商品乙烷體積計量交接方式評價

晁宏洲,方林劍,程會武

1.中國石油塔里木油田分公司 油氣運銷部 （新疆 庫爾勒 841000）

2.新疆巴州塔里木能源有限責(zé)任公司 （新疆 庫爾勒 841000）

目前我國的天然氣貿(mào)易交接采取體積計量的方式，很多油氣田企業(yè)盡可能利用天然氣生產(chǎn)高附加值的中間產(chǎn)品，把深加工利益留在企業(yè)。X油田除了對凝析氣凝液分餾生產(chǎn)LPG和穩(wěn)定輕烴外，還進一步從產(chǎn)品氣中分離出乙烷用作裂解制乙烯的原料。在乙烷回收工廠和裂解制乙烯工廠之間需要進行商品乙烷的貿(mào)易交接計量，計量技術(shù)部門討論研究了商品乙烷的計量方式問題，以期提供正確的計量技術(shù)方案。

1 體積計量方式及其存在問題

1.1 計量系統(tǒng)

以體積單位計量，是我國氣體貿(mào)易交接的習(xí)慣。氣態(tài)乙烷屬于天然氣的組分，設(shè)計者自然沿用天然氣的計量方式。項目方案中為提高交接計量的準(zhǔn)確度，根據(jù)GB/T 18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》［1］設(shè)計了超聲計量系統(tǒng)。利用高準(zhǔn)確度的超聲流量計測工況體積，配備高準(zhǔn)確度的壓力和溫度變送器，并配套在線色譜儀檢測天然氣組分含量，各項參數(shù)在流量計算機里完成標(biāo)況體積計算。

1.2 存在問題

根據(jù)GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》［2］，天然氣工況體積Vf轉(zhuǎn)化標(biāo)況體積Vn可以通過密度ρ或通過壓力P、溫度T和壓縮因子Z轉(zhuǎn)化。以上幾類參數(shù)中，Vf、P、T均為儀表實際測量值，ρ、Z均通過在線或離線色譜儀測得天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)后根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法計算得到。ρ、Z是天然氣流量測量中非常重要的兩個物性參數(shù)，在天然氣工況體積Vf轉(zhuǎn)化標(biāo)況體積Vn上具有等同的作用。

天然氣物性計算依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個：GB/T 17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計算第2部分：用摩爾組成進行計算》[3]，修改采用了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12213—2:2006《天然氣.計算壓縮因子第2部分:利用摩爾成分分析計算》，用于工況條件下的天然氣物性參數(shù)計算；GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》[4]，修改采用了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6976:1995，用于標(biāo)況條件下的天然氣物性參數(shù)計算。

GB/T 17747.2—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了天然氣、含人工摻合物的天然氣和其他類似混合物僅以氣體狀態(tài)存在時的壓縮因子計算方法。該計算方法用已知天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)組成和相關(guān)壓力、溫度計算天然氣的壓縮因子，摩爾分?jǐn)?shù)大于0.000 05的所有組分都必須在計算中考慮，所有組分加和應(yīng)為（1±0.000 1）。該計算方法是基于擴展的維利方程，通常需要迭代求解，又稱為AGA8-92DC計算方法，主要應(yīng)用在輸氣和配氣正常進行的壓力和溫度范圍內(nèi)的管輸氣，計算不確定度約為0.1%。

GB/T 17747.2—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，AGA8-92DC計算方法對管輸氣的應(yīng)用范圍如下：絕對壓力0≤P≤12 MPa；熱力學(xué)溫度263 K≤T≤338 K；高位發(fā)熱量30 MJ/m3≤ HS≤45 MJ/m3，相對密度0.55≤d≤0.80。標(biāo)準(zhǔn)還對天然氣中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)范圍做出規(guī)定，見表1。

表1 天然氣中各組分摩爾分?jǐn)?shù)適用范圍

在天然氣的輸配氣環(huán)節(jié)，工藝條件一般都能滿足壓力和溫度范圍。當(dāng)天然氣中部分組分摩爾分?jǐn)?shù)超出表1的數(shù)值范圍時，如果能滿足GB/T 17747.2—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“更寬的應(yīng)用范圍”，則壓縮因子計算不確定度變大，計算性能可查閱標(biāo)準(zhǔn)“附錄E更寬范圍的應(yīng)用效果”。附錄E中分別給出了計算高含N2、CO2、C2H6、C3H8天然氣壓縮因子時不確定度的估計范圍。在天然氣組分摩爾分?jǐn)?shù)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“更寬的應(yīng)用范圍”時，則壓縮因子計算不確定度將無法估計。

GB/T 11062—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了已知用摩爾分?jǐn)?shù)表示的氣體組成時，計算干天然氣、天然氣代用品和其他氣體燃料的高位發(fā)熱量、低位發(fā)熱量、密度、相對密度及沃泊指數(shù)的方法，對于以體積為基準(zhǔn)的物性計算，該方法僅限于組成中CH4摩爾分?jǐn)?shù)不小于0.5的天然氣。同時對天然氣中除CH4外其余可能出現(xiàn)的各組分的含量也有所限制。通常N2的摩爾分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.3；CO2和C2H6的摩爾分?jǐn)?shù)均不超過0.15；其他組分的摩爾分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.05。在此條件下，計算值的不確定度才可確保在0.1%之內(nèi)。

而本次乙烷回收項目的商品乙烷組分濃度與以上兩項天然氣物性參數(shù)計算標(biāo)準(zhǔn)適用的組分濃度相差非常大，ρ、Z計算的不確定度將難以估計。商品乙烷計量工藝條件見表2。

表2 商品乙烷計量工藝條件表

2 體積計量誤差計算

2.1 方法概述

因為商品乙烷的摩爾組成嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ρ、Z計算方法的適用范圍，物性參數(shù)計算的不確定度不能得到較準(zhǔn)確的評定，但利用專業(yè)的天然氣氣質(zhì)計算軟件，通過把商品乙烷的摩爾組成調(diào)整到滿足標(biāo)準(zhǔn)計算方法適用的邊界條件，便可以計算出體積計量結(jié)果的誤差范圍。利用專業(yè)軟件根據(jù)表2列出的計量工藝條件計算出商品乙烷的ρ、Z兩項參數(shù)，見表3。

式中：qe(mg/g)表示吸附量；Ce(mg/L)表示平衡濃度；a(mg/g)表示最大吸附量；b表示Langmuir系數(shù)，與吸附質(zhì)和吸附劑之間的親和力相關(guān)聯(lián)[9]。

表3 商品乙烷計量工藝條件下的物性計算數(shù)據(jù)表

根據(jù)GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》，天然氣標(biāo)況體積計算的一種方法是在工況體積的基礎(chǔ)上，通過密度轉(zhuǎn)換，見公式（1）。

式中：Vn為天然氣標(biāo)況體積，m3；Vf為天然氣工況體積，m3；ρf為天然氣工況密度，kg/m3；ρn為天然氣標(biāo)況密度，kg/m3。

從公式（1）可以看出，工況體積Vf可以通過超聲流量計準(zhǔn)確測得，商品乙烷標(biāo)況體積Vn的誤差全部來源于ρf和ρn兩個參數(shù)，計算不準(zhǔn)確。

在工況體積Vf相同的情況下，通過比較實際組分情況與將組分調(diào)整到滿足標(biāo)準(zhǔn)計算方法邊界條件情況下的商品乙烷（ρf/ρn）關(guān)系，可以得到商品乙烷組分不滿足物性計算標(biāo)準(zhǔn)而造成的計量誤差的上、下限值。

根據(jù)GB/T 18603—2014標(biāo)準(zhǔn)，天然氣標(biāo)況體積計算的另一方法是在工況體積的基礎(chǔ)上，通過壓力P、溫度T和壓縮因子Z轉(zhuǎn)換，見公式（2）。

式中：Pf為天然氣工況壓力，MPa；Pn為天然氣計量參比條件下的壓力，MPa；Tn為天然氣計量參比條件下的溫度，℃；Tf為天然氣工況條件下的溫度，℃；Zn為天然氣標(biāo)況壓縮因子；Zf為天然氣工況壓縮因子。

從公式（2）可以看出，工況體積Vf、壓力P、溫度T可以通過超聲流量計、壓力變送器、溫度變送器準(zhǔn)確測得，計量參比條件下的壓力Pn、溫度Tn為常數(shù)，標(biāo)況體積Vn的誤差全部來源于Zf和Zn兩個參數(shù)，計算不準(zhǔn)確。

在工況體積Vf、壓力P、溫度T相同的情況下，比較商品乙烷在實際組分情況下與將組分調(diào)整到滿足標(biāo)準(zhǔn)計算方法邊界條件情況下的（Zn/Zf）關(guān)系，可以得到因商品乙烷組分不滿足物性計算標(biāo)準(zhǔn)而造成的計量誤差的上、下限值。

由公式（1）、（2）可以看出，（ρf/ρn）、（Zn/Zf）代表天然氣在工況條件下被壓縮的程度和偏離理想氣體特性的程度，也就是工況體積偏離標(biāo)況體積的程度。將商品乙烷中的幾種組分按照偏離程度的從大到小進行排序，為CH4，CO2，C2H6，C3H8，C4H10。按照從前到后的順序?qū)⒁陨吓判蛑谐鼵3H8、C4H10外的各組分摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整滿足密度和壓縮因子標(biāo)準(zhǔn)計算方法的最大值，全組分歸一化超出部分再用CO2調(diào)整，計算出ρ和Z兩個參數(shù)；通過與商品乙烷實際組分計算出的ρ和Z兩個參數(shù)作對比，可以得到商品乙烷采用體積方式計量的最大誤差。相反地，按照從后到前的順序?qū)⒁陨吓判蛑谐鼵H4外的各組分摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整滿足密度ρ和壓縮因子Z標(biāo)準(zhǔn)計算方法的最大值，全組分歸一化剩余部分計入CH4（在CH4含量不達(dá)標(biāo)時，從其相鄰組分補足），計算出ρ和Z兩個參數(shù)；通過與商品乙烷實際組分計算出的ρ和Z兩個參數(shù)做對比，可以得到商品乙烷采用體積方式計量的最小誤差。

2.2 誤差最大值

表4 商品乙烷中偏離較大的組分摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整至GB/T 17747.2—2011允許最大值后的新組成及物性計算表

由表4知，（Zn1/Zf1）=1.054 00與商品乙烷實際的（Zn/Zf）=1.194 12相比較，從壓縮因子計算的角度，可以得到商品乙烷體積計量最大誤差為13.294%。

按照GB/T 11062—2014中規(guī)定的各組分摩爾分?jǐn)?shù)最大值，對商品乙烷中偏離較大的組分做調(diào)整，調(diào)整后的氣體組成及物性參數(shù)計算結(jié)果見表5。

表5 商品乙烷中偏離較大的組分摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整至GB/T 11062—2014允許最大值后的新組成及物性計算表

由表5知，（ρf1/ρn1）=20.091 8與商品乙烷實際的（ρf/ρn）=22.671 7相比，從密度計算的角度，可以得到商品乙烷體積計量最大誤差為12.840%。

2.3 誤差最小值

按照GB/T 17747.2—2011中規(guī)定的各組分摩爾分?jǐn)?shù)最大值，對商品乙烷中偏離較小的組分做調(diào)整，調(diào)整后的氣體組成及物性參數(shù)計算結(jié)果見表6。

由表6，（Zn2/Zf2）=1.059 13與商品乙烷實際的（Zn/Zf）=1.194 12相比較，從壓縮因子計算的角度，可以得到商品乙烷體積計量最小誤差為12.745%。

按照GB/T 11062—2014中規(guī)定的各組分摩爾分?jǐn)?shù)最大值，對商品乙烷中偏離較小的組分做調(diào)整，調(diào)整后的氣體組成及物性參數(shù)計算結(jié)果見表7。

由表7知，(ρf2/ρn2)=20.513 1與商品乙烷實際的（ρf/ρn）=22.671 7相比較，從密度ρ計算的角度，可以得到商品乙烷體積計量最小誤差為10.523%。

表6 商品乙烷中偏離較小的組分摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整至GB/T 17747.2—2011允許最大值后的組成及物性計算表

表7 商品乙烷中偏離較小的組分摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整至GB/T 11062—2014允許最大值后的組成及物性計算表

2.4 誤差范圍

對商品乙烷體積計量誤差值從壓縮因子計算的角度考慮，得到的誤差范圍是12.745%～13.294%；從密度ρ計算的角度，得到的誤差范圍是10.523%～12.840%。兩種計算結(jié)果近似但不完全相同，原因在于兩個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的天然氣組成摩爾分?jǐn)?shù)的限定條件不完全相同，而且為盡可能保證誤差模擬計算結(jié)果與實際情況相符，保留了其中含量輕微的部分組分摩爾分?jǐn)?shù)的原始值，而調(diào)整后的其他組分也不能全部達(dá)到誤差最大值和最小值計算的邊界條件。

如果改變商品乙烷的體積計量方式，依據(jù)SY/T 6659—2016《用科里奧利質(zhì)量流量計測量天然氣流量》［5］標(biāo)準(zhǔn)，采用氣體質(zhì)量流量計直接測量商品乙烷的質(zhì)量作為交接結(jié)算的商品量，則不存在工況與標(biāo)況流量的轉(zhuǎn)換，而且避免了由于物性參數(shù)壓縮因子和密度計算不準(zhǔn)確帶來的誤差。

3 結(jié)論與建議

1）商品乙烷采取體積計量方式，可以得到準(zhǔn)確的工況體積，但在工況體積轉(zhuǎn)化標(biāo)況體積計算過程中產(chǎn)生很大誤差，原因在于物性參數(shù)計算不準(zhǔn)確。

2）商品乙烷的組成不滿足GB/T 17747.2—2011和GB/T 11062—2014中限定的壓縮因子和密度的計算方法適用范圍，故物性參數(shù)計算不確定度不能保證。

3）利用專業(yè)的天然氣氣質(zhì)軟件模擬計算，從壓縮因子和密度計算的角度得到商品乙烷體積計量產(chǎn)生的誤差范圍分別是12.745%～13.294%和10.523%～12.840%，計算結(jié)果證明商品乙烷的體積計量方式不合理。

4）我國尚未發(fā)布商品乙烷計量方法標(biāo)準(zhǔn)，在沿用天然氣計量方式時，需注意組分摩爾濃度對天然氣物性計算方法的適用性。

5）建議對商品乙烷采取質(zhì)量計量方式交接，可以規(guī)避體積計量的不準(zhǔn)確，也更適合乙烷制乙烯化工裝置的物料平衡核算。我國尚未發(fā)布商品乙烷交接計量系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建議交接雙方參照天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求，結(jié)合計量工藝條件，協(xié)商制訂公平、合理滿足實際需求的計量交接協(xié)議。