加氣站儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣(液)量準(zhǔn)確計(jì)量的探討

王友良

〔中國石化浙江嘉興石油分公司 浙江嘉興 314000〕

近幾年， CNG加氣站與LNG加氣站發(fā)展較快，但相關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程制度相對(duì)滯后，特別是加氣站沒有對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐(井)儲(chǔ)氣(液)量的準(zhǔn)確計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與制度。目前相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計(jì)算》、GB/T11062—1998《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》、GB/T24962—2010《冷凍烴類流體靜態(tài)測(cè)量計(jì)算方法》等。由于標(biāo)準(zhǔn)過于復(fù)雜與針對(duì)性不夠，因此目前加氣站儲(chǔ)氣(液)罐(井)內(nèi)儲(chǔ)氣(液)量的計(jì)量采用人為設(shè)定的估算法。CNG儲(chǔ)量都按儲(chǔ)氣罐(井)水容量乘壓力(MPa)數(shù)再乘10倍得到儲(chǔ)氣體積量，CNG質(zhì)量是儲(chǔ)氣體積量乘人為設(shè)定的固定密度，LNG儲(chǔ)量按液位對(duì)應(yīng)的容量乘人為設(shè)定的固定密度得到儲(chǔ)罐的質(zhì)量，CNG和LNG的密度都是人為設(shè)定的，故在每日和月度盤存時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生人為的大損大溢，從而掩蓋了真實(shí)的大損大溢。為了提高儲(chǔ)氣(液)罐(井)的計(jì)量準(zhǔn)確度，筆者依據(jù)上述三個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)及工作實(shí)際，提出了儲(chǔ)氣(液)罐(井)的準(zhǔn)確計(jì)量方法、程序、計(jì)算公式與計(jì)算系數(shù)表，經(jīng)過二年多的應(yīng)用與改進(jìn)，計(jì)量基本準(zhǔn)確，目前已在中國石化某石油分公司系統(tǒng)的所有加氣站推廣實(shí)施。

1 CNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)量的準(zhǔn)確計(jì)量

目前CNG加氣站加氣機(jī)零售有兩種計(jì)量交接結(jié)算模式：一種是以CNG標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(N)下的體積(Nm3)來定價(jià)(××.××元/ Nm3)，以加氣機(jī)加出的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CNG體積(Nm3)作為計(jì)量交接結(jié)算量；另一種是以CNG的質(zhì)量(kg)來定價(jià)(××.××元/kg)，以加氣機(jī)加出的CNG質(zhì)量(kg)數(shù)作為計(jì)量交接結(jié)算量。因此每日和月度盤存CNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣量時(shí)，也對(duì)應(yīng)體積計(jì)量模式與質(zhì)量計(jì)量模式。

1.1 CNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣體積量的準(zhǔn)確計(jì)量

1.1.1 準(zhǔn)確計(jì)量步驟

(1)盤存時(shí)，停止所有加氣機(jī)，抄錄加氣機(jī)的累計(jì)走字?jǐn)?shù)。

(2)抄錄儲(chǔ)氣罐(井)、管柱型管組壓力表的壓力和大氣環(huán)境溫度。

(3)按公式(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理想氣體體積量：

(1)

式中：v標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理想氣體體積量，m3；

v工——工作狀態(tài)下的理想氣體體積量，m3；

t——工作狀態(tài)下的氣體溫度，℃；

p——工作狀態(tài)下的壓力，kPa。

(4)按公式(2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量：

(2)

式中：vn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量，m3；

U標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體體積量，m3；

Z——?dú)怏w的壓縮因子系數(shù)(見表1，內(nèi)插法查表)。

天然氣壓縮因子速查表見表1。

表1 天然氣壓縮因子速查表

1.1.2 準(zhǔn)確計(jì)量案例

例1：2016年6月30日18時(shí)，某CNG加氣站盤存時(shí)抄錄的相關(guān)數(shù)據(jù)為：1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)儲(chǔ)氣井容積V井均為2 m3，高(1號(hào)井)、中(2號(hào)井)、低(3號(hào)井)壓力P井分別為20.14 MPa、17.15 MPa、10.08 MPa，管柱型管組總儲(chǔ)氣容積V管為15 m3、壓力P管為11.00 MPa，儲(chǔ)氣井內(nèi)CNG溫度為20.0 ℃，管柱型管組內(nèi)CNG溫度為25.0 ℃，求儲(chǔ)氣井和管柱型管組儲(chǔ)氣總庫存量為多少m3？

解：A、儲(chǔ)氣井CNG總存量計(jì)算：

(1)按公式(1)計(jì)算高壓井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理想氣體體積量V標(biāo)高：

397.533 m3

(2)查表1的天然氣壓縮因子速查表，得：

(3)按公式(2)計(jì)算高壓井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量：

(4)同理，按上述步驟計(jì)算出中壓井和低壓井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量：

V中=438.38 m3(中壓井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量)

V低=244.73 m3(低壓井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量)

(5)儲(chǔ)氣井總存量：V高+V中+V低=507.64+438.38+244.73=1 190.75 m3

B、管柱型管組CNG存量計(jì)算

(1)按公式(1)計(jì)算管柱型管組標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理想氣體體積量V標(biāo)管：

(2) 查表(1)的天然氣壓縮因子速查表，得：

(3) 按公式(2)計(jì)算管柱型管組標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量：

C、儲(chǔ)氣井和管柱型管組儲(chǔ)氣總庫存量為：

CNG總庫存量=1 190.75+1 960.95=3 151.70 m3

1.1.3 CNG存量估算法計(jì)算及誤差分析

(1)估算法計(jì)算公式為：

V存=儲(chǔ)氣容器容積(V)×壓力(p)×10

(3)

式中：10——人為設(shè)定的換算系數(shù)。

(2)例1中，若按公式(3)計(jì)算得：

1號(hào)高壓井CNG存量=

2×20.14×10=402.80 m3

2號(hào)中壓井CNG存量=

2×17.15×10=343.00 m3

3號(hào)低壓井CNG存量=

2×10.08×10=201.60 m3

儲(chǔ)氣井CNG總存量=

402.80+343.00+201.60=947.40 m3

管柱型管組CNG存量=

15×11.00×10=1 650.00 m3

CNG總庫存量=

947.40+1 650.00=2 597.40 m3

(3) 估算法計(jì)算與準(zhǔn)確計(jì)算的誤差為：

絕對(duì)誤差=2 597.40-3 151.70=-554.3 m3

最大相對(duì)誤差=(-554.3)/3 151.70×100 %=17.6 %

由此可見，加氣站日盤或月度盤，采用估算法計(jì)算儲(chǔ)氣井和管柱型管組的CNG存量，會(huì)產(chǎn)生非常大的誤差。

1.2 CNG儲(chǔ)氣質(zhì)量的準(zhǔn)確計(jì)量

1.2.1 CNG密度準(zhǔn)確計(jì)量

(1)CNG密度準(zhǔn)確計(jì)量步驟

a.第一步，按公式(4)計(jì)算理想氣體的密度：

(4)

其中：ρ0(t,p)——理想氣體的密度；

R——摩爾氣體常數(shù)是8.314 510 J/(mol·K)；

T——絕對(duì)溫度，℃；

Xj——組分j的摩爾分?jǐn)?shù)；

Mj——組分j的摩爾質(zhì)量。

b.第二步，按公式(5)計(jì)算真實(shí)氣體壓縮因子：

(5)

其中：Zmix(t,p)——真實(shí)氣體的壓縮因子；

Zj——組分j的壓縮因子(見表2)。

c.第三步，按公式(6)計(jì)算真實(shí)氣體的密度：

(6)

其中：ρ(t,p)——真實(shí)氣體的密度。

表2 天然氣各組分在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子

注：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)20 ℃，101.325 KPa。

(2)CNG密度準(zhǔn)確計(jì)量案例。

例2：某加氣站在盤存時(shí)抄錄的相關(guān)數(shù)據(jù)為：管柱型管組總儲(chǔ)氣容積V管為15 m3、壓力p管為11.00 MPa、CNG溫度為25.0 ℃，某CNG加氣站盤存取樣的CNG質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告見表3，求該CNG的密度。

表3 某CNG加氣站天然氣組成檢驗(yàn)結(jié)果

解：a. 第一步，按公式(4)計(jì)算理想氣體的密度:

ρ0(t,p)=[101.325×1 000/(8.314 510×293.15)]×(0.01×4.002 6+0.67×28.013 5+0.64×44.010+98.64×16.043+0.04×30.070)/100=677.9(g/m3)=0.677 9 kg/m3

b.第二步,按公式(5)和表2和表3數(shù)據(jù)計(jì)算真實(shí)氣體壓縮因子：

c.第三步，按公式(6)計(jì)算真實(shí)氣體的密度：

ρ(t,p)=0.677 9/0.998 08=0.679 2 kg/m3

1.2.2 CNG質(zhì)量準(zhǔn)確計(jì)量案例

CNG質(zhì)量準(zhǔn)確計(jì)算公式為：

M真=V×ρ(t,p)

(7)

式中：M真——?dú)怏w的真實(shí)質(zhì)量，kg；

V——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量，m3。

例3：求例2盤存中管柱型管組儲(chǔ)氣總質(zhì)量為多少kg？

解：管柱型管組盤存時(shí)的數(shù)據(jù)及體積計(jì)算同例1，故管柱型管組標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積量為：V管=1 960.95 m3，密度計(jì)算見例2：

ρ(t,p)=0.679 2 kg/m3

按公式(7)計(jì)算得：M真=1 960.95×0.679 2=1 331.88 kg

1.2.3 CNG質(zhì)量估算法計(jì)算及誤差分析

(1)估算法計(jì)算公式為：

M估=V存×0.700 0

(8)

式中：M估——?dú)怏w的估算質(zhì)量，kg；

V存——用公式(3)計(jì)算的體積量(估算法)，m3；

0.700 0——人為設(shè)定的CNG固定密度，kg/m3。

(2)例3中，若按公式(8)計(jì)算：

管柱型管組CNG存量V存=15×11.00×10=1 650.00 m3

M估=1 650.00×0.700 0=1 155.00 kg

(3)估算法計(jì)算與準(zhǔn)確計(jì)算的誤差為：

絕對(duì)誤差=1 155.00-1 331.88=-176.88 kg

最大相對(duì)誤差=(-176.88)/1 331.88×100 %=13.28 %

由此可見，加氣站日盤或月度盤，采用估算法計(jì)算儲(chǔ)氣井和管柱型管組的CNG質(zhì)量，將產(chǎn)生非常大的誤差。

2 LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)量的準(zhǔn)確計(jì)量

2.1 LNG密度準(zhǔn)確計(jì)量

2.1.1 LNG密度準(zhǔn)確計(jì)量步驟

(1)盤存時(shí)，按取樣要求，取LNG儲(chǔ)罐中的液樣，進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，并取得質(zhì)量報(bào)告。

(2)盤存時(shí)，在SCADA控制系統(tǒng)中抄錄LNG儲(chǔ)罐的溫度。

(3)根據(jù)質(zhì)量報(bào)告和相關(guān)修正因子表，按公式(9)計(jì)算LNG的密度：

(9)

式中：Xi——i組分的摩爾分?jǐn)?shù)，(mol/mol)%；

Mi——i組分的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

Vi——i組分的摩爾體積，m3/kmol；

Vt——組分在溫度t混合時(shí)的縮小體積，m3/kmol。

其中Vt可由(10)式計(jì)算。

Vt=[k1+(k2-k1)XN2/0.0425]XCH4

(10)

式中：k1、k2——修正因子，修正因子K1和K2查詢?cè)斠姳?、表5；

XN2——組分N2的摩爾分?jǐn)?shù)，%；

XCH4——組分CH4的摩爾分?jǐn)?shù)，%。

表4 修正因子k1查詢表 m3/kmol

表5 修正因子k2查詢表 m3/kmol

2.1.2 LNG密度準(zhǔn)確計(jì)量案例

例4：某加氣站，LNG儲(chǔ)罐容積為54 m3，盤存時(shí)在SCADA控制系統(tǒng)中抄錄的相關(guān)數(shù)據(jù)為：儲(chǔ)罐LNG溫度為-158.7 ℃，液位為1 000 mm(水柱10.0kPa)，LNG儲(chǔ)罐氣相壓力為0.8 MPa,氣相溫度為-80 ℃。取樣后的質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告見表6，求LNG密度。

LNG組分參數(shù)表(-158.7 ℃)見表6。

表6 LNG組分參數(shù)表(-158.7℃)

解：(1)根據(jù)質(zhì)檢報(bào)告(見表6)，計(jì)算LNG組分摩爾質(zhì)量和摩爾體積：

∑XiMi=14.735 50+2.044 76+0.383 64+0.087 18+0.063 94+0.072 2+0.058 83=17.381 06 kg/kmol

∑XiMi=0.035 205+0.300 326 8+0.000 545+0.000 116+0.000 086+0.000 009+0.000 101=0.039 329 m3/kmol

(2)再通過查表4、表6(內(nèi)插法查表)，求得修正因子k1、k2：

查表4計(jì)算修正因子k1

求-160 ℃，∑XiMi=17.381 06對(duì)應(yīng)的k1

(17.381 06-17)=0.000 286 21 m3/kmol

求-155 ℃，∑XiMi=17.381 06對(duì)應(yīng)的k1

(17.381 06-17)=0.000 327 64 m3/kmol

求-158.7 ℃，∑XiMi=17.381 06對(duì)應(yīng)的k1

(-158.7-160)=0.000 297 m3/kmol

查表5計(jì)算修正因子k2

求-160 ℃，∑XiMi=17.381 06對(duì)應(yīng)的k2

(17.381 06-17)=0.000 54 m3/kmol

求-155 ℃，∑XiMi=17.381 06對(duì)應(yīng)的k2

(17.381 06-17)=0.000 74 m3/kmol

求-158.7 ℃，∑XiMi=17.381 06對(duì)應(yīng)的k2

(-158.7+160)=0.000 592 m3/kmol

(3)按公式(10)計(jì)算組分在溫度t(-158.7 ℃)混合時(shí)的縮小體積：

Vt=[0.000 297+(0.000 592-0.000 297)×0.21%/0.042 5]×91.85%=0.000 286 2 m3/kmol

(4)按公式(9)計(jì)算LNG的密度：

ρt=17.381 06/(0.039 329-0.000 286 2)kg/m3=445.2 kg/m3

2.2 LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存質(zhì)量的準(zhǔn)確計(jì)量

2.2.1 LNG儲(chǔ)罐準(zhǔn)確計(jì)量步驟

(1)盤存時(shí)，按取樣要求，取LNG儲(chǔ)罐中的液樣，在SCADA控制系統(tǒng)中抄錄LNG儲(chǔ)罐的溫度、壓力與液位高度。

(2)按2.1條“LNG密度準(zhǔn)確計(jì)量步驟”，計(jì)算出儲(chǔ)罐LNG的密度。

(3)修正容積(m3)=液容積×容積修正系數(shù)。

(4)修正密度(g/cm3)=液密度-空氣浮力修正系數(shù)(1.1 kg/m3)。

(5)液體庫存量(t)=修正容積×修正密度。

(6)氣體容積(m3)=儲(chǔ)罐全容積(N)-液容積(H)。

(7)氣體修正系數(shù)=氣體容積/(273+氣體溫度)×(1.033+壓力)×相對(duì)分子量×修正密度/(液密度×11.798)。

(8)氣體庫存量(t)=氣體容積×氣體修正系數(shù)/1 000。

(9)液化氣庫存量(t)=液體庫存量+氣體庫存量。

2.2.2 LNG儲(chǔ)罐準(zhǔn)確計(jì)量案例

例5：某LNG加氣站，盤存時(shí)在SCADA控制系統(tǒng)中抄錄的相關(guān)數(shù)據(jù)見例4，LNG天然氣各組分的摩爾質(zhì)量見表6，54 m3立式低溫液體儲(chǔ)罐液位換算表見表7(見檢定證書)，LNG儲(chǔ)罐容積溫度系數(shù)參照表見表8(見檢定證書)，求液體庫存量、氣體庫存量和LNG儲(chǔ)罐液化氣總庫存量。

表7 54 m3立式低溫液體儲(chǔ)罐液位換算表

表8 儲(chǔ)罐容積溫度系數(shù)參照表

解：(1)由1 000 mm水柱和液位換算表(表7)得，V液容積=9.481 m3

由-158.7℃和溫度系數(shù)參照表(表8)得：

(-158.7+158.6)=1.000 065

修正容積V液=V液容積×K1=9.481×1.000 065=9.482 m3

(2)LNG密度ρ液=0.445 2 g/cm3(見例4)，空氣浮力修正系數(shù)K2=0.001 1 g/cm3

修正密度ρ修正=ρ液-K2=0.444 1g/cm3

(3)液體庫存量M液=V液×ρ修正=9.482×0.444 1=4.211 t

(4)氣體容積V氣=V罐-V液=54-9.482=44.518 m3

(5)相對(duì)分子量M分子量=16.043×0.918 5+30.070×0.068+44.097×0.008 7+58.123×(0.001 5+0.001 1)+72.150×0.000 1+28.014×0.002 1=17.381

儲(chǔ)罐氣相壓力p壓=0.8×106/(9.8×10 000)=8.163 kg/cm2

氣體修正系數(shù)K3=V氣/(273.15+T氣)×(1.033+p壓)×M分子量×ρ修正/(ρ液×11.798)=44.518/(273.15-80)×(1.033+8.163)×17.381×0.444 1/(0.445 2×11.798)=3.115

(6)氣體庫存量M氣=V氣×K3/1 000=44.518×3.115/1 000=0.139 t

(7)LNG儲(chǔ)罐液化氣總庫存量M總=M液+M氣=4.211+0.139=4.350 t

2.2.3 LNG重量估算法計(jì)算及誤差分析

(1)估算法計(jì)算公式為：

M液=V液容積×430.0

(11)

式中：M液——LNG儲(chǔ)罐液體的估算重量，kg；

V液容積——LNG儲(chǔ)罐液位對(duì)應(yīng)的容積，m3；

430.0——人為設(shè)定的LNG固定密度，kg/m3。

估算法計(jì)算就沒有考慮LNG儲(chǔ)罐內(nèi)氣化的天然氣重量，密度也是預(yù)先人為設(shè)定的。

(2)例5中，若按公式(11)計(jì)算得：

LNG儲(chǔ)罐液體的估算重量M估=9.481×430.0=4 077 kg=4.077 t

(3)估算法計(jì)算與準(zhǔn)確計(jì)算的誤差為：

絕對(duì)誤差=4.077-4.350=-0.273 kg

最大相對(duì)誤差=(-0.273)/4.350×100 %=6.28 %

由此可見，加氣站日盤或月度盤，采用估算法計(jì)算LNG儲(chǔ)罐液體的重量，會(huì)產(chǎn)生非常大的誤差。

3 結(jié)束語

(1)筆者基于3個(gè)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合加氣站盤存實(shí)際情況，提煉出加氣站儲(chǔ)氣(液)罐(井)準(zhǔn)確盤存計(jì)量的方法、程序、計(jì)算公式與計(jì)算系數(shù)表，計(jì)量準(zhǔn)確，對(duì)規(guī)范加氣站的盤存計(jì)量工作及提高加氣站盤存的準(zhǔn)確性與減少大損大溢，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

(2)文中盤存計(jì)量的案例說明，目前加氣站儲(chǔ)罐儲(chǔ)氣(液)量的“盤存估算法”未考慮溫度、壓力、密度、組分等因素的影響，使計(jì)量誤差非常大，故應(yīng)采用基于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確計(jì)算法。

(3)基于當(dāng)前加氣站盤存計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與制度相對(duì)滯后及準(zhǔn)確計(jì)算的復(fù)雜性，建議相關(guān)部門盡快研究并制定儲(chǔ)氣(液)罐(井)盤存計(jì)量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)制度，并開發(fā)準(zhǔn)確的計(jì)算軟件，以規(guī)范加氣站盤存計(jì)量，避免人為的大損大溢。