關(guān)于天然氣能量計(jì)量改革相關(guān)問題的探討

孫祥太

(中原油田分公司 油氣儲運(yùn)中心，河南 濮陽 457001)

1 能量計(jì)量的發(fā)展趨勢

天然氣計(jì)量計(jì)價(jià)主要有3種方式，即體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量.然而，國內(nèi)外在天然氣的計(jì)量方式上并不統(tǒng)一，我國天然氣計(jì)量主要為體積計(jì)量，采用將工況條件下的體積流量值換算成標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量進(jìn)行結(jié)算，體現(xiàn)了單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的體積量的多少，但由于不同氣源下的天然氣組分各不同，同樣體積的天然氣燃燒后產(chǎn)生的熱量就會不一樣.質(zhì)量計(jì)量只體現(xiàn)了單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的天然氣的質(zhì)量，質(zhì)量相同、組分不同的天然氣，燃燒后產(chǎn)生的熱量也會不一樣.因此，無論是體積計(jì)量還是質(zhì)量計(jì)量都不能很好的反映天然氣貿(mào)易計(jì)量中的優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)原則.但是，能量計(jì)量反映的是天然氣燃燒后所釋放的熱能，它是一種科學(xué)合理的計(jì)量方法，可以最好地反映天然氣作為燃料的特性.目前，它被廣泛用于天然氣國際貿(mào)易.

隨著我國經(jīng)濟(jì)和石油與天然氣行業(yè)的強(qiáng)力發(fā)展[1]，天然氣儲運(yùn)計(jì)量日益重要.當(dāng)前我國進(jìn)口天然氣管道陸續(xù)投產(chǎn)，全國天然氣骨干管網(wǎng)已基本形成，部分區(qū)域性天然氣管網(wǎng)逐步完善，非常規(guī)天然氣管道蓬勃發(fā)展，“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近外供”的供氣格局已經(jīng)形成[2].隨著國家管網(wǎng)公司的成立，互聯(lián)互通工作將加速開展，能量計(jì)量勢在必行.特別是在2019年5月國家正式發(fā)布《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》，要求“以能量作為貿(mào)易結(jié)算依據(jù)，暫不具備熱值計(jì)量條件的，應(yīng)于本辦法施行之日起 24 個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱值計(jì)量”，將進(jìn)一步推動能量計(jì)量的施行[3].由此帶來的改革問題及面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)不容忽視.

2 我國能量計(jì)量面臨問題

2.1 計(jì)量界面復(fù)雜多元

國家相關(guān)部門于2008年底發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22723—2008《天然氣能量測定》，并于2009年8月1日起正式實(shí)施.該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，從生產(chǎn)商到最終用戶，天然氣有6個(gè)可能的能量測量界面.因?yàn)檫@個(gè)天然氣能量測量的界面基本上是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)“ISO 15112—2007”建立的，所以它主要反映了歐美的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈及其貿(mào)易測量的交接方式，與我國實(shí)際有一些區(qū)別.

我國的天然氣產(chǎn)業(yè)鏈較為多元且復(fù)雜[4].在天然氣供應(yīng)方面，既有國內(nèi)陸上氣田生產(chǎn)的天然氣、海上氣田生產(chǎn)的天然氣，也有國外進(jìn)口的管道氣及LNG；在輸送環(huán)節(jié)上，既有省際輸氣管網(wǎng)、也有省內(nèi)輸氣管網(wǎng)和城市燃?xì)夤?國內(nèi)氣田生產(chǎn)的天然氣除通過省內(nèi)輸氣管網(wǎng)或區(qū)域輸氣管道銷售給工業(yè)用戶和城市燃?xì)夤就?，也有通過省際輸氣管網(wǎng)直供工業(yè)用戶或者在省門站銷售給省內(nèi)管輸公司，局部地區(qū)也存在氣體生產(chǎn)商直接銷售給城市燃?xì)夤?，然后由跨省輸氣公司、省?nèi)輸氣公司或者城市燃?xì)夤窘?jīng)其配氣管網(wǎng)銷售給工業(yè)、居民和其他終端用戶.

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，我國天然氣從生產(chǎn)商或儲氣庫到終端用戶之間的天然氣貿(mào)易交接至少有10個(gè)計(jì)量交接界面(如圖1所示).

圖1 天然氣產(chǎn)業(yè)鏈可能發(fā)生能量測定的界面

目前，由于我國石油行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，天然氣產(chǎn)業(yè)鏈仍還是上游和中游整合運(yùn)營，從廣義上講，界面1和界面2還屬于內(nèi)部計(jì)量交接，不存在貿(mào)易交接.但隨著國家管網(wǎng)公司的成立，輸氣管道將從上游公司剝離，將實(shí)行獨(dú)立經(jīng)營，上游和中游將不再屬于內(nèi)部交接，因此以上10個(gè)界面都將是能量計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算的界面.

2.2 影響計(jì)量準(zhǔn)確性的因素增多

2.2.1 間接測量降低計(jì)量精度

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》規(guī)定，能量測定采用基于時(shí)間變化的間接測定法,即天然氣能量值等于一段計(jì)算時(shí)間內(nèi)氣體流量與高位發(fā)熱量的乘積.由此可見，能量測量屬于間接測量，需要分別測量氣體流量(即體積量)和該流量單元所產(chǎn)生的高位發(fā)熱量，中間參數(shù)相對增多，從而導(dǎo)致計(jì)量精度相對降低.

2.2.2 氣質(zhì)取樣頻率影響計(jì)量準(zhǔn)確度

如圖2所示，氣體的能量測定是根據(jù)隨時(shí)間而變化的氣體流量和發(fā)熱量決定，即分別為q(t)和H(t).在趨于無限小的時(shí)間段內(nèi)，測定能量流量e(t)用微分表示為：

圖2 我國能量計(jì)量測定示意圖

e(t)=H(t)×q(t).

(1)

在時(shí)間t內(nèi)，對上式進(jìn)行積分，則獲得時(shí)間t0至tN內(nèi)流過的氣體能量E(tN).

(2)

在一個(gè)趨于無限小時(shí)間間隔(Δt)，設(shè)定的發(fā)熱量H(t)可假定為一個(gè)常數(shù)HC，將t0至t1周期劃分為n個(gè)時(shí)間間隔以滿足上述假設(shè)，從而得出如下公式：

(3)

在實(shí)際的測量系統(tǒng)中，各時(shí)間間隔(Δt)內(nèi)輸送的氣體量Q是以測量值形式直接產(chǎn)生的.由此，式(3)可以寫成：

(4)

式中：E(tN)—時(shí)間t0至t1內(nèi)流過的氣體能量，MJ；HC，N—標(biāo)準(zhǔn)參比條件下氣體的發(fā)熱量，MJ/m3；QN—各時(shí)間間隔段(Δt)內(nèi)輸送的氣體體積量，m3.

由此可見，時(shí)間間隔(Δt)的長短，即氣質(zhì)取樣分析的間隔長短(即取樣頻率)將直接影響能量測定的準(zhǔn)確度.

2.2.3 發(fā)熱量賦值偏差

天然氣發(fā)熱量有直接測定法和間接測定法兩種方式[5].直接測定法能夠直觀地反映出天然氣的實(shí)際發(fā)熱量，但是它對測量設(shè)備要求較高，操作過程復(fù)雜，不太適合大規(guī)模應(yīng)用.我國現(xiàn)有的大口徑、長輸管網(wǎng)均未配備直接熱值測量設(shè)備，發(fā)熱量通常由在線的氣相色譜分析儀或通過離線的實(shí)驗(yàn)室色譜分析儀測定[6]，然后將測得的數(shù)據(jù)通過狀態(tài)方程計(jì)算，從而間接獲得氣體的發(fā)熱量.目前,中石油及部分管道公司在A 級計(jì)量站(即輸氣量不小于50 000 m3/h)按照要求配置了在線氣相色譜分析儀.因此，在線氣相色譜分析儀所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體的準(zhǔn)確度將影響氣體組分分析的不確定度，從而帶來發(fā)熱量的計(jì)算誤差[7].

對于大多數(shù)的B級計(jì)量站和C級計(jì)量站均沒有配置在線氣相色譜分析儀,而是采用就近數(shù)據(jù)賦值方法獲取氣體的發(fā)熱量.當(dāng)發(fā)熱量測定點(diǎn)和體積測量點(diǎn)之間的氣體流向不變，且在能量測定期間，氣質(zhì)組分變化以及發(fā)熱量測定點(diǎn)與流量測定點(diǎn)之間的輸送時(shí)間變化均較小時(shí)，對發(fā)熱量可采用就近發(fā)熱量固定賦值，即上游所測發(fā)熱量的平均值賦值給就近的計(jì)量界面.但在開放的輸氣管網(wǎng)中，界面處的氣體組分、生產(chǎn)工藝、粉塵量等都存在著不同的變化，賦給某個(gè)界面的數(shù)據(jù)不能完全代表通過該界面的氣體，因此采用就近數(shù)據(jù)賦值獲取發(fā)熱量時(shí)存在一定的偏差.

2.3 基準(zhǔn)門站價(jià)格的制定

計(jì)量方式的改變勢必帶來計(jì)價(jià)方式的改變.天然氣能量計(jì)量的改革將不可避免地導(dǎo)致天然氣計(jì)價(jià)方式由體積計(jì)價(jià)改為能量計(jì)價(jià)的轉(zhuǎn)變，涉及到天然氣產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的切身經(jīng)濟(jì)利益，也是改革能否成功的關(guān)鍵.因此為確保計(jì)價(jià)方式改革的順利進(jìn)行，在科學(xué)合理的前提下，應(yīng)盡量保持天然氣價(jià)格基本穩(wěn)定.

能量價(jià)格的制定，一種簡單實(shí)用的辦法，就是將當(dāng)前的天然氣體積價(jià)格除以對應(yīng)的單位體積發(fā)熱量[8]，用公式表示為：

Pe=PV/Hg.

(5)

式中：Pe—能量價(jià)格，元/MJ；Pv—當(dāng)前的體積價(jià)格，元/m3；Hg—單位體積發(fā)熱量，MJ/m3.

我國各油氣田生產(chǎn)的天然氣發(fā)熱量各不相同，以中石油各油田為例，高位發(fā)熱量最小為33.23 MJ/m3,最大為42.21 MJ/m3,與國內(nèi)煤層氣、國外進(jìn)口的管道氣以及液化天然氣之間也存在差異，而且各類氣源的生產(chǎn)量及其在總量中的所占的市場份額每年都在發(fā)生變化，因此很難計(jì)算出我國天然氣的平均發(fā)熱量值[9].在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2012《天然氣》中，天然氣分為3類，并分別制定了高位發(fā)熱量的最低下限.但是，如果將這3類天然氣的最低發(fā)熱量(31.4 MJ/m3)用作我國天然氣的基準(zhǔn)發(fā)熱量，則不適合能量計(jì)量改革的需要.首先，由于3類天然氣的最低發(fā)熱量太低，與實(shí)際的平均發(fā)熱量存在一定差距；其次，由于我國生產(chǎn)的天然氣高位發(fā)熱量一般都在36 MJ/m3以上，計(jì)價(jià)方式的轉(zhuǎn)換將帶來天然氣價(jià)格的大幅上漲，不能達(dá)到改革所要的目的.因此，能量計(jì)量基準(zhǔn)門站價(jià)格的制定還需要深入細(xì)致的調(diào)查研究.

2.4 成本問題不容忽視

由體積計(jì)量向能量計(jì)量的轉(zhuǎn)換，勢必帶來大量終端計(jì)量儀器儀表的改換[10].在氣體生產(chǎn)及管輸環(huán)節(jié)，為了盡可能的取得真實(shí)的管道氣質(zhì)組分，需要在相應(yīng)界面之間，加密在線色譜分析儀的數(shù)量.在城市燃?xì)忸I(lǐng)域，貿(mào)易交接較多，涉及到不同的用戶、覆蓋界面更廣，儀器儀表的改造成本相對較大，同時(shí)需要根據(jù)不同的工業(yè)用戶、居民用戶的熱值需求，制定不同的管理辦法及交接協(xié)議，以便更順利完成貿(mào)易交接.

3 解決思路

3.1 優(yōu)化配置氣質(zhì)分析設(shè)備

天然氣的發(fā)熱值與氣質(zhì)組分密切相關(guān).由于天然氣管網(wǎng)設(shè)施互聯(lián)互通的加速實(shí)施，不同界面接入、不同氣源、不同氣質(zhì)組分以及氣質(zhì)的混合程度不一，導(dǎo)致了天然氣組分很難在時(shí)間和空間上保持一個(gè)恒定的組分值.為了盡可能的取得真實(shí)的管道氣質(zhì)組分，需要在相關(guān)界面加密在線氣體色譜分析儀的數(shù)量.同時(shí)根據(jù)貿(mào)易計(jì)量交接的需要，考慮就近原則、統(tǒng)籌兼顧，優(yōu)化氣質(zhì)組分采樣點(diǎn)，合理配置氣體色譜分析儀，以便于取得更加真實(shí)的管道氣質(zhì)組分，從而獲得更加精確的發(fā)熱值.

3.2 探索發(fā)熱量直接測定

發(fā)熱量的直接測定主要采用熱值儀，通過燃燒一定量的氣體可以直接獲得氣體的發(fā)熱量.目前國內(nèi)已有相關(guān)公司開始了熱值儀地研發(fā)與應(yīng)用[11].通過研究氣體發(fā)熱量直接測定方法將有效地避免間接測量帶來的誤差，更直觀的反映氣體的發(fā)熱值，也是氣相色譜間接測定法的驗(yàn)證和補(bǔ)充.

3.3 建立天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前我國對體積流量計(jì)、在線氣相色譜分析儀、各類變送器等影響計(jì)量準(zhǔn)確度地關(guān)鍵設(shè)備均制定了相應(yīng)的檢定規(guī)程[12]，但用于能量計(jì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備尚未完善，因此為確保各類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，應(yīng)盡快制定適應(yīng)天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn).明確能量計(jì)量的方式、計(jì)量單位、相關(guān)設(shè)備的檢定標(biāo)準(zhǔn)、天然氣基準(zhǔn)發(fā)熱量、天然氣價(jià)格、管輸費(fèi)的轉(zhuǎn)換方式以及特殊情況下的補(bǔ)償方法等問題，為能量計(jì)量改革保駕護(hù)航.

3.4 建立滿足能量計(jì)量要求的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系

目前,已有的用于天然氣分析用的含十一組分的一級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)僅有3種,在準(zhǔn)確度水平、濃度覆蓋范圍和種類上，與國際相比存在一定的差距，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足天然氣工業(yè)多氣源、多品種天然氣溯源的需要[13].因此，建議在正式實(shí)施天然氣能量計(jì)量之前,對氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行研究，形成高水平的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制造技術(shù)，研發(fā)高精確度的國家一級多組分氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),不斷健全完善我國現(xiàn)有的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系，從而提高能量計(jì)量的準(zhǔn)確度.

3.5 選擇部分管網(wǎng)，先行先試

天然氣計(jì)量改革涉及面廣、環(huán)節(jié)多，各層面需要緩沖期，可以選擇有代表性、標(biāo)志性或者具有一定封閉性的管網(wǎng)作為試點(diǎn)，例如，在重要的省際天然氣管道，管理成熟、長期運(yùn)行的管道或者計(jì)量界面較少、相對封閉的輸氣管網(wǎng)，率先進(jìn)行改革，積累管理經(jīng)驗(yàn)并暴露相關(guān)問題，為全面推廣能量計(jì)量奠定基礎(chǔ).

4 結(jié) 論

(1)隨著國家管網(wǎng)公司的成立，無論是國內(nèi)陸上天然氣、近海天然氣還是國外進(jìn)口的管道氣以及LNG，都將進(jìn)入統(tǒng)一的國家天然氣管網(wǎng)，管輸逐漸分離，作為各相關(guān)方十分敏感的計(jì)量貿(mào)易交接系統(tǒng)、能量計(jì)價(jià)體系，其改革的成敗將直接決定著我國天然氣體制改革的進(jìn)展和成效.

(2)我國天然氣能量計(jì)量體系尚未完善，雖取得了一些成果，但在發(fā)熱量量值溯源體系建設(shè)、計(jì)量站設(shè)備配置及維護(hù)保養(yǎng)、關(guān)鍵設(shè)備的校準(zhǔn)與檢定、發(fā)熱值性能評價(jià)以及運(yùn)行管理等方面還需進(jìn)行科學(xué)研究.

(3)應(yīng)在穩(wěn)定市場的前提下采取循序漸進(jìn)、分步推進(jìn)的辦法實(shí)施，明確時(shí)間表，給各層面一定的緩沖期，短期內(nèi)對于阻力較大但又熱值穩(wěn)定的界面，可探索“體積計(jì)量、熱值計(jì)價(jià)”的解決方式.