實施天然氣能量計量對管道企業(yè)的影響研究

蔡浩暉，蔣金生

國家石油天然氣大流量計量站烏魯木齊分站（新疆 昌吉 831100）

天然氣能量計量從能源利用效率和經(jīng)濟價值上都比體積計量更科學、更公平、更公正，世界上大多數(shù)國家和國際天然氣貿(mào)易均采用天然氣交接計量方式，管輸費和天然氣終端消費也同樣采用能量計價[1]。一些計量工作者對能量相關計量技術、實施辦法等進行了大量的研究，認為我國已基本具備了實施能量計量的技術條件[2-12]。我國目前仍以天然氣體積計量為主，國家發(fā)展和改革委員會在《油氣管網(wǎng)設施公平開放監(jiān)管辦法》征求意見稿中，明確提出了天然氣能量計量要求，并規(guī)定了24個月的過渡期[13]。天然氣能量計量是在已應用成熟的體積計量的基礎上，采用體積量和體積發(fā)熱量相乘的方式獲得天然氣能量。對管道運輸企業(yè)來說，現(xiàn)有的體積計量系統(tǒng)在硬件上具備能量計量的基礎條件，但計量方式由體積計量改為能量計量后，管網(wǎng)因多氣源多下載點、管存巨大、管道里程長等特點，會影響到新的計量方式下的準確計量、輸差計算和指標調(diào)整，以及管輸費計價等方面。管道運輸企業(yè)如何適應新的計量方式，是值得研究的問題。

1 準確計量問題

管道天然氣計量方式改為能量計量，能量計算公式如下：

式中：E為能量，MJ；H為高位發(fā)熱量，MJ/m3；V0為標準狀況下計量體積，m3；V為工況計量體積，m3；P為工況絕對壓力，MPa；T0為標準狀況下熱力學溫度，℃；Z0為標準狀況下壓縮系數(shù)，無量綱；P0為標準狀況絕對壓力，MPa；T為工況熱力學溫度，℃；Z為工況壓縮系數(shù)，無量綱。

從公式（1）可以看出，天然氣體積計量與能量計量只相差高位發(fā)熱量H，H是用天然氣組分數(shù)據(jù)計算得到的，故計量方式改為能量計量后，在體積計量方式成熟的基礎上，只需要分析組分數(shù)據(jù)對計量結果的影響，即可解決能量準確計量的問題。

1.1 混合氣組分的準確測量問題

色譜分析儀一般使用與測量天然氣組分相近的標準氣體，采用“外標法”對儀器進行校準后，才能準確使用，相當于“定點使用”。當天然氣組分變化較大時，色譜分析儀內(nèi)部的校準參數(shù)不適合新的天然氣組分，測量準確度會有較大地下降。在濟南LNG接收站采用3種不同組成的標準氣體對氣相色譜分析儀進行校準，測量結果有較大偏差，測量結果示值誤差平均值分別為0.22%和0.27%[11]，這些誤差是計量系統(tǒng)額外產(chǎn)生的，將導致計量系統(tǒng)整體準確度不滿足GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》的要求。天然氣是管網(wǎng)輸送，多氣源多下載點，管網(wǎng)首站氣源比較單一，天然氣組分相對穩(wěn)定，色譜分析儀正常使用即可滿足要求；但天然氣管網(wǎng)各下載點基本上都是混合氣，而且混合氣組分因各氣源輸送比例的變化，導致天然氣組分變化較大，色譜分析儀配套固定組分標準氣體的測量方法已不能使混合氣組分測試結果的準確度達到預期要求。

因此，建議根據(jù)以往的研究成果[2-14]對變化較大混合氣組分的測量制定相應的標準，延展“外標法”的使用范圍，或規(guī)定采用單一的平均校正系數(shù)作為儀器操作性能基準等方法，使變化較大混合氣組分的測量統(tǒng)一、規(guī)范、準確。

1.2 組分人工賦值問題

在天然氣輸配管網(wǎng)實際交接能量計量中，不可能也沒有必要在每個下載氣點都安裝組分分析儀器。如在德國的1 600個計量用戶和50余個進氣點中，僅400多個點安裝有采用氣相色譜儀的天然氣熱值計量裝置，其他交接點主要采用組分賦值方法來實現(xiàn)能量計量[15]。依據(jù)GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》的推薦，氣質(zhì)變化小的單氣源的簡單輸配管網(wǎng)能量計量采用固定賦值和可變賦值的方式基本沒有問題,但對于多氣源的輸配管網(wǎng)能量計量的方法，該標準中并沒有給出具體可操作的能量計量實施方法。

采用區(qū)域供氣的數(shù)量加權平均值可變賦值法對各用戶用氣的發(fā)熱量進行賦值，能量計量誤差可達8%[16]，這種賦值方法應用于復雜的多氣源輸配氣管網(wǎng)將產(chǎn)生較大誤差，不能滿足GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》對能量計量精度的要求。依據(jù)拓撲學基礎，徐孝軒等[16]提出了一種具有可操作性的多氣源輸配系統(tǒng)狀態(tài)重構方法，給出了確定多氣源輸配管網(wǎng)狀態(tài)重構所需的流量儀表的最少數(shù)量及布置的方法。該狀態(tài)重構方法適用于多氣源輸配系統(tǒng)能量計量誤差不超過1%的情況。

用流體力學的數(shù)學模型進行多氣源的輸配管網(wǎng)的天然氣組分準確賦值,需要推導管線壓力分布和流動速度，求出組分流動時間，從而對組分和發(fā)熱量進行賦值計算。但現(xiàn)場工藝復雜，管道的實際運行參數(shù)會對賦值模型計算結果的不確定度產(chǎn)生影響。在管道企業(yè)的信息化管理水平和數(shù)據(jù)應用能力達到一定程度后，可以使數(shù)學模型賦值技術滿足組分賦值要求[15]。

目前還需要根據(jù)以往的研究成果[15-16]，完善具體的天然氣組分人工賦值實施方法,補充到GB/T 22723—2008標準中，或單獨制定組分人工賦值相關的標準，使人工賦值方法統(tǒng)一、準確、具有可操作性。

1.3 天然氣重烴組分的測量問題

天然氣的重烴組分對熱值影響較大，必須測量，但測量到C+6還是C+9，對在線色譜儀配置和配套的標準氣體水平來說，有一個明顯的分界線，測量的在線色譜儀相比測量C+6的在線色譜儀，結構復雜、造價昂貴，C+6的標準氣體是常規(guī)的標準氣體，C+9的標準氣體中國目前還沒有正式生產(chǎn)。表1計算了天然氣組分測量到C+6還是C+9對壓縮系數(shù)Z和高位發(fā)熱量H的影響。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，以測到C+6為基準1，天然氣的重烴組分測量到C+9，天然氣能量計量值直接相關的H/Z值變化0.01%左右，基本可以忽略不計。以C+6增加0.01%（摩爾百分數(shù)）為基準2，對比C7、C8、C9各增加0.01%（摩爾百分數(shù)）的情況下，天然氣能量計量值直接相關的H/Z值變化0.01%左右，基本可以忽略不計。因此，建議將管道企業(yè)配置的色譜分析儀的組分統(tǒng)一測量到C+6，在達到準確度要求的前提下，使管道企業(yè)減少設備投資，降低運行維護成本。

2 輸差指標和烴露點問題

2.1 調(diào)整輸差指標

管道企業(yè)不生產(chǎn)天然氣，超出輸差指標的天然氣，只能按氣價賠付給委托方，故天然氣輸差指標對于管道企業(yè)是一個極其重要的技術經(jīng)濟指標，該指標直接關系著企業(yè)的天然氣運營成本、利潤和聲譽。對于輸氣管網(wǎng)，管輸輸差一般是指一定統(tǒng)計周期內(nèi)在天然氣購進、運輸和售出過程中考慮管道管存變化、自用氣及放空量后所出現(xiàn)的流量量值的減量，體積量計量方式下的輸差計算公式為：

式中：Q5為統(tǒng)計時間內(nèi)輸氣管網(wǎng)輸差,m3；Q1為統(tǒng)計時間內(nèi)的輸入氣量,m3；Q2為統(tǒng)計時間內(nèi)的輸出氣量,m3；Q3為統(tǒng)計時間內(nèi)輸氣單位的生產(chǎn)、生活用氣量,m3；Q4為統(tǒng)計時間內(nèi)放空氣量,m3；V1為開始統(tǒng)計時,管道計算段內(nèi)的儲存氣量,m3；V2為統(tǒng)計結束時,管道計算段內(nèi)的儲存氣量,m3。

管存量引起的輸差僅為賬面輸差，并不產(chǎn)生實際輸差。但管網(wǎng)的管存量巨大，且管網(wǎng)多氣源多下載點，管存量不準確引起的管網(wǎng)輸差波動，會增加管道企業(yè)的分析難度，并有可能產(chǎn)生誤導，因此，管存量計算不準確引起的輸差必須考慮。

目前我國已經(jīng)建成中亞ABC三線、中緬天然氣管道，在建中俄天然氣東線管道，并規(guī)劃建設中亞D線及中俄西線等多條進口天然氣管道，這些已建和在建的管道均采用體積計量方式。國內(nèi)計量方式一旦改為能量計量，而國外進口氣依然保持體積計量，則進口氣計量站點需進行兩次計量（同時進行體積計量和能量計量），工作量大，容易造成混亂；而且由于涉及的計算參數(shù)多且不統(tǒng)一，管網(wǎng)輸差計算需要多次體積量與能量值之間的轉(zhuǎn)換，計算的復雜性將大幅提升，原有的輸差計算公式和輸差指標均有可能發(fā)生變化。

因此，相關部門需要提前準備進口天然氣計量交接方式相配事宜，并做好在不同計量方式并存的條件下，管網(wǎng)輸差計算的技術儲備，形成相關標準，以規(guī)范天然氣管網(wǎng)輸差指標的計算，并據(jù)此對管道企業(yè)提出適應能量計量方式下的輸差指標。

表1 組分對Z和H的影響

2.2 完善烴露點相關標準

C6以上重烴組分對天然氣熱值的影響較大，從表2中數(shù)據(jù)可以看出C+6每變化0.01%（摩爾百分數(shù)），天然氣能量計量值直接相關的H/Z值同向變化0.05%，影響較大。土庫曼斯坦某天然氣凈化廠脫烴裝置設計值中，原料氣中的C+6比成品氣的C+6高0.265 5%（摩爾百分數(shù)）[17]，按表1的數(shù)據(jù)計算，經(jīng)過脫烴處理后，僅僅因為C+6的減少，成品氣的高位發(fā)熱量比原料氣的減少1.3%以上，影響很大。

表2 重烴組分影響表

從體積計量方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰坑嬃亢螅酝?jīng)過脫烴處理的天然氣，因為“高熱值高效益”，再考慮脫烴處理成本，有可能就把較多的重烴留在天然氣中。這種情況下，在管道內(nèi)壓力溫度合適的條件下，將會析出烴液，影響管道運行安全。而現(xiàn)行的GB 17820—2018《天然氣》在5.1款中規(guī)定“在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”，比較含糊，沒有規(guī)定明確的技術指標和測試方法。我國近幾年開展了大量的管輸天然氣直接測定烴露點和間接測定烴露點檢測技術的研究，直接測定技術采用露點儀直接檢測烴露點，而間接測定技術是通過氣相色譜法分析天然氣組成，由天然氣組成數(shù)據(jù)使用專用軟件計算工況下的烴露點，這兩種方法均已研究成熟，且已在工業(yè)現(xiàn)場應用[18-25]。

因此，需要根據(jù)以往的研究成果，在GB 17820—2018《天然氣》或正在制定的《進入天然氣長輸管網(wǎng)的氣體質(zhì)量要求》等相關標準中完善管輸天然氣中烴露點的具體要求和測試方法，以保證改為能量計量后管道的安全運行。

3 管輸費計價問題

按照國家關于“實現(xiàn)管輸和銷售分開”的油氣管網(wǎng)運營機制改革和“放開兩頭，管住中間”的天然氣價格改革目標，天然氣出廠價和管道運輸價將可能從門站價格中分離出來，單獨結算。如果商品天然氣銷售和管道運輸采取不同的計量計價制度，需要同時進行體積計量和能量計量，工作量大，容易造成混亂。由于不同氣源的天然氣進入管網(wǎng)混合運輸，多氣源多下載點，將給天然氣交接和結算帶來困難。管輸費改為能量計價后，低熱值的天然氣較體積計量方式少收管輸費，高熱值的天然氣則多收管輸費；管道企業(yè)輸送相同體積量的天然氣，因為熱值的不同，產(chǎn)生的管輸費不同。

因此，建議統(tǒng)一管輸費計價方式，且根據(jù)目前運行各氣源天然氣的高位發(fā)熱量和輸量，結合未來規(guī)劃，找到體積計量—能量計量管輸費計價的“平衡基準熱值”，比較國家有可能發(fā)布的基準高位發(fā)熱值37 MJ/m3[12]，研究對管道企業(yè)整體效益的影響，找出相應對策，以合理保證購運銷三方利益。

4 結論與建議

鑒于管道企業(yè)現(xiàn)有的天然氣體積計量系統(tǒng)在硬件上已具備能量計量的基礎條件，計量方式由體積計量改為能量計量后，管道企業(yè)基本上不用進行硬件投資，主要在天然氣準確計量、輸差計算與指標、管輸費計價等方面受到影響，重點需要根據(jù)已有的大量研究成果，制定或完善相關標準。為了保證購運銷三方利益，提出以下建議。

1）對變化較大混合氣組分的準確測量制定相應的標準。

2）完善多氣源的輸氣管網(wǎng)的天然氣組分人工賦值實施方法的相關標準。

3）管道企業(yè)統(tǒng)一配置測量C+

6的色譜分析儀。

4）制定不同計量方式并存的條件下管網(wǎng)輸差計算的相關標準，研究新的輸差指標。

5）完善管輸天然氣中烴露點的具體要求和測試方法。

6）計算體積計量—能量計量管輸費計價的“平衡基準熱值”。