液化天然氣貿(mào)易交接計(jì)量分析

吳丹 時(shí)晟楠 羅再揚(yáng)（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司）

液化天然氣（以下簡(jiǎn)稱LNG）是一種戰(zhàn)略天然氣，在長(zhǎng)距離輸送的情況下，更經(jīng)濟(jì)地替代管道天然氣。事實(shí)上，在過(guò)去的幾十年里，無(wú)論是管道天然氣還是液化天然氣的運(yùn)輸，全球市場(chǎng)都在增長(zhǎng)。預(yù)測(cè)到2050 年，液化天然氣貿(mào)易與其他能源類別相比將有更快的增長(zhǎng)。中國(guó)自2006 年開(kāi)始進(jìn)口LNG，現(xiàn)在已經(jīng)成為全球最大的LNG 進(jìn)口國(guó)，國(guó)內(nèi)LNG 接收站項(xiàng)目也呈現(xiàn)飛速發(fā)展趨勢(shì)，已建成了深圳大鵬、福建、大連、天津、江蘇等20 余處LNG接收站，且有更多的接收站項(xiàng)目正在建設(shè)或籌備。

LNG 在管道內(nèi)運(yùn)輸過(guò)程中容易氣化造成計(jì)量誤差，因此不能使用簡(jiǎn)單的體積法來(lái)計(jì)量，目前國(guó)際上多采用能量計(jì)量作為結(jié)算方式，計(jì)算天然氣組分中能產(chǎn)生能量的組分在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的能量[1]。LNG 在不同工況、不同結(jié)算方式下都會(huì)引起計(jì)量誤差，通過(guò)探討LNG 貿(mào)易交接計(jì)量的現(xiàn)狀，分析引起計(jì)量誤差的主要因素，并針對(duì)LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，研究結(jié)論對(duì)國(guó)內(nèi)LNG 貿(mào)易交接計(jì)量的發(fā)展具有重要意義。

1 LNG 國(guó)際貿(mào)易計(jì)量

國(guó)際上船舶運(yùn)來(lái)的LNG 通常以液體形式在LNG接收站進(jìn)行到岸貿(mào)易計(jì)量，船舶提供的艙容表作為交接憑據(jù)，體積計(jì)量的不確定度估算值和實(shí)際操作值存在差異[2]。通過(guò)LNG 船貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量卸貨總體積、返艙天然氣體積、壓力值、溫度值、單位熱值和密度值，計(jì)算出卸貨的LNG 總能量。LNG 完成接收后，一部分氣化后通過(guò)流量計(jì)動(dòng)態(tài)計(jì)量進(jìn)入管網(wǎng)，另一部分通過(guò)低溫流量計(jì)動(dòng)態(tài)計(jì)量或汽車衡計(jì)量后用汽車、船舶運(yùn)輸給下游用戶。

1.1 LNG 船艙計(jì)量

LNG 船艙計(jì)量與原油靜態(tài)計(jì)量類似，通過(guò)測(cè)量?jī)?chǔ)罐的液位等參數(shù)來(lái)計(jì)算其體積，再用密度來(lái)計(jì)算質(zhì)量。使用LNG 船上的貿(mào)易交接系統(tǒng)對(duì)貿(mào)易交接開(kāi)始和結(jié)束時(shí)船艙的液位、溫度、壓力進(jìn)行測(cè)量，作為結(jié)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。貿(mào)易交接前，要保持儲(chǔ)罐的蒸氣壓力一致，輸送管線無(wú)論是裝載還是卸載，都應(yīng)達(dá)到相同的體積條件[3]。

通過(guò)液位計(jì)測(cè)量液位，液位計(jì)的安裝位置應(yīng)不受LNG 波動(dòng)影響，其基準(zhǔn)點(diǎn)下限要滿足在裝載前或卸載后可以對(duì)儲(chǔ)罐的液位進(jìn)行測(cè)量。首先，分別用貿(mào)易交接系統(tǒng)對(duì)卸載前和卸載后的液位連續(xù)讀取5次，每次間隔15 s，取算術(shù)平均值作為船艙的液位。其次，對(duì)平均值進(jìn)行修正后再進(jìn)行體積值換算。最后，卸載前和卸載后體積差即為交接LNG 的體積。其中，對(duì)液位平均值修正值的影響因素包括液位計(jì)的精確度、船艙溫度測(cè)量系統(tǒng)、船艙壓力測(cè)量系統(tǒng)[4]。

船艙溫度測(cè)量系統(tǒng)，至少有5 個(gè)溫度傳感器用于測(cè)定LNG 的液相和氣相溫度。LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)外存在溫差，為了確定其溫度參數(shù)，需對(duì)船艙內(nèi)每個(gè)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)讀取一次，取其算數(shù)平均值。船艙壓力測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量船上儲(chǔ)罐中蒸氣壓力，每個(gè)儲(chǔ)罐應(yīng)配備一個(gè)壓力計(jì)或壓力變送器與壓力計(jì)的組合裝置，同樣計(jì)算平均值作為船艙儲(chǔ)罐LNG 壓力數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 取樣分析

取樣分析是能量計(jì)量中最重要的環(huán)節(jié)。在岸上設(shè)置LNG 取樣分析系統(tǒng)，卸載過(guò)程中連續(xù)采集LNG氣化后的天然氣作為樣品，通過(guò)氣相色譜分析儀分析天然氣組分，根據(jù)組分分析結(jié)果計(jì)算樣品的密度和單位質(zhì)量熱值，再結(jié)合船上體積計(jì)量，得出LNG總熱值。通過(guò)來(lái)自LNG 接收站內(nèi)的返回天然氣的組分，來(lái)計(jì)算返船天然氣的總能量，最終LNG 到港熱值為兩者之差[5]。

但是，LNG 屬于超低溫的液體混合物，溫度和壓力變化都會(huì)引起LNG 氣化，LNG 取樣結(jié)果就會(huì)受到影響。為了確保取樣參數(shù)滿足性能要求，應(yīng)將裝置的取樣探頭安裝在LNG 主管線的上部，保持與主管線的軸心線垂直，選取管道中心作為探頭插入最佳位置。

1.3 能量計(jì)算

根據(jù)貿(mào)易交接過(guò)程中兩次船艙計(jì)量的數(shù)據(jù)，以及具有代表性樣品的色譜分析數(shù)據(jù)，結(jié)合貿(mào)易雙方約定的標(biāo)準(zhǔn)（例如：ISO6578），可以計(jì)算出LNG 的液態(tài)密度、單位熱值、卸載能量以及卸載質(zhì)量等數(shù)據(jù)[6]。至此，一次完整的LNG 貿(mào)易計(jì)量基本上完成，所得數(shù)據(jù)可用作貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)。船艙計(jì)量計(jì)算方法為：

式中：Q為總熱值，MJ；V1iq為L(zhǎng)NG 液體體積，m3；Hs,m是LNG 的質(zhì)量總熱值，MJ/kg；Ts是標(biāo)準(zhǔn)參考溫度，288.15 K；Tvap是儲(chǔ)罐氣相空間溫度，K；Pvap為儲(chǔ)罐氣相空間壓力，kPa；Ps是標(biāo)準(zhǔn)參考?jí)毫Γ?01.325 kPa；Hs,vol是氣體體積熱值，MJ/m3。

2 LNG 國(guó)內(nèi)貿(mào)易計(jì)量

LNG 的國(guó)內(nèi)貿(mào)易沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)量體系支撐，通常都是按照LNG 質(zhì)量進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，組分分析也只作為買方核查產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)。LNG 在國(guó)內(nèi)的貿(mào)易計(jì)量形式包括槽車外運(yùn)形式、LNG 汽車加注站形式以及氣化后外輸?shù)男问健?/p>

2.1 LNG 槽車外運(yùn)計(jì)量

LNG 槽車加注計(jì)量，利用槽車稱重計(jì)量LNG 的加注量進(jìn)行結(jié)算。槽車加注前后在同一地秤上稱量的質(zhì)量差為L(zhǎng)NG 的加注量。要實(shí)現(xiàn)LNG 槽車能量計(jì)量，就需要在進(jìn)入槽車充裝管線的總管處，增設(shè)在線色譜分析儀，通過(guò)實(shí)時(shí)分析LNG 組分，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算出質(zhì)量熱值，即可算出每車重量所對(duì)應(yīng)的能量[7]。計(jì)算方法為：

式中：Hmi為組分i的質(zhì)量熱值，MJ/kg；m為槽車裝車質(zhì)量，kg；xi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，%；Mi為組分i的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

LNG 槽車自重約為30 t 左右，每次加注量約為24 t，兩者量級(jí)一致，由于地秤使用環(huán)境條件較差，這將導(dǎo)致LNG 加注量的準(zhǔn)確度大大降低。目前，為了提高槽車加注計(jì)量準(zhǔn)確度，已經(jīng)開(kāi)展了流量計(jì)替代地秤計(jì)量的相關(guān)研究。

2.2 LNG 汽車加注站計(jì)量

LNG 汽車加注站目前使用的LNG 汽車加注機(jī)內(nèi)的流量計(jì)多數(shù)為科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。由于加注過(guò)程導(dǎo)致車輛儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高，會(huì)有部分氣體通過(guò)氣體返回管線回到汽車加注站內(nèi)的儲(chǔ)罐中，所以LNG加注量等于液相來(lái)液管線與氣相返回管線的兩個(gè)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量之差。流量計(jì)在使用過(guò)程中，要保持較高的穩(wěn)定性，避免不必要的振動(dòng)，以保持計(jì)量準(zhǔn)確性。同樣，要實(shí)現(xiàn)LNG 汽車加注能量計(jì)量，也需要增設(shè)在線色譜分析儀，完成LNG 組分分析。

2.3 LNG 氣化后外輸計(jì)量

LNG 氣化后計(jì)量與天然氣相同，采用氣體流量計(jì)測(cè)量體積流量，應(yīng)用最普遍的流量計(jì)為超聲波流量計(jì)。通過(guò)色譜分析儀分析的組分來(lái)計(jì)算LNG 氣化后的總熱值。計(jì)算公式[8]為：

式中：為組分i的體積熱值，MJ/m3；Zmix為L(zhǎng)NG 輸送在計(jì)量參比條件下的壓縮因子；VNG為天然氣的體積，m3。

以上三種形式的LNG 國(guó)內(nèi)貿(mào)易計(jì)量對(duì)比見(jiàn)表1所示。

表1 LNG 國(guó)內(nèi)貿(mào)易計(jì)量形式Tab.1 Measurement form of LNG domestic trade

綜上所述，LNG 國(guó)內(nèi)外貿(mào)易計(jì)量大多數(shù)采用靜態(tài)計(jì)量，LNG 計(jì)量用流量計(jì)類型主要是超聲流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。在貿(mào)易結(jié)算方式上存在差異，國(guó)外按照能量計(jì)量方式結(jié)算，國(guó)內(nèi)依據(jù)質(zhì)量進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)量體系。隨著LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)未來(lái)完善LNG 貿(mào)易交接計(jì)量體系具有重要意義。

3 LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量現(xiàn)狀

3.1 流量計(jì)計(jì)量性能影響因素分析

國(guó)際上，LNG 貿(mào)易都是采用長(zhǎng)期銷售合同，其計(jì)量的主要方式是基于LNG 運(yùn)輸船艙液位測(cè)量進(jìn)而轉(zhuǎn)換成體積測(cè)量的靜態(tài)計(jì)量；而LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)近年來(lái)發(fā)展快速，已經(jīng)在現(xiàn)貨交易、船－船貿(mào)易交接中應(yīng)用。目前應(yīng)用于LNG 這種超低溫、低潤(rùn)滑性、高雷諾數(shù)液體的過(guò)程計(jì)量?jī)x表有超聲波流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。下面分別對(duì)兩種流量計(jì)在LNG 計(jì)量應(yīng)用中影響計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)某公司超聲流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)分析，得到的示值誤差曲線如圖1 所示。

圖1 某公司超聲流量計(jì)示值誤差曲線Fig.1 Indicating value error curve of ultrasonic flowmeters for a company

從圖1 看出，7 月超聲流量計(jì)示值誤差接近超差，查找原因是LNG 介質(zhì)臟污造成探頭臟污而致流量超差。根據(jù)研究分析，可以通過(guò)對(duì)超聲流量計(jì)的安裝細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，如將超聲換能器安裝在傾斜45 度角的方向上面，就會(huì)避免臟污堆積，減小計(jì)量誤差。另外環(huán)境噪聲、信號(hào)衰減、介質(zhì)密度不均勻等，都會(huì)造成超聲流量計(jì)計(jì)量誤差。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是通過(guò)測(cè)量科里奧利力來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量的方法，可直接測(cè)得LNG 的交接質(zhì)量。在LNG 計(jì)量過(guò)程中影響質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的因素[9]如表2 所示。

表2 質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響因素Tab.2 Factors influencing the measurement accuracy of mass flowmeter

通過(guò)以上分析，超聲流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)都存在安裝因素影響計(jì)量準(zhǔn)確度的問(wèn)題，因此，在提升流量計(jì)自身計(jì)量性能的同時(shí)，也要從安裝等外界條件方面入手，降低對(duì)LNG 流量計(jì)量的影響，此項(xiàng)工作對(duì)于未來(lái)LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量發(fā)展具有重要意義。

3.2 流量計(jì)檢定方法現(xiàn)狀

貿(mào)易交接用質(zhì)量流量計(jì)和超聲流量計(jì)均是通過(guò)液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定，量值最終溯源到相應(yīng)的國(guó)家基準(zhǔn)。目前，液體流量計(jì)通常使用水作為介質(zhì)進(jìn)行檢定，水和LNG 的物性差別較大，對(duì)流量計(jì)檢定結(jié)果存在一定影響，從而會(huì)降低動(dòng)態(tài)計(jì)量的準(zhǔn)確性。

在國(guó)外，一方面LNG 超聲流量計(jì)大多采用激光多普勒的方式進(jìn)行量值核查，保障流量計(jì)的準(zhǔn)確性，但該方式不符合我國(guó)國(guó)家液體流量計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表的規(guī)定，無(wú)法完成量值溯源；另一方面各國(guó)也在積極開(kāi)發(fā)LNG 實(shí)流檢定裝置，具體內(nèi)容如表3 所示。

表3 LNG 實(shí)流檢定裝置現(xiàn)狀對(duì)比Tab.3 Comparison of current status for LNG real flow calibration equipment

雖然質(zhì)量流量計(jì)和超聲波流量計(jì)用于液體計(jì)量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布多年，但是并沒(méi)有專門的標(biāo)準(zhǔn)適用于低溫?zé)N類計(jì)量，也沒(méi)有工業(yè)普遍認(rèn)可的、有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)支持的流量計(jì)檢定方法[10]。到目前為止，開(kāi)發(fā)的LNG 實(shí)流檢定裝置均作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)用，對(duì)溫度和壓力、密度變化補(bǔ)償、檢定裝置容積、天然氣氣化等影響因素問(wèn)題尚未解決。所以，LNG 計(jì)量用流量計(jì)檢定方法還需要針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行研究，保證流量計(jì)溯源的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前液化天然氣貿(mào)易交接計(jì)量的現(xiàn)狀，從LNG 國(guó)際貿(mào)易計(jì)量、LNG 國(guó)內(nèi)貿(mào)易計(jì)量和LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量三方面進(jìn)行了探討，得出如下結(jié)論：

1）LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量用流量計(jì)類型包括質(zhì)量流量計(jì)和液體超聲流量計(jì)，除了自身計(jì)量性能需要提升以外，安裝等外界條件也是影響LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量準(zhǔn)確性的重要因素。

2）LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量的應(yīng)用受LNG 流量計(jì)檢定方法制約的同時(shí)，還受溫度和壓力、密度變化補(bǔ)償、檢定裝置容積、天然氣氣化等因素影響。

3）開(kāi)展LNG 動(dòng)態(tài)計(jì)量用流量計(jì)以及檢定方法的研究，研發(fā)LNG 在線實(shí)流檢定裝置，應(yīng)用于貿(mào)易交接計(jì)量，對(duì)未來(lái)國(guó)內(nèi)LNG 貿(mào)易交接計(jì)量采用能量計(jì)量方式結(jié)算，完善計(jì)量體系，將會(huì)發(fā)揮出重要作用。