天然氣管網(wǎng)能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系建設(shè)探討

徐春野，周陽，李圣彥，李潤澤，王小果

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司油氣調(diào)控中心）

0 引言

為保障國家能源安全，提高油氣資源配置效率，促進(jìn)油氣行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2019年5月24日，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家市場監(jiān)督管理總局四部門聯(lián)合印發(fā)發(fā)改委能源規(guī)〔2019〕916號(hào)《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》，辦法明確提出，“天然氣管網(wǎng)設(shè)施運(yùn)營企業(yè)接收和代天然氣生產(chǎn)、銷售企業(yè)向用戶交付天然氣時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)發(fā)熱量、體積、質(zhì)量等進(jìn)行科學(xué)計(jì)量，并接受政府計(jì)量行政主管部門的計(jì)量監(jiān)督檢查。國家推行天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)，于本辦法施行之日起24個(gè)月內(nèi)建立天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系”［1］。本文從天然氣管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)現(xiàn)狀出發(fā)，提出搭建天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系方法，為公平開放服務(wù)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)滿足天然氣貿(mào)易公平交易的需要，維護(hù)油氣管網(wǎng)設(shè)施運(yùn)營企業(yè)和用戶的合法權(quán)益。

1 天然氣管網(wǎng)計(jì)量計(jì)價(jià)現(xiàn)狀

隨著天然氣管道互聯(lián)互通工程的不斷推進(jìn)，我國正在構(gòu)建覆蓋全國并聯(lián)通海外，可統(tǒng)一調(diào)控的天然氣管網(wǎng)設(shè)施。目前主干管網(wǎng)里程達(dá)7.7×104km，總輸氣能力超過2 800×108m3/a。天然氣資源供應(yīng)主體多元化致使進(jìn)入管道的天然氣成分呈現(xiàn)多樣化，不同產(chǎn)地的天然氣所含烴類與雜質(zhì)組分的含量不固定，單位體積氣體的發(fā)熱量差距較大［2］。其中煤層氣的發(fā)熱量最低，約為34 MJ/m3，進(jìn)口LNG發(fā)熱量介于38～43 MJ/m3。以天然氣體積計(jì)量為主的計(jì)價(jià)方式無法公平地體現(xiàn)天然氣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.1 體積計(jì)量為主，質(zhì)量、能量計(jì)量并存

一直以來，天然氣長輸管道貿(mào)易交接計(jì)量大多是以溫度293.15 K（20 ℃）、壓力101.325 kPa條件下的天然氣體積作為結(jié)算依據(jù)，小部分以天然氣發(fā)熱量作為結(jié)算依據(jù)。

國內(nèi)塔里木、長慶、青海、西南油氣田向長輸管道及下游市場供應(yīng)的天然氣均按照體積計(jì)量結(jié)算，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡稱中國石油）、中國石油化工集團(tuán)有限公司（簡稱中國石化）、中國海洋石油集團(tuán)有限公司（簡稱中國海油）在互聯(lián)互通工程的天然氣也按照體積計(jì)量結(jié)算。中國海油的崖13-1氣田向香港地區(qū)供氣，采用了以天然氣發(fā)熱量作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)算［3］。

進(jìn)口管道氣有按能量計(jì)價(jià)，也有按體積計(jì)量計(jì)價(jià)。中緬管道進(jìn)口天然氣采用能量計(jì)量計(jì)價(jià)，計(jì)量單位為英熱，結(jié)算貨幣為美元。中亞管道進(jìn)口天然氣價(jià)格與國際油價(jià)掛鉤，采用體積計(jì)量和結(jié)算，即美元/千立方米。目前我國進(jìn)口管道天然氣國內(nèi)銷售價(jià)格暫按國產(chǎn)天然氣價(jià)格執(zhí)行。

進(jìn)口LNG在不同環(huán)節(jié)的計(jì)量計(jì)價(jià)也不相同。在進(jìn)口環(huán)節(jié)，普遍采用能量計(jì)價(jià)也就是天然氣發(fā)熱量價(jià)格；在銷售環(huán)節(jié)，向直供大用戶供氣的貿(mào)易交接也采用能量計(jì)量進(jìn)行結(jié)算，但多數(shù)LNG氣化后進(jìn)入管網(wǎng)，仍沿用體積流量計(jì)價(jià)。

1.2 超聲波流量計(jì)占主流

天然氣資源進(jìn)氣點(diǎn)、分輸站、管網(wǎng)連接樞紐站以及自耗氣站場均應(yīng)配備適宜的流量計(jì)，以國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司（簡稱國家管網(wǎng)）為例，天然氣管網(wǎng)資源（原屬中國石油天然氣管網(wǎng)部分）進(jìn)氣點(diǎn)37座，分輸站用戶1 000余個(gè)，流量計(jì)近3 000臺(tái)，流量計(jì)的使用可為相關(guān)方利益提供客觀、準(zhǔn)確、公平的保障。

常用于天然氣交接計(jì)量的儀表主要包括三種：超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。超聲波流量計(jì)因準(zhǔn)確等級(jí)高、重復(fù)性好、測(cè)量范圍寬、無可動(dòng)部件、本體無壓損和智能診斷等優(yōu)點(diǎn)，在分輸站得到廣泛應(yīng)用［4］。渦輪流量計(jì)、孔板流量計(jì)占比越來越小。

1.3 混輸?shù)奶烊粴馔ㄟ^氣相色譜分析儀檢測(cè)品質(zhì)

國內(nèi)常規(guī)天然氣、煤層氣、煤制氣、頁巖氣、進(jìn)口管道氣與LNG氣化后均在管網(wǎng)內(nèi)混合輸送。中國石油天然氣管網(wǎng)內(nèi)部已形成46處雙向轉(zhuǎn)供點(diǎn)，另外還投用了連接中國石油、中國石化、中國海油天然氣管道互聯(lián)互通工程21項(xiàng)。雖然天然氣進(jìn)氣點(diǎn)、大型分輸站、有直供用戶的計(jì)量站已經(jīng)配備了 140多套色譜分析儀，但數(shù)量不能滿足天然氣能量計(jì)量體系建設(shè)的要求。調(diào)度員通過氣相色譜儀不間斷采樣、分析、監(jiān)測(cè)組分變化，判斷管網(wǎng)內(nèi)輸送的混合天然氣是否符合GB 17820—2018《天然氣》的一類天然氣標(biāo)準(zhǔn)，并將其調(diào)配到目的地交付給用戶。

1.4 計(jì)量交接電子化

天然氣管道 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)通過對(duì)輸氣站場生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，使調(diào)度員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管網(wǎng)的集中調(diào)控指揮。國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸管道公司（原為中國石油西氣東輸管道公司）2010年應(yīng)用的在線遠(yuǎn)程計(jì)量交接電子化項(xiàng)目［5］使計(jì)量設(shè)備產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)通過 SCADA系統(tǒng)采集到北京油氣調(diào)控中心中間數(shù)據(jù)庫，調(diào)度員根據(jù)需要甄選數(shù)據(jù)連接到PPS（管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)），生成計(jì)量交接憑證和氣質(zhì)分析報(bào)告，通過辦公專網(wǎng)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的上游資源方和下游用戶端，使相關(guān)方及時(shí)完成簽章確認(rèn)。

2 主要技術(shù)路線特點(diǎn)及適宜性

2.1 實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量的理論依據(jù)

根據(jù)GB/T 22723—2008《天然氣能量的測(cè)定》規(guī)定［6］“天然氣發(fā)熱量直接測(cè)量是發(fā)熱量測(cè)量的溯源基礎(chǔ)”，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)也給出可用的天然氣發(fā)熱量間接測(cè)量方法，即通過氣相色譜儀在線或離線測(cè)得天然氣的組成，然后根據(jù)GB/T 11062—2014《天然氣—發(fā)熱量、密度和相對(duì)密度的計(jì)算》，由天然氣的組成數(shù)據(jù)計(jì)算得到單位發(fā)熱量的數(shù)值［7］。為了能準(zhǔn)確地進(jìn)行能量計(jì)量，必須使天然氣的體積與發(fā)熱量處于相同的參比條件，既可以用連續(xù)測(cè)定的幾組發(fā)熱量數(shù)據(jù)與相應(yīng)時(shí)間周期內(nèi)流量的累積值計(jì)算，也可以用該時(shí)間周期內(nèi)的總體積與單位標(biāo)準(zhǔn)發(fā)熱量的乘積來計(jì)算。能量計(jì)量是建立在體積計(jì)量的基礎(chǔ)上，計(jì)算公式見式（1）。

式中：E——時(shí)間周期內(nèi)天然氣的能量，MJ；Q——時(shí)間周期內(nèi)天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積或質(zhì)量，m3或kg；H——天然氣單位發(fā)熱量，MJ/m3或MJ/kg。

2.2 增設(shè)氣相色譜分析儀是能量計(jì)量的關(guān)鍵

目前國家管網(wǎng)（原中國石油天然氣管網(wǎng)部分）平均313 km配備有1臺(tái)在線色譜分析儀，無法滿足全部能量計(jì)量需要。國家管網(wǎng)作為輸送天然氣的承運(yùn)方，應(yīng)遵循科學(xué)、合理和經(jīng)濟(jì)性三原則，在靠近資源端、市場端和管道之間混合氣交匯點(diǎn)增加氣相色譜分析儀。

增設(shè)氣相色譜分析儀符合天然氣管網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)和規(guī)律。我國天然氣消費(fèi)集中在京津冀和長三角地區(qū)，冬夏季用氣高峰特征明顯，華東地區(qū)天然氣管網(wǎng)應(yīng)增設(shè)氣相色譜儀（如圖1所示）。

圖1 華東地區(qū)管網(wǎng)增設(shè)氣相色譜儀示意圖

冀寧線（安平—青山）在冬季將如東LNG北輸?shù)疥兙┕艿?，夏季則北氣南下輸送到西一線（西氣東輸一線）長三角地區(qū)迎峰度夏，平泰線（平頂山—泰安）、泰青威線（泰安—青島—威海）與冀寧線交匯于泰安站，因此泰安站增設(shè)氣相色譜儀更能科學(xué)監(jiān)測(cè)混合天然氣的熱值。此外，淮安分輸站連接劉莊儲(chǔ)氣庫，是北氣南下、LNG氣化北上的壓力坡降交匯點(diǎn)，在該站增加氣相色譜儀不僅監(jiān)測(cè)上下游氣體組分，還能檢測(cè)劉莊地下儲(chǔ)氣庫的注、采天然氣的組分參數(shù)；金壇儲(chǔ)氣庫管道通過鎮(zhèn)江分輸站與西一線連接，在鎮(zhèn)江站增設(shè)氣相色譜分析儀能夠精確地檢測(cè)混合天然氣組分，滿足儲(chǔ)氣設(shè)施對(duì)天然氣能量計(jì)量的需要。

按照國家發(fā)展改革委、國家能源局關(guān)于印發(fā)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》（發(fā)改基礎(chǔ)〔2017〕965號(hào)）的通知，2025年全國天然氣管網(wǎng)總里程將達(dá) 16×104km，意味著更多的新管道納入目前管網(wǎng)。增設(shè)氣相色譜分析應(yīng)結(jié)合規(guī)劃內(nèi)容合理設(shè)計(jì)。中俄東線天然氣管道投運(yùn)后，俄羅斯天然氣經(jīng)過沿海管道與海上進(jìn)口LNG一同混合輸送給用戶。然而用戶同時(shí)可以根據(jù)需要大量進(jìn)口低價(jià)現(xiàn)貨LNG，利用管網(wǎng)進(jìn)行托運(yùn)，出現(xiàn)LNG氣化后“海氣西輸”或“海氣北上”的復(fù)雜局面。這也需要合理地布局氣相色譜分析儀進(jìn)行混合氣體組分的檢測(cè)、跟蹤。

為保障重要地區(qū)和用戶利益，滿足市場監(jiān)管要求，天然氣管網(wǎng)作為天然氣承運(yùn)載體，應(yīng)保證天然氣交付給用戶的數(shù)量和質(zhì)量。對(duì)直供大工業(yè)用戶、玻璃、陶瓷工業(yè)以及天然氣發(fā)電廠應(yīng)單獨(dú)配備氣相色譜儀，以便客觀地監(jiān)測(cè)、記錄天然氣的連續(xù)供應(yīng)和高品質(zhì)的穩(wěn)定性能。因?yàn)閮?yōu)質(zhì)穩(wěn)定的天然氣供應(yīng)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率的提高有很大幫助。如陶瓷企業(yè)，高熱值的天然氣在頂級(jí)陶瓷燒制過程中產(chǎn)品優(yōu)等率比用其他燃料高很多。天然氣發(fā)電廠對(duì)天然氣中的氫氣含量要求苛刻，氫氣提前參與燃燒會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的性能和壽命。利用色譜分析儀可以有效排除用戶對(duì)天然氣氣質(zhì)和能量計(jì)量的異議，客觀、公正地維護(hù)好供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益。

2.3 天然氣能量的賦值

賦值是根據(jù)有在線色譜分析儀上游計(jì)量站和需要天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)的下游站之間的管道容積和天然氣流速，使用合適的數(shù)學(xué)模型計(jì)算天然氣輸?shù)较掠握镜臅r(shí)間，下游站天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)取上游站該時(shí)間前最近的天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)，用于計(jì)量和核查等。能量計(jì)量的賦值過程中有固定賦值和可變賦值。

固定賦值是在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，如一天、一周或一個(gè)月，給下游站賦予一組天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)于管網(wǎng)支線、氣源固定且流向單一的干線所有分輸用戶，只需要將進(jìn)氣點(diǎn)或者最有代表性的天然氣組分分別按照固定時(shí)間周期對(duì)下游分輸站進(jìn)行賦值。如，調(diào)度員將泰安站氣相色譜儀的組分參數(shù)給泰青威線下游的分輸計(jì)量站賦值（如圖1所示）。

可變賦值是根據(jù)上下游站點(diǎn)天然氣流速、溫度、壓力變化及時(shí)計(jì)算流動(dòng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)，及時(shí)將上游在線色譜分析儀每組天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)賦予下游站點(diǎn)。對(duì)于多氣源、雙向流動(dòng)的管段應(yīng)選擇能夠監(jiān)測(cè)混合氣體組分的站場向下游站場進(jìn)行可變賦值。冀寧線冬季運(yùn)行工況為如東LNG、西一線和西二線（西氣東輸二線）平泰支線資源流向陜京線，夏季運(yùn)行工況反之。但基于管道輸送能力和沿線用戶分布，西二線平泰支線、西一線、如東LNG和劉莊儲(chǔ)氣庫資源交匯在淮安分輸站，所以將淮安分輸站氣相色譜儀檢測(cè)的混合天然氣的發(fā)熱量分別給上下游分輸站進(jìn)行賦值，就避免在同一水力系統(tǒng)下的沿線分輸站重復(fù)進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)量工作，達(dá)到事半功倍的效果。

2.4 利用SCADA系統(tǒng)搭建能量計(jì)量通道

天然氣標(biāo)準(zhǔn)流量是天然氣工況流量與多個(gè)物性參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，并進(jìn)行時(shí)間累積獲得。采用獲得相關(guān)國際認(rèn)證的專業(yè)流量計(jì)算機(jī)，具備進(jìn)行體積換算、能量計(jì)算、體積和能量累積、數(shù)據(jù)輸出等基本功能，以及從壓力變送器、溫度變送器和在線色譜儀采集數(shù)據(jù)，以上位機(jī)系統(tǒng)通訊交換數(shù)據(jù)、接受指令等擴(kuò)展功能。

流量計(jì)算機(jī)、氣相色譜分析儀信號(hào)通過MODBUS通信協(xié)議進(jìn)入已有站控系統(tǒng)（SCS），增加色譜和能量計(jì)量的數(shù)據(jù)和顯示畫面，同時(shí)將相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)、歸檔數(shù)據(jù)通過光纖上傳至國家管網(wǎng)油氣調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)，完成輸氣管道全線的監(jiān)控、調(diào)度、運(yùn)行和管理；中間數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)存儲(chǔ)SCADA更新變化的所有參數(shù)，管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PPS）按照時(shí)間需求從中間數(shù)據(jù)庫選擇能量計(jì)量的參數(shù)，按照用戶約定的協(xié)議生成能量計(jì)量交接電子憑證單，完成了能量計(jì)量計(jì)價(jià)通道鏈（如圖2所示）。

圖2 利用SCADA搭建能量計(jì)量路徑圖

A站的天然氣發(fā)熱量無法通過站控系統(tǒng)直接賦值給目標(biāo)B站，調(diào)度員按照需要賦值的時(shí)間和頻率要求，通過人機(jī)交互界面（HMI）將氣體組分賦值到對(duì)應(yīng)的未設(shè)置色譜分析儀的計(jì)量站，流量計(jì)算機(jī)計(jì)算出能量數(shù)據(jù)上傳至調(diào)控中心 SCADA系統(tǒng)再傳輸?shù)焦艿郎a(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)熱量賦值情況下的能量計(jì)量計(jì)價(jià)通道鏈。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)前天然氣管網(wǎng)已具備一定的能量計(jì)量基礎(chǔ)條件，為全面實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)的能量計(jì)量計(jì)價(jià)，需要在資源進(jìn)氣點(diǎn)、分輸站和中轉(zhuǎn)樞紐站增設(shè)在線氣相色譜分析儀。增設(shè)色譜分析儀應(yīng)立足天然氣管網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)和規(guī)律，兼顧天然氣管網(wǎng)的中、遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)劃，考慮重要地區(qū)和用戶的需求。

（2）在能量計(jì)量的賦值過程中，對(duì)于管網(wǎng)支線、氣源固定且流向單一的干線進(jìn)行固定賦值；對(duì)于多氣源、雙向流動(dòng)的管段應(yīng)選擇能夠監(jiān)測(cè)混合氣體組分的站場向下游站場進(jìn)行可變賦值。賦值由調(diào)控中心根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際進(jìn)行操作，地區(qū)管道公司負(fù)責(zé)能量計(jì)量計(jì)價(jià)交接工作。

（3）分輸站流量計(jì)、色譜分析儀的能量數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算處理后在站控系統(tǒng)顯示，利用光纖通訊傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，同步傳輸?shù)街虚g數(shù)據(jù)庫；再從中間數(shù)據(jù)庫中甄選能量數(shù)據(jù)連接到PPS系統(tǒng)，最后利用辦公專網(wǎng)生成能量計(jì)量計(jì)價(jià)交接電子憑證。