LNG到港交接計量的影響因素及誤差核定

仲從響

（中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售江蘇分公司，江蘇南京 211102）

能源物資是現(xiàn)代社會的根本驅(qū)動力，液化天然氣（LNG）是一種清潔能源而被廣泛關(guān)注。我國“多煤、缺油、少氣”的資源結(jié)構(gòu)決定了天然氣需要依賴大規(guī)模的進口。2020年，我國天然氣進口量超過1億t，其中液化天然氣進口量占比超過7成[1]。在液化天然氣貿(mào)易及運輸過程中LGN接收站扮演著重要的角色，其不僅需要對LGN進行接收，更需要對其進行計量核算。一般規(guī)則下，LNG的國際貿(mào)易遵循到港交接的方式，這更進一步提高了LNG接收站計量誤差的要求。基于此，本文從交接計量方式出發(fā)，探究交接中的誤差計算方式，為精準(zhǔn)計量提供必要保障。

1 液化天然氣的計量方式與計算規(guī)則

1.1 液化天然氣的計量

基于能源資源的不均衡分布，液化天然氣的國際貿(mào)易較為頻繁。在長期的國際貿(mào)易實踐中，液化天然氣貿(mào)易建立了一整套基于接收站的到港貿(mào)易流程與模式，并具有相對可靠且得到廣泛認(rèn)可的計量體系。目前在交易過程中，雙反基本遵循國標(biāo)組織ISO6578關(guān)于冷凍碳?xì)浠衔镆后w靜態(tài)計量程序的要求進行實操[2]。在具體的計量過程中大體分為三個基本過程。

①對卸載體積進行計量。LNG的體積隨著溫度壓強的變化而變化，在具體的卸載體積核定過程中采用的是差量法對其進行計算，即用卸載前體積與卸載后的剩余體積差值來表征卸載體積，在實操層面上是采用隨船安裝的交接計量系統(tǒng)來進行。值得注意的是該過程應(yīng)該在貨運方、收貨方、審核方以及進出口管理部門等多方的共同見證下進行。②對返氣熱量進行計算。在LNG卸載過程中采用壓力自留的方式進行卸載，進而需要對艙內(nèi)的壓力進行平衡，此部分平衡均通過LNG蒸發(fā)氣來進行。常見的方式是直接計算返倉天然氣的熱量，計算中需要對氣態(tài)樣本進行采樣以求得不同組分所占比例，再根據(jù)體積比例按照不同物質(zhì)的熱值求得返倉氣態(tài)的熱量[3]。③對卸載熱量進行計算。卸載熱量的計算是根據(jù)卸載體積求出卸載液化天然氣在燃燒情況下能夠產(chǎn)生的總熱量，再減去返倉氣體的熱量進行求解。同時，在卸載過程中為了維持LNG倉溫度與壓力，船體需要啟動發(fā)動機，發(fā)動機的能源消耗也需要計算到熱量扣除量中。

1.2 液化天然氣計量的計算規(guī)則

液化天然氣的計算分為三個方面，進而在具體的計算規(guī)則上也包含了三個基本步驟。

（1）卸載體積的計算

卸載體積應(yīng)該根據(jù)溫度、壓力以及船體的傾斜角度來進行綜合計算。在實操過程中LNG運輸船屬于專用運輸船的范疇，隨船安裝交接計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過內(nèi)置方程算法的方式對溫度、壓力以及船體傾斜角度進行了公式參數(shù)設(shè)定。進而在實際的交接過程中，監(jiān)督單位需要對上述指標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定進行監(jiān)督，而不需要進行具體計算。計算過程可以簡化為卸貨前的LNG體積與卸貨后的體積差值。

其中：VLNG表示卸載的實際LNG體積；V1表示卸載前的LNG體積；V2表示卸載后的LNG體積。

（2）返氣熱量的計算

不同物質(zhì)的熱值不同，在具體熱量計算中需要按照檢測樣品的不同氣態(tài)組分所占的質(zhì)量比例，按照不同物質(zhì)的熱值對返氣熱量進行求解。為了計算的精準(zhǔn)性，一般按照摩爾分?jǐn)?shù)來進行計算，在特定溫度下，返倉氣體的體積按照公式（2）計算[4]。

其中：DLNG代表溫度T下的氣體體積，kg/m3；M為組分的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；V為組分的摩爾分?jǐn)?shù)，%；k1、k2為液體體積縮減的校正系數(shù)；Xn為氮氣的摩爾分?jǐn)?shù)，%；Xc為甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)，%。值得注意的是溫度應(yīng)該取液化天然氣卸載過程中的平均溫度。

液化天然氣的組分相對復(fù)雜，除了主要成分甲烷之外，還包括乙烷、丙烷、異戊烷等，需要按照上述公式對可檢出的組分進行分別求解，最后采用加權(quán)的方式計算出最終的返氣熱量，見式（3）。

其中：G表示發(fā)熱量；xi、Mi、Gi分別代表了i組分的摩爾分?jǐn)?shù)、摩爾質(zhì)量與發(fā)熱量。單位分別為%、kg/kmol與 kJ/kg。

（3）交接天然氣熱量的計算

交接天然氣的熱量為交接總熱量扣除返倉天然氣熱量及交接過程中發(fā)動機的消耗熱量，即可以表示為如下公式。

其中：Q表示交接天然氣熱量，MJ；VLNG、DLNG、G氣分別表示液化天然氣的交接體積、摩爾質(zhì)量以及高位熱量；E返倉、E發(fā)動機分別代表返倉氣體與發(fā)動機的能量損耗。

其中返倉氣體的總消耗按照公式3進行計算；發(fā)動機的總消耗按照交接過程中消耗的氣體總量與氣體熱值的乘積來計算，消耗的氣體總量可以根據(jù)發(fā)動機燃燒爐的進氣儀表直接測量。

2 液化天然氣的誤差核定

通過對液化天然氣到港交接的計算過程分析，不難發(fā)現(xiàn)其計算過程較為復(fù)雜，且存在多個流程與步驟，進而計算后的結(jié)果必然存在一定的誤差。按照不同的來源，誤差可以分為兩種，即天然誤差與測量誤差。天然誤差主要是指摩爾質(zhì)量、常數(shù)等參數(shù)在引入公式的過程中精確的有效數(shù)字位數(shù)帶來的誤差，此種誤差是無法避免的。測量誤差主要是指對參數(shù)進行測定過程中可能產(chǎn)生的誤差。如對天然氣倉內(nèi)液面的測量、發(fā)動機燃燒室用氣流量的測量、對氣體組分的測量等。這些過程中由于測量精度的問題其誤差必然存在，但是可以通過多次測量以及提高設(shè)備與人工精度的方式來盡量降低。

無論是何種誤差均無法完全消除，進而需要對可能誤差進行經(jīng)驗性求解，從而達(dá)到修正的效果，進一步使得計算值與實際交接值更為貼近。值得注意的是，液化天然氣交接環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，計量方式經(jīng)過了多步驟計算，而原則上每次測量與計算均會產(chǎn)生誤差，便會形成誤差的累積。在多冪累積下誤差會得到放大，這也是針對交接誤差的計算十分必要的原因所在。

在具體的計算過程中，誤差采用聯(lián)動累積的方式予以計算，此種計算方式符合液化天然氣交接的計算規(guī)律，也與客觀事實相符，具體如公式（5）。

其中：Y為間接測量值誤差；Xi為直接測量值誤差。直接測量值誤差可以采用經(jīng)驗帶入的方式進行，也可以通過多次測量后進行誤差計算的方式予以確定。在實際操作中固定設(shè)備的直接測量誤差變化較小，一般多采用經(jīng)驗值代入的方式來進行。

多元函數(shù)中的增量可以通過全微分進行表示，進而公式（5）中的增量可以表示為不同直接測量過程中全微分加權(quán)值，公式（5）可以變形為公式（6）。

在公式（6）中，可以對誤差較小變量的微分量進行替代，從而達(dá)到縮減運算量的根本目的，在經(jīng)過了縮減后，利用誤差傳遞公式可以對不同誤差過程中的比例進行求解，從而獲得變量與最終計算結(jié)果（熱量）之間的相關(guān)關(guān)系。在物理層面上的意義表現(xiàn)為不同直接測量過程對交接熱量的影響比例大小。

從這一角度，誤差的累積最終計算公式如下[5]：

經(jīng)過整理與參數(shù)帶入結(jié)果見式（8）：

3 液化天然氣的誤差實證與影響因素

為了進一步探討與認(rèn)證本文對誤差計算方式的正確性，并對具體的誤差計算結(jié)果應(yīng)用方式進行探究。選擇2021年7月到港的某艘液化天然氣到港船只的實際交接過程為具體的數(shù)據(jù)來源，對各步驟的計算方式進行實證計算?？芍苯訙y量參數(shù)如表1所示。

表1 直接測量指標(biāo)結(jié)果統(tǒng)計表

通過直接測量的方式能夠獲得包括溫度、卸貨體積等直接數(shù)據(jù)，將所獲得的數(shù)據(jù)代入到上述公式體系中可以對實際的交接結(jié)算量進行計算。本實證計算則更關(guān)注不同部位的誤差擬合計算的最終結(jié)果。通過現(xiàn)場判斷發(fā)現(xiàn)誤差主要來源于直接測量數(shù)值，具體包括液態(tài)體積誤差、返倉溫度誤差、返倉壓力誤差、發(fā)動機損耗誤差、甲烷含量誤差等，具體的誤差數(shù)值及產(chǎn)生原因如表2所示。

表2 誤差來源及結(jié)果統(tǒng)計表

將誤差參數(shù)代入公式（8）中，對總誤差進行計算，并分別計算各個誤差在總體誤差中的比例。同時，熱量誤差為最終的誤差結(jié)果，在計算過程中以熱量誤差為100%，對其他各誤差影響因素在誤差中的占比進行計算，其結(jié)果如表3所示。

表3 誤差所占比例結(jié)果統(tǒng)計表

從表2中看出，案例船只的總交易發(fā)熱量為35.57億MJ。發(fā)熱量的總誤差為57.45萬MJ，占交易量的比例為0.016 2%。

其中各個部分的誤差占比存在較大的差異，按照誤差占比進行排序，其中液態(tài)體積測量過程中的誤差占比最高，能夠解釋總誤差中56.07%的變量，甲烷含量測量誤差占比為31.51%。上述兩項指標(biāo)累積解釋的誤差變量超過85%，在實際操作過程中，為進一步簡便計算流程與結(jié)算規(guī)則，可以在上述兩者誤差之和的基礎(chǔ)上浮10%的方式來表征總體誤差。其他誤差占比均較小，如返倉氣體溫度誤差占比3.69%，發(fā)動機損耗誤差占比1.96%等。

4 總結(jié)

液化天然氣到港交接受到溫度、壓力等影響，且計算過程較為復(fù)雜。在本文的研究中，最終的熱量誤差在0.015%以上，這對于大宗交易已推高了成本及交易損耗。在此種情況下，本文在總結(jié)了計量方式及計算規(guī)則的基礎(chǔ)上，對誤差的來源及影響因素進行了系統(tǒng)分析。并通過實例計算的方式探討不同誤差對總誤差的占比，發(fā)現(xiàn)液態(tài)體積測量過程以及甲烷含量測量過程中產(chǎn)生的誤差最大，分別達(dá)到86.07%和31.51%，二者可以共同解釋誤差變量大于85%適宜于作為誤差計算的標(biāo)志性指標(biāo)。