天然氣能量計量誤差影響因素分析

劉琦，孫沖，徐赫男(.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 5075；.中石化中原石油工程設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000；.國家管網(wǎng)集團西南油氣管道有限責(zé)任公司，云南 德宏 678400)

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，國內(nèi)對天然氣的需求量也迅猛增加。國內(nèi)目前對天然氣仍沿用傳統(tǒng)的體積計量方式，這種計量方式會產(chǎn)生三個方面的問題。

第一，對外貿(mào)易結(jié)算問題。在國際貿(mào)易中，天然氣的計量和結(jié)算都是以能量的方式進(jìn)行的，也就是根據(jù)天然氣燃燒后釋放出來的熱量進(jìn)行計價和收費的。因此體積計量的方式在國際貿(mào)易中會存在諸多不便，阻礙了天然氣資源的進(jìn)口，不利于我國能源行業(yè)向國際化發(fā)展。

第二，非常規(guī)天然氣的適應(yīng)性問題。通常情況下，像煤層氣和煤制氣這種非常規(guī)天然氣的熱值是低于常規(guī)天然氣的。當(dāng)這種非常規(guī)天然氣與常規(guī)天然氣混合進(jìn)入管網(wǎng)后，勢必會影響天然氣的技術(shù)指標(biāo)，若仍沿用體積計量的方式，會造成買賣雙方的經(jīng)濟糾紛，這樣不利于非常規(guī)天然氣的開發(fā)與利用。

第三，科學(xué)計量問題。由于不同地區(qū)所產(chǎn)天然氣的組分含量不同，因此發(fā)熱量也會參差不齊。而體積計量方式僅是以燃?xì)庥昧康亩嗌賮碛嬞M，因此無法反映出天然氣的真實價值。而且這種計量方式也會帶來巨大的貿(mào)易差額，不利于經(jīng)濟的發(fā)展。

鑒于以上三方面的問題，全面實施天然氣能量計量與計價呼之欲出。本文將重點對影響能量計量誤差的關(guān)鍵因素進(jìn)行探討，為順利實施天然氣能量計量提供參考與借鑒。

1 天然氣能量計量的基本原理

天然氣能量計量的本質(zhì)是在一定條件下，測量一定量的燃?xì)馔耆紵笏a(chǎn)生的熱量，這種方式是最為科學(xué)的，但無法進(jìn)行連續(xù)測定，因此多在實驗室中實施。而在工程上實際所采用的能量計量方式則是通過測定兩個獨立的變量，即天然氣的體積流量和發(fā)熱量來完成的，其基本原理如式(1)所示[1]：

式中：E為一定量天然氣所含的能量；H為單位體積(或質(zhì)量)天然氣的發(fā)熱量；Q為天然氣的量(體積或質(zhì)量)。

可以看出，要想準(zhǔn)確實施能量計量，必須保證天然氣的發(fā)熱量和流量計量準(zhǔn)確，而這兩個參數(shù)彼此又是獨立的，需分別測定。因此，下面將分別從體積計量誤差和發(fā)熱量測定誤差兩個方面來對能量計量的誤差進(jìn)行分析。

2 體積計量誤差因素分析

時差式超聲波流量計特別適用于對大口徑管道中天然氣的流量進(jìn)行測量，因此在國內(nèi)大型輸氣站場中被廣泛采用。本節(jié)將針對該種類型流量計，對計量過程中產(chǎn)生誤差的因素進(jìn)行分析。

2.1 管道結(jié)垢

管道結(jié)垢影響因素的本質(zhì)在于減小了管道的內(nèi)徑，對于時差式超聲波流量計來說，當(dāng)管道內(nèi)徑存在1%的誤差時，就會產(chǎn)生約3%的流量測量誤差[2-3]。當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生結(jié)垢時，其后果不但會使超聲流量計產(chǎn)生計量誤差，而且還會使超聲波發(fā)生散射，降低了流量計計量的準(zhǔn)確性。如果結(jié)垢過厚，流量計甚至無法正常工作。

2.2 流體流態(tài)

時差式超聲波流量計屬于速度式流量計，因此在工作時，對流場分布的要求較高。一般情況下，流量計較為理想的工作條件是處于流速已達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的流體中。而在實際站場中，由于受到站場空間或工藝流程的限制，在計量管道上游常存在彎頭、匯管、閥門和變徑管等擾流元件，使氣體進(jìn)入流量計時的流動呈現(xiàn)出非理想的流動狀態(tài)，致使流量計產(chǎn)生較大誤差[4-6]。

2.3 噪聲

GB/T 18604—2014中明確指出[7]，管道內(nèi)部的噪聲會對時差式超聲波流量計計量的精確性帶來不利的影響。管道內(nèi)的噪聲來源主要包括環(huán)境噪聲和氣流經(jīng)過管道內(nèi)擾流元件所產(chǎn)生的的噪聲。例如當(dāng)流量計上游的閥門開度較小時，在閥門處就會產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，此時下游流量計位置處的信噪比(信號與噪聲的比例)將會大大降低，影響超聲流量計的工作狀態(tài)。

2.4 氣體臟污狀態(tài)

美國天然氣協(xié)會頒布的AGA N O.9號報告[8]中提出，時差式超聲波流量計的內(nèi)部應(yīng)盡量保持潔凈，不得附著污油、灰塵等物質(zhì)?？梢?，流量計內(nèi)表面的清潔狀態(tài)也是會影響其工作效果的，當(dāng)流量計內(nèi)部存在附著物時，會產(chǎn)生三種不良的后果。第一，附著物的存在會減小氣體流通的截面積，使測出來的流量大于管道內(nèi)的實際流量；第二，附著在換能器表面的沉積物也會影響超聲波的發(fā)出和接受，從而導(dǎo)致超聲波順流和逆流的時間差增大，致使測量結(jié)果偏大；第三，附著物會改變管道內(nèi)壁的粗糙度，使氣體在管壁附近的流態(tài)發(fā)生變化，也會影響計量的準(zhǔn)確性。

2.5 氣質(zhì)組分

在一定溫度和壓力條件下，標(biāo)準(zhǔn)條件下氣體的瞬時流量與標(biāo)準(zhǔn)條件下和工作條件下氣體的壓縮因子的比值成正比。因此，隨著甲烷含量的增加，時差式超聲波流量計輸出的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量降低[9]。

3 發(fā)熱量測定誤差因素分析

天然氣發(fā)熱量的測定方法包括直接法和間接法。直接法是通過使天然氣在熱量計中燃燒，直接測量其釋放的熱量；而間接法是利用氣相色譜儀測定天然氣中可燃組分的含量，然后通過計算的方式求出其發(fā)熱量。在現(xiàn)場實際操作過程中，間接法更為常用。

在溫度為t1的條件下，天然氣的理想摩爾發(fā)熱量與天然氣中可燃物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如式(2)所示[10-11]：

式中：H0(t1)為混合物的理想摩爾發(fā)熱量(高位或低位)；xj為混合物中組分j的摩爾分?jǐn)?shù)混合物中可燃組分j的理想摩爾發(fā)熱量(高位或低位)，可查GB/T11062—2014得到。

3.1 水蒸氣

水蒸氣是天然氣中較常見的組分，由于其不可燃，因此當(dāng)采用間接法計算天然氣的發(fā)熱量時，并沒有考慮其影響，所以所報 告的天然氣發(fā)熱量是排除水蒸氣后干氣的發(fā)熱量。而事實上，在天然氣燃燒的過程中，由于水蒸氣的物態(tài)變化，會直接影響天然氣的實際發(fā)熱量。在氣體計量系統(tǒng)的參比條件下(p2、t2)，假設(shè)天然氣中水蒸氣的分壓為pw，則實際氣體的發(fā)熱量應(yīng)如式(3)所示：

式中：Hmeasured為含有水蒸氣天然氣的測定發(fā)熱量；Hdrygas為除去水蒸氣后干氣的發(fā)熱量；p2、pw分別為參比壓力和水蒸氣的分壓。

假設(shè)在15 ℃、101.325 kPa的計量參比條件下，某干氣的體積發(fā)熱量為38.00 MJ/m3，而在該溫度下，該氣體內(nèi)水蒸氣的飽和蒸氣壓為1.705 kPa，則含有水蒸氣的天然氣的實際發(fā)熱量為38×(1-1.705/101.325)=37.36 MJ/m3，兩個發(fā)熱量之間的相對誤差達(dá)到了1.68%。對于大型輸氣站場來說，每日所輸送的天然氣量可達(dá)幾十萬立方米，因此所產(chǎn)生的經(jīng)濟差額是非常大的。而且，水蒸氣在天然氣中的百分含量越大，天然氣的計算發(fā)熱量和實際發(fā)熱量之間的偏差就越大。因此當(dāng)利用間接法測量天然氣的發(fā)熱量時，準(zhǔn)確測量水蒸氣的含量是至關(guān)重要的。

3.2 取樣過程

對于僅存在單一氣源的輸氣站場，由于氣質(zhì)組分含量相對穩(wěn)定，取樣過程按照GB/T 13609—2017[12]中的規(guī)定操作即可獲取較為準(zhǔn)確的氣體發(fā)熱量。但對于存在兩種或兩種以上氣源的輸氣站，不可能將各個氣源的天然氣進(jìn)行分別處理和銷售，都是先進(jìn)行混合，然后再統(tǒng)一調(diào)配。由于不同氣源的氣質(zhì)組分存在差異，氣體在混合時，濃度高的組分要向濃度低處擴散，最終達(dá)到平衡的狀態(tài)，即混合均勻狀態(tài)，因此獲取具有代表性的混合氣樣本對于計算混合天然氣的發(fā)熱量至關(guān)重要。例如在101.325 kPa，20 ℃的參比條件下，甲烷和乙烷的理想摩爾高位發(fā)熱量分別為891.09 kJ/mol和1 561.41 kJ/mol。假設(shè)對于可燃組分僅包含甲烷和乙烷的天然氣，當(dāng)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)存在1%的偏差時，氣體的計算發(fā)熱量會出現(xiàn)0.3%的偏差；而當(dāng)乙烷摩爾分?jǐn)?shù)存在1%的偏差時，計算發(fā)熱量的偏差可達(dá)0.6%。

4 結(jié)語

天然氣能量計量能夠真正地反映出其使用價值，因此目前正在大力推廣。本文分別從體積計量和發(fā)熱量測定(間接法)兩個角度分析了實施天然氣能量計量時產(chǎn)生誤差的主要影響因素，從而為準(zhǔn)確實施天然氣能量計量提供了一定的參考與借鑒。