式熱量計，不確定度小于等于1.0%(k=2)，而其新研制的氧彈法測量裝置，不確定度小于等于0.6%(k=2);此外中石油正在研制的1 級測量裝置，其不 確 定 度 為0.2% ～0.25%(k=2)，與ISO 15971 的1 級水平相當(dāng)［8］。

目前，我國已經(jīng)逐步完善了天然氣體積流量測量和發(fā)熱量測量的相關(guān)技術(shù)及其能量計量的配套技術(shù)，同時還建立了能量測量標(biāo)準(zhǔn)體系和天然氣量傳溯源體系。此外，為了進一步提高天然氣能量計量的標(biāo)準(zhǔn)化，國家還制定了GB/T 22723《天然氣能量的測定》［9］和與之相關(guān)的實施細(xì)則，并在中石油西氣東輸一線、二線和西南油氣田等進行了實踐應(yīng)用，獲得了大量的應(yīng)用數(shù)據(jù)，同時豐富了實施經(jīng)驗，極大地推動了我國天然氣能量計量的發(fā)展［10］。

2 我國天然氣流量計量技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

2012 年底，我國發(fā)布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》［11］，預(yù)計到十二五末，我國的天然氣輸送管網(wǎng)將更加完善，其以川氣東送、西氣東輸和陜京線等為主動脈，同時在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了天然氣從生產(chǎn)、儲存到消費等各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，從而形成了完整的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)，進一步保證了天然氣供氣的平穩(wěn)性、安全性、多樣性和充足性。

2013 年，國家又發(fā)布了2013 年～2020 年天然氣計量發(fā)展規(guī)劃［12］，預(yù)計到2020 年，我國天然氣計量技術(shù)的發(fā)展將達到國際水平，計量標(biāo)準(zhǔn)體系和法制的建設(shè)將更加完善，天然氣流量計量的實時性、精確性和經(jīng)濟性將進一步提高，基本滿足了我國天然氣工業(yè)發(fā)展的需求。

因此，縱觀當(dāng)下天然氣發(fā)展的背景和趨勢，我國天然氣計量技術(shù)的發(fā)展將面臨以下幾個方面的挑戰(zhàn)。

1)分析測試技術(shù)。目前，我國還沒有專門對上游天然氣及其微痕量組分等進行分析測試的技術(shù)和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2)量傳溯源體系。我國的量傳溯源體系還需要進一步的提高和完善，如需要提高天然氣發(fā)熱量測量裝置的精度水平，需要進一步建立天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系，以適應(yīng)多氣源、多品種天然氣發(fā)展的需求。

3)天然氣流量量值比對。目前我國沒有積極進行天然氣流量量值國際關(guān)鍵循環(huán)比對，因此未來需要進一步提高實驗室數(shù)據(jù)的國際互認(rèn)性。

4)流量檢測。我國檢流計的檢測能力不能很好地滿足天然氣生產(chǎn)的需求，因此需要建立大口徑檢流計來進一步提高檢測能力。

3 我國天然氣流量計量技術(shù)發(fā)展趨勢分析

我國天然氣工業(yè)已經(jīng)進入了一個快速發(fā)展的時期，隨著天然氣需求的不斷增加，各公司在天然氣市場中的競爭也在不斷加劇，為了在激烈的競爭中獲得優(yōu)勢，國有三大石油公司分別制定了新時期的天然氣發(fā)展戰(zhàn)略。然而在天然氣工業(yè)發(fā)展過程中，天然氣流量計量已成為制約其發(fā)展的主要因素，因此快速、精確、經(jīng)濟地對天然氣進行計量不僅可以有效降低企業(yè)的成本，提高服務(wù)質(zhì)量，而且還可以讓企業(yè)在激烈的競爭中脫穎而出。所以，對天然氣計量技術(shù)的發(fā)展趨勢進行預(yù)測和研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

綜合分析表明，未來天然氣計量技術(shù)將在以下五個方面繼續(xù)發(fā)展。

3.1 計量方式的自動化、智能化和遠程化

近年來，隨著科技的快速發(fā)展，天然氣計量正在向智能化、自動化和實時性方向發(fā)展，同時利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)天然氣計量的遠程控制和在線管理，如目前各大公司正在建設(shè)的SCADA 在線監(jiān)測系統(tǒng)等。

在天然氣流量計量系統(tǒng)中，流量計所獲得的數(shù)據(jù)只是其所需數(shù)據(jù)的一部分，為了對天然氣進行精確計量，還需要測量天然氣的壓力、溫度、密度、氣相色譜等，這些參數(shù)的測量一般由輔助儀表系統(tǒng)完成，同時還需要通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行處理、存儲、傳輸以及發(fā)布等。因此，未來天然氣計量系統(tǒng)將集成更多的系統(tǒng)，通過各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)天然氣計量的實時性、精確性和經(jīng)濟性。

3.2 推動實施天然氣能量計量，促進我國天然氣計量方式轉(zhuǎn)變

天然氣的流量計量難以真實反映出天然氣的能源價值，隨著我國市場經(jīng)濟的不斷完善和天然氣貿(mào)易的國際化發(fā)展，各國對天然氣貿(mào)易的公平性提出了越來越高的要求，而能量計量是目前公認(rèn)的天然氣貿(mào)易交接最公平的方法，因此天然氣流量計量向能量計量轉(zhuǎn)變是我國天然氣計量發(fā)展的必經(jīng)之路。

此外，為了推動天然氣能量計量的發(fā)展，我國應(yīng)大力開展天然氣能量計量體系的研究和相關(guān)配套技術(shù)的研發(fā)，如提高天然氣發(fā)熱量測量裝置的精度水平，建立天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系等。

3.3 檢定方式、量值溯源從靜態(tài)單參數(shù)向動態(tài)多參數(shù)溯源發(fā)展

過去流量計的檢定基本通過靜態(tài)單參數(shù)法實現(xiàn)，然而由于天然氣的流量參數(shù)具有動態(tài)性，使得流量溯源性成為制約儀表準(zhǔn)確度最主要的因素。目前世界上還沒有建立統(tǒng)一的流量量值實物標(biāo)準(zhǔn)，主要通過裝置比對來實現(xiàn)流量量值的統(tǒng)一。然而由于流量量值比對裝置的原級標(biāo)準(zhǔn)是一座流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，同時也是固定裝置，其工作特點與流量計有很多不同，因此它并沒有真正體現(xiàn)出天然氣流量參數(shù)的動態(tài)特性。近年來實流檢定技術(shù)獲得了快速的發(fā)展，該方法通過對天然氣在接近實際工況下的狀態(tài)參數(shù)和物性參數(shù)如溫度、壓力、組分和流量總量等進行動態(tài)量值溯源，來實現(xiàn)對天然氣流量的檢定。因此，天然氣流量量值溯源將逐步向?qū)嵙鳈z定方向發(fā)展。

3.4 進一步完善計量標(biāo)準(zhǔn)體系

完善健全的計量標(biāo)準(zhǔn)體系是天然氣流量計量準(zhǔn)確實施的基礎(chǔ)和依據(jù)，在結(jié)合國際計量標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，我國的計量標(biāo)準(zhǔn)體系正在逐步形成，其內(nèi)容也在不斷的豐富和完善，并向多樣化標(biāo)準(zhǔn)方向發(fā)展。此外，我國還應(yīng)加強上游領(lǐng)域和非常規(guī)領(lǐng)域天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)的研究，推動科技的自主創(chuàng)新;同時我國還應(yīng)重視國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的國際化推廣，如編制多語言國家標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)國際市場天然氣貿(mào)易的需求;最后我國還應(yīng)積極參加國際標(biāo)準(zhǔn)的修改和制定，以此來增強我國的國際影響力。

3.5 完善測量技術(shù)

我國應(yīng)大力發(fā)展天然氣測量技術(shù)，如天然氣的取樣、分析技術(shù)、天然氣濕氣測量技術(shù)、天然氣微量有毒有害物質(zhì)測試技術(shù)、天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系制備技術(shù)等，這些技術(shù)是對天然氣的質(zhì)量進行控制和評價的基礎(chǔ)，同時也是相關(guān)計量標(biāo)準(zhǔn)制定的技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié) 論

天然氣流量計量不僅是企業(yè)間進行貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，更是考核和提高天然氣生產(chǎn)效率的重要技術(shù)指標(biāo)。隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，如何快速、精確、經(jīng)濟地獲取、處理和分析天然氣計量信息將成為天然氣流量計量技術(shù)的關(guān)鍵，它可以有效降低企業(yè)的成本，提高服務(wù)質(zhì)量，從而使企業(yè)在市場競爭中獲得更大的優(yōu)勢。因此，我國應(yīng)大力加強天然氣流量計量技術(shù)的研究，使其迅速地進步與完善，以促進天然氣貿(mào)易公平進行，同時降低生產(chǎn)成本，提高其經(jīng)濟效益與社會效益。

［1］埃德加·鮑爾斯著，熊光德譯. 21 世紀(jì)的天然氣流量計量［J］.天然氣與石油，2000，18(1):60 -64.

［2］ International Standards Organization， ISO/TC193 Work Group. ISO 13686:1998 Natural gas – Quality Designation［S］. Geneve:ISO，1998.

［3］宋艾玲，梁光川. 天然氣計量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］. 計量技術(shù)，2006，3(1):20 -23.

［4］郭緒明，張福元. 淺談建立天然氣量值動態(tài)溯源體系［C］.全國流量計量學(xué)術(shù)交流會全國流量計量學(xué)術(shù)交流會論文集，2002.

［5］OIML/TC8/SC7 Work Group. R140 Measuring system of gaseous fuel［S］. Paris:OIML，1998.

［6］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB 17820 -2012《天然氣》［S］. 北京:中國國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［7］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 18603 -2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》［S］. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［8］黃維和，羅 勤，黃黎明，等. 天然氣能量計量體系在中國的建設(shè)和發(fā)展［J］.石油與天然氣化工，2011，40(2):103-108.

［9］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 22723 -2008《天然氣能量的測定》［S］. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［10］黃黎明. 中國天然氣質(zhì)量與計量技術(shù)建設(shè)現(xiàn)狀與展望［J］.天然氣工業(yè)，2014，32(2):117 -122.

［11］國家發(fā)展和改革委員會. 天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃［R］. 北京:國家發(fā)展和改革委員會，2012.

［12］國務(wù)院. 計量發(fā)展規(guī)劃(2013 -2020 年)［R］. 北京:中華人民共和國國務(wù)院，2013.