LNG接收站能量計量的實踐

董龍偉，梁子鵡

國家管網(wǎng)集團北海液化天然氣有限責任公司（廣西 北海 536000）

0 引言

能量計量自美國天然氣加工者協(xié)會1980年提出天然氣交接計量和結(jié)算發(fā)熱量準則以來[1]，能量計量被廣泛應(yīng)用于歐洲和北美的一些國家[2]。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，天然氣的消費量日益增長[3]，近5年國內(nèi)天然氣消費量的增長率達到了10%[2]。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為全球能源交易商品其交易量僅次于石油，其需求量持續(xù)增長[4]。天然氣的能量計量、熱值結(jié)算作為天然氣國際通用貿(mào)易結(jié)算方法在我國還未全面開展應(yīng)用。我國除中國香港、中國臺灣以及海洋油田的部分實現(xiàn)了外輸天然氣采用能量計量以外，國內(nèi)天然氣的計量仍然為體積計量[5-6]。隨著我國在線計量分析設(shè)備的國產(chǎn)化應(yīng)用，可以預(yù)測在未來數(shù)年內(nèi)能量計量將在我國得到快速的發(fā)展與應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外學者對天然氣的能量計量進行了大量的研究。Attari研究了天然氣的能量計量及接收站開展能量計量所面臨流體模型和流量計算機技術(shù)發(fā)展解決測量精度的問題[7]。Jaeschke進行了天然氣的熱力學研究，設(shè)計并提出了一種新的能量計量系統(tǒng)其結(jié)果符合率在0.05%以內(nèi)[8]。國內(nèi)學者羅勤提出了天然氣能量計量在我國應(yīng)用的可行性分析并指出我國需建設(shè)天然氣質(zhì)量控制及能量計量重點實驗室[9]。黃坤等人研究了在能量計量模式下LNG接收站的發(fā)熱量調(diào)整工藝[10]。當前國內(nèi)天然氣能量計量的研究多集中于LNG接卸船在15℃、101.325 kPa工況下的能量計量。國家管網(wǎng)集團北海LNG接收站按照《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》以及國家管網(wǎng)集團相關(guān)要求，首次開展LNG接卸及加工外輸?shù)哪芰坑嬃康膶嵺`。本文將重點研究在20℃、101.325 kPa工況下的接卸船的能量計量，通過能量計量的基本原理分析，結(jié)合GB/T 11062—2020《天然氣 發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》優(yōu)選了校正因子k1、k2及摩爾體積vi的取值，統(tǒng)一了LNG接收站進、出站的能量計量工況，并對北海LNG在實施能量計量過程中所取得的經(jīng)驗進行總結(jié)。研究成果可為國內(nèi)其他LNG接收站進行能量計量實踐提供參考。

1 能量計量的基本原理

能量計量即為計量系統(tǒng)的輸出量可以是能量單位，其值是氣體的量與發(fā)熱值的乘積[11]。LNG的能量計量與天然氣的能量計量相似，即其計量熱值為LNG的質(zhì)量乘以其單位質(zhì)量熱值[12]。按LNG的狀態(tài)不同分為：液化前、氣化前和氣化后[13]。LNG液化前、氣化后的能量計量與天然氣相同。液化后的能量計量分為靜態(tài)計量和動態(tài)計量。動態(tài)計量在設(shè)備上需采用耐低溫的液體流量計，由于其低溫技術(shù)限制其應(yīng)用范圍較小[14]。目前，國內(nèi)LNG接收站在卸船能量計量時多采用靜態(tài)計量[15]。

1.1 LNG接卸船的能量計量

在LNG運輸船的接卸計量時通常采用靜態(tài)計量，即通過測量LNG運輸船儲罐的液位并對其液位進行溫度、縱傾、橫傾的修正計算液態(tài)的體積，分析獲得來船LNG的組分。按照ISO 6578—2017《冷凍碳氫化合物液體靜態(tài)測量計算程序》冷凍烴液靜態(tài)測量計算方法計算來船LNG的密度、氣化率以及質(zhì)量熱值[16]。通過液態(tài)的體積乘以密度獲最終接卸質(zhì)量。用該質(zhì)量乘以質(zhì)量熱值獲得接卸LNG的總熱值。接卸船能量計量所采用的公式如下所示[16]：

式中：Q為總熱值，MJ；ρ為LNG的密度，kg/m3。Vlip為LNG液體的體積，m3；Hs,m為LNG的質(zhì)量總熱值，MJ/kg；Ts是標準參考溫度，288.15 K；Tvap為LNG運輸船內(nèi)儲罐氣相空間的溫度，K；Pvap為LNG運輸船內(nèi)儲罐氣相空間壓力，kPa；Ps為標準參考壓力101.325 kPa；Hs,vol為氣體的體積熱值，MJ/m3；xi為組分i的摩爾分數(shù)，%；M i為組分i的摩爾質(zhì)量，kg/mol；vi為組分i的摩爾體積，m3/kmol；Vc為混合組分的縮小量，m3/kmol；x1為LNG中甲烷的摩爾分數(shù)；x2為LNG中氮氣的摩爾分數(shù)；k1為因烴的存在產(chǎn)生的校正因子，m3/kmol；k2為因氮氣的存在產(chǎn)生的校正因子，m3/kmol。

1.2 LNG氣化外輸?shù)哪芰坑嬃?/h3>

LNG氣化后的能量計量屬于管道天然氣計量[13]。通常采用超聲波流量計測量體積，用在線色譜分析組分，通過組分計算體積熱值[17]，由天然氣的體積乘以體積熱值獲得總熱值。根據(jù)GB/T 11062—2020規(guī)定，天然的體積熱值計算如下[18]：

式中：H0s,vol為混合物的理想氣體體積熱值，MJ/m3；Zmix輸送在計量參比條件下的壓縮因子；H0i為組分i的體積熱值，MJ/m3；VNG為天然氣的體積，m3。

1.3 LNG槽車充裝的能量計量

LNG槽車的能量計量即采用LNG槽車的裝車質(zhì)量乘以質(zhì)量熱值。其中，LNG槽車的裝車質(zhì)量通過汽車衡獲?。毁|(zhì)量熱值通過在線色譜分析組分，由組分計算質(zhì)量熱值。計算方法如下所示[16]：

式中：Hmi為組分i的質(zhì)量熱值，MJ/kg；m為LNG槽車的裝車質(zhì)量，kg；Hs,m的LNG質(zhì)量熱值，MJ/kg。

2 北海LNG接收站能量計量的實踐

北海LNG接收站自投產(chǎn)以來接卸船計量均采用15℃、101.325 kPa工況下的能量計量。天然氣外輸采用超聲波流量計進行能量計量；由于槽車外運無法直接獲取能量數(shù)據(jù)，成為北海LNG接收站實現(xiàn)能量計量的瓶頸。2020年12月，北海LNG接收站對裝車系統(tǒng)進行改造，將低壓總管的在線色譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入能量計量模塊，實現(xiàn)槽車外輸能量計量，由此成為國家管網(wǎng)集團首個實現(xiàn)能量計量的接收站。

2.1 北海LNG接卸船能量計量

目前，國內(nèi)LNG接收站存在采用15℃、101.325 kPa接卸船能量計量與采用20℃、101.325 kPa能量計量外輸工況不統(tǒng)一的問題。國內(nèi)LNG接收站在接卸船能量計量時通常采用國際標準（101.325 kPa，15℃）[19]。在天然氣外輸計量時則采用國內(nèi)標準（20℃、101.325 kPa）。兩者計量工況存在差異，導(dǎo)致最終的計量總熱值不同。

北海LNG接收站梳理研究國內(nèi)外卸船計量相關(guān)標準規(guī)范，比選不同標準卸船計量參數(shù)的取值，并在終端使用協(xié)議（Terminal Use Agreement，TUA）合同中將接卸船能量計量統(tǒng)一為20℃、101.325 kPa工況。ISO 6578—2017標準只提供計算15℃、101.325 kPa下熱值的數(shù)據(jù)[16]，而我國的標準為20℃、101.325 kPa。北海LNG接收站結(jié)合GB/T 11062—2020與ISO 6976—2016《天然氣 熱值密度相對密度和成分的沃泊指數(shù)的計算》[20]標準，利用Hmi（組分i的質(zhì)量熱值，MJ/kg，以甲烷為例）、M i（組分i的分子的量，kg/mol，以甲烷為例）、k1、k2、vi不同取值的6種組合（表1），分別計算LNG運輸船的接卸質(zhì)量、熱值以及密度等參數(shù)。通過質(zhì)量、熱值及密度的對比，確定了北海LNG接收站20℃、101.325 kPa工況下的能量接卸船計量。

利用表1組合的取值，應(yīng)用公式（1）分別計算對應(yīng)條件下的質(zhì)量、熱值以及密度，見表2。

表1 接卸船參數(shù)不同取值的組合

表2 接卸船參數(shù)不同取值的結(jié)果對比

分析表2可知，參數(shù)Hmi、M i、k1、k2、v i不同的取值，其對應(yīng)的接卸船質(zhì)量、熱值、密度均呈現(xiàn)變化趨勢的一致性，即質(zhì)量、熱值、密度其中的一項為增長，剩余兩項均是增長趨勢。通過與國內(nèi)各托運商（中石油、中石化、中海油、新奧等）多方協(xié)商，并對TUA合同中計量條款進行驗算，優(yōu)化公式（3）中k1、k2，以及公式（2）中vi的取值，確定采用組合3進行20℃、101.325 kPa接卸船能量計量，即采用k1、k2的溫度間隔為2℃，v i溫度間隔為2℃，統(tǒng)一了能量接卸船的計量。

以北海LNG接收站某月份的接卸船為例，分別計算了6艘LNG運輸船在15℃、101.325 kPa與20℃、101.325 kPa工況下的質(zhì)量、熱值，比較兩者的差值，其計算結(jié)果見表3。

表3 15℃和20℃的質(zhì)量與熱值

采用15℃、101.325 kPa接卸計量與采用20℃、101.325 kPa接卸計量在接卸質(zhì)量、熱值方面均存在差異。在接卸質(zhì)量方面20℃、101.325 kPa接卸計量大于15℃、101.325 kPa接卸計量，其差值的平均值為5.16 t。在接卸熱值方面20℃、101.325 kPa接卸計量小于15℃、101.325 kPa接卸計量，其差值的平均值為1 535 GJ。

圖1 在線取樣與在線色譜安裝位置示意圖

北海LNG接收站在接卸船能量計量采用貿(mào)易交接測量系統(tǒng)（CTMS）監(jiān)控、記錄及處理LNG運輸船上所有測量信息（包括液位、溫度、壓力、縱傾和橫傾等）[21]，同時在卸料總管處安裝在線取樣系統(tǒng)及在線分析系統(tǒng)（兩套ABB在線色譜）。通過在線連續(xù)取樣，實驗室內(nèi)色譜分析并與在線色譜進行比對，確定來船LNG的組分。由組分計算質(zhì)量熱值、氣化率。接卸船在線取樣系統(tǒng)及在線分析系統(tǒng)安裝位置示意圖如圖1所示。

2.2 北海LNG氣化外輸?shù)哪芰坑嬃?/h3>

北海LNG接收站天然氣外輸計量系統(tǒng)設(shè)有5路超聲波流量計及流量計算機。在天然氣總管上安裝了在線氣體分析儀（2臺連續(xù)氣相色譜儀）。通過在線色譜分析外輸天然氣的組分由公式（4）計算天然氣體積熱值。通過超聲波流量計測的外輸天然氣的體積，應(yīng)用公式（6）計算總熱值。

2.3 北海LNG槽車外運的能量計量

北海LNG接收站利用汽車衡、在線色譜等設(shè)備并通過DCS系統(tǒng)增加能量計量模塊實現(xiàn)槽車外運的能量計量。北海LNG接收站內(nèi)配備4臺電子汽車衡，低壓總管處配備LNG在線色譜。通過對低壓總管LNG組分分析計算質(zhì)量熱值等相關(guān)數(shù)據(jù)。

槽車充裝全過程需40 min，充裝流量曲線呈梯形，在充裝的前5 min流量逐漸上升至勻速狀態(tài)，其勻速狀態(tài)維持30 min。北海LNG接收站采用槽車勻速狀態(tài)（30 min）作為有效裝車時間，采用其對應(yīng)的氣化率及質(zhì)量熱值。根據(jù)槽車汽車衡稱重得到的質(zhì)量與色譜分析計算獲得的平均氣化率、質(zhì)量熱值相乘，獲得每臺槽車LNG的質(zhì)量、氣態(tài)體積及總熱值。

3 結(jié)束語

北海LNG接收站對各托運商采用能量計量主要是利用來船LNG的總熱值來計算各托運商的總庫存，每日外輸計算各托運商的外輸熱值和剩余庫存。在未來LNG接收站實施能量計量仍需開展如下工作。

1）LNG接收站的計量月度盤庫方式由傳統(tǒng)的質(zhì)量盤庫過渡到能量盤庫。

2）確定了k1、k2的溫度間隔為2℃，vi溫度間隔為2℃，統(tǒng)一了20℃、101.325 kPa接卸船能量計量。

3）在接卸計量過程，20℃、101.325 kPa接卸計量卸貨質(zhì)量大于15℃、101.325 kPa接卸計量，卸貨熱值20℃、101.325 kPa接卸計量小于15℃、101.325 kPa接卸計量。

4）LNG接收站20℃、101.325 kPa能量接卸船計量的制定，填補了國內(nèi)LNG接收站20℃、101.325 kPa能量接卸船計量的空白，為國內(nèi)其他LNG接收站能量計量的建設(shè)提供了依據(jù)。