摘 要：天然氣作為清潔能源的核心價(jià)值在于其供出的發(fā)熱量。由于我國天然氣貿(mào)易量逐年上升且隨著GB／T 22723—2008《天然氣能量的測定》正式實(shí)施，天然氣交接將從體積計(jì)量方式逐步轉(zhuǎn)向能量計(jì)量和結(jié)算。中國石油天然氣股份有限公司于2011年開始在中國石油西南油氣田公司建設(shè)天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于我國能量計(jì)量體系的建設(shè)和推廣應(yīng)用。為此，從設(shè)備配置和管理、檢定規(guī)程、方法標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)參比條件、氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、體積流量，以及發(fā)熱量直接測定量值量傳溯源鏈等方面，深入分析了我國應(yīng)用能量計(jì)量的可行性，并闡述了在西氣東輸一線和川渝管網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)踐。結(jié)果表明：我國目前已基本具備了實(shí)施能量計(jì)量的技術(shù)條件，整體技術(shù)水平在不斷提高，可初步滿足能量計(jì)量應(yīng)用要求；天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備、發(fā)熱量間接測定、流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置水平有待進(jìn)一步提高。最后提出了6個(gè)方面的發(fā)展設(shè)想來支撐天然氣能量計(jì)量的全面實(shí)施。
關(guān)鍵詞：中國 天然氣 能量測定 流量 組成分析 發(fā)熱量 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 可行性 應(yīng)用實(shí)踐
Practicability and application of natural gas energy determination in China
Abstract：The core value of natural gas as a clean energy source is its heating value output．At present natural gas trade volume keeps rising year by year in China．As the publication and implementation of the national standard of GB／T 22723 2008 the Energy Measurement of Natural Gas，natural gas commercial handover will be transferred to the energy measuring and clearing from present volume metering．In view of this，a detailed analysis was first made of the practicability of natural gas energy measuring in China in the aspects of equipment allocation and management，verification regulation，method standard，reference condition，gas reference material，volume flow，and heating value direct-determination traceability and transferring chain．Als0，the practices of gas energy measuring were introduced in lane Two of the West-to-East Pipeline and gas grids in Chongqing and Sichuan areas．It was concluded that China has basically possessed the technical conditions of implementing natural gas energy measurin9；such an overall technology level is continuously improving and preliminarily meets the requirement of energy measuring application；however，gas reference material preparation for natural gas analysis，heating value indirect determination，and volume flow primary standard set-up still need to be improved．On this basis，proposals were presented from six aspects to support the full implement of natural gas energy measuring all over China．The Key l。aboratory for Natural Gas Quality Control and Energy Measurement started to be established in 20l1 by the PetroChina Southwest Oil＆Gasfield Company aiming at contributing to the construction and application of natural gas energy measuring system in China．
Keywords：China，natural gas，energy determination，volume flow rate，component analysis，heating value，gas reference material，feasibility，application
中國天然氣工業(yè)正處于一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。同時(shí)，中亞天然氣于2009年12月進(jìn)入國內(nèi)；中緬、中俄進(jìn)口天然氣項(xiàng)目全面啟動(dòng)；廣東、福建、大連、江蘇等LNG項(xiàng)目投產(chǎn)；頁巖氣、煤層氣和煤制代用天然氣開始開發(fā)并投入利用。我國氣質(zhì)復(fù)雜化的輸送和市場格局正在形成。
不同來源、不同產(chǎn)地的天然氣有如下特點(diǎn)：烴類與雜質(zhì)組分的含量不固定；單位體積氣體的發(fā)熱量變化幅度較大。如國內(nèi)不同氣源的天然氣發(fā)熱量最大變化可以達(dá)到6.1MJ／m3。
天然氣作為清潔能源的核心價(jià)值在于其供出的發(fā)熱量。1980年美國天然氣加工者協(xié)會(huì)提出天然氣交接計(jì)量和結(jié)算的供出能量原則[1]。1998年IS0／TC193開始制定ISO 15112《天然氣能量的測定》，于2008年12月1日發(fā)布實(shí)施[2]。歐美等成熟市場均采用天然氣能量計(jì)量和實(shí)施能量結(jié)算，確保了用戶使用不同天然氣在價(jià)格上的公平性，體現(xiàn)了天然氣作為燃料的核心價(jià)值，減少了天然氣交易中的供需矛盾，促進(jìn)了天然氣的勘探開發(fā)和利用。
我國目前天然氣交接以體積計(jì)量方式為主。隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，將轉(zhuǎn)向能量計(jì)量和結(jié)算。國內(nèi)中海油輸給香港中華電力，以及LNG、中緬、中俄等項(xiàng)目國際貿(mào)易按能量交接和結(jié)算；2003年以來，全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)聯(lián)合中石油、中石化、中海油等企業(yè)開展天然氣能量測定標(biāo)準(zhǔn)研制；2008年，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布GB／T 22723《天然氣能量的測定》[3]；中國石油西南油氣田公司開展能量計(jì)量配套技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制修訂、量值溯源、現(xiàn)場試驗(yàn)，積極與在能量計(jì)量這一領(lǐng)域擁有先進(jìn)技術(shù)與豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的國家和組織保持密切的聯(lián)系，中國石油天然氣集團(tuán)公司(以下簡稱中石油)于2011年啟動(dòng)建設(shè)中國石油天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于建設(shè)我國天然氣能量計(jì)量體系，推進(jìn)能量計(jì)量在中國的應(yīng)用。
1 GB／T 22723—2008《天然氣能量的測定》
GB／T 22723—2008{天然氣能量的測定》規(guī)定能量測定采用以時(shí)間變化為基礎(chǔ)的間接測定法，即能量值等于一個(gè)計(jì)算時(shí)間(如小時(shí)、天、周、月等)內(nèi)氣體流量與高位發(fā)熱量的乘積[3]，涉及流量測量、組成分析、物性參數(shù)計(jì)算等設(shè)備、方法標(biāo)準(zhǔn)、溯源鏈、氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)參比條件、計(jì)量單位等諸多方面，如圖l所示。
GB／T 22723《天然氣能量的測定》提出從氣體生產(chǎn)商到用戶實(shí)施能量計(jì)量的6個(gè)可能界面(計(jì)量站)，如圖2所示。一般來說在1、2、3界面通常采用天然氣在線組成分析和流量測量。而4、5、6界面通常采用發(fā)熱量賦值和流量測量。
2 我國天然氣能量計(jì)量技術(shù)體系
按照天然氣能量計(jì)量體系要求，我國目前已初步形成了能量計(jì)量體系，整體技術(shù)水平在不斷提高。流量和發(fā)熱量測量設(shè)備、設(shè)備檢定規(guī)程、賦值方法、實(shí)驗(yàn)室分析能力、流量和發(fā)熱量測量標(biāo)準(zhǔn)、量傳和溯源鏈，基本達(dá)到國際水平，可初步滿足能量計(jì)量應(yīng)用要求。在天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備、發(fā)熱量間接測定、流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置水平進(jìn)一步提高后，我國應(yīng)用能量計(jì)量的技術(shù)基礎(chǔ)條件已具備。
然而，能量計(jì)量和結(jié)算是復(fù)雜的，不僅涉及技術(shù)，更涉及法規(guī)、政策、價(jià)格體系等，需要多層面、多部門聯(lián)合才能推進(jìn)。
2．1 流量和發(fā)熱量測量設(shè)備
我國流量測量設(shè)備主要有川渝地區(qū)廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)孔板，長輸管線普遍使用的超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)，小型用戶使用的智能旋進(jìn)流量計(jì)和腰輪流量計(jì)。2008年天然氣研究院對l9條管線、200多個(gè)外輸計(jì)量站的配備情況進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，其中標(biāo)準(zhǔn)孔板占到了39.4％，超聲流量計(jì)占32.6％，渦輪流量計(jì)占28.0％。而國內(nèi)新建特大型和進(jìn)口天然氣計(jì)量站按一備一用原則配備了冗余流量測量設(shè)備。流量測量設(shè)備基本達(dá)到GB／T 22723《天然氣能量的測定》和GB／T l8603《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》對A、B、C三級計(jì)量站要求。
對A級以上的計(jì)量站一般要求配備在線氣相色譜儀用于天然氣發(fā)熱量的測定。目前在四川管網(wǎng)、西氣東輸一線、二線、陜京一、二、三線、川氣東送管線、廣東LNG、福建LNG、江蘇LNG、各城市燃?xì)夤鹃T站、各油氣田外輸站、中亞管道等多數(shù)達(dá)到A級規(guī)模的計(jì)量站均配置了在線氣相色譜儀進(jìn)行天然氣組成分析，一方面為體積流量測量提供密度和壓縮因子數(shù)據(jù)，一方面為實(shí)施能量計(jì)量提供發(fā)熱量數(shù)據(jù)進(jìn)行了準(zhǔn)備。天然氣研究院開發(fā)了發(fā)熱量賦值方法和軟件，用于未配置在線氣相色譜儀的計(jì)量站(主要是B和C級計(jì)量站)在貿(mào)易交接時(shí)的發(fā)熱量值確定；建立了累積取樣技術(shù)進(jìn)行發(fā)熱量核查和賦值。通過天然氣研究院開展的在線色譜儀校準(zhǔn)，表明配備的色譜儀性能達(dá)到GB／T 22723《天然氣能量的測定》和GB／T l8603《天然氣計(jì)量系統(tǒng)的技術(shù)要求》的要求。
針對體積流量和發(fā)熱量測量設(shè)備量值溯源與傳遞管理，我國制定了相關(guān)的檢定規(guī)程11項(xiàng)(表1)。同時(shí)，GB／T 28766—2012《天然氣在線分析系統(tǒng)性能評價(jià)》(修改采用ISO 10723)為在線色譜分析系統(tǒng)性能評價(jià)提供了標(biāo)準(zhǔn)方法[5]。GB／T l8603—2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》為流量和發(fā)熱量測量系統(tǒng)性能評價(jià)提供了判定依據(jù)[6]。
中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì)(CNAS)于2009年組織了天然氣組成分析能力驗(yàn)證，有包括石油天然氣企業(yè)和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的28家實(shí)驗(yàn)室參加，對2個(gè)實(shí)際天然氣樣品中的氮、二氧化碳、甲烷、己烷加等l0個(gè)組分進(jìn)行了分析，獲得364個(gè)數(shù)據(jù)，滿意293個(gè)，表明離線實(shí)驗(yàn)室組成分析整體能力達(dá)到國際水平[7]。
2011年，中國石油在西南油氣田公司建設(shè)天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，組成分析、發(fā)熱量測定將達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先和國際先進(jìn)。
2．2 流量和發(fā)熱量測量標(biāo)準(zhǔn)方法
我國等同和修改采用ISO、EN、AGA及ASTM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布29項(xiàng)取樣、組成分析、發(fā)熱量和流量測量、能量測定、量值溯源方法的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表2、3)，初步建立與國際接軌、達(dá)到國際先進(jìn)水平的能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。GB／T l8603《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》和GB／T 22723《天然氣能量的測定》是能量計(jì)量兩個(gè)核心標(biāo)準(zhǔn)。
2．3 溯源鏈
能量計(jì)量中流量及發(fā)熱量均應(yīng)溯源至國際基準(zhǔn)。按測量方式的不同，發(fā)熱量包括直接測定及間接測定量傳和溯源，間接測定的量傳和溯源通過氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行。國際通行的是，氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用于日常計(jì)量交接，而直接測定作為核查和保證手段。
2．3．1氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
我國氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是作為計(jì)量器具施行法制管理，分為國家一級和國家二級，國家一級代表我國最高水平。我國已經(jīng)初步形成的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值傳遞和溯源鏈[4](圖3)。目前已建立與國際一致的稱量法、分壓法等氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備技術(shù)，形成了4種二元組分的國家一級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，3個(gè)單濃度點(diǎn)的多組分國家一級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，少量組分不確定度小于等于l％，戊烷和己烷小于等于2％。另外還研制了10余個(gè)國家二級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，少量組分不確定度小于等于2.5％。
為解決氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在能量計(jì)量實(shí)施中引發(fā)的問題，中國石油及下屬單位西南油氣田公司在天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，將于2013年建立一套達(dá)到世界先進(jìn)水平、國內(nèi)領(lǐng)先的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備系統(tǒng)。近期將實(shí)現(xiàn)甲烷不確定度小于等于0.05％(稱量不確定度，包含因子k＝2)、其他少量組分不確定度小于等于0.5％的國家一級(稱量不確定度，k＝2)和甲烷組分不確定度小于等于1.0％(k＝2)、其他組分不確定度小于等于2.0％(k＝2)的國家二級天然氣分析用多組分氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系的研發(fā)目標(biāo)。
該天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備系統(tǒng)包括多組分氣體標(biāo)物稱量裝置和多組分氣體標(biāo)物制造及處理裝置。
2．3．2體積流量
我國建設(shè)了原級標(biāo)準(zhǔn)裝置、次級標(biāo)準(zhǔn)裝置、工作標(biāo)準(zhǔn)裝置、移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置，建立了完整的流量量值動(dòng)態(tài)溯源鏈(圖4)。國家石油天然氣大流量成都和南京分站共同構(gòu)成完整的低、中和高壓體積流量量值傳遞和溯源鏈。成都和南京分站的質(zhì)量時(shí)間(mt)法原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，不確定度優(yōu)于0.10％。成都分站擴(kuò)容改造后，將建立中低壓(0.3～6.0MPa)、質(zhì)量流量不確定度達(dá)到(0.05％～0.076％)的原級標(biāo)準(zhǔn)裝置。同時(shí)成都分站正新建環(huán)道檢測系統(tǒng)作為工作標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)有臨界流文丘里噴嘴次級標(biāo)準(zhǔn)裝置從不確定度0.33％水平提高到小于等于0.20％。
通過多年努力和發(fā)展，我國天然氣流量測量量值溯源體系達(dá)到國際先進(jìn)水平。
2．3．3發(fā)熱量直接測定
發(fā)熱量直接測定是通過燃燒一定量的氣體直接獲得氣體的發(fā)熱量，其作為天然氣發(fā)熱量測定的標(biāo)準(zhǔn)方法已經(jīng)得到世界各國的一致認(rèn)可，是氣相色譜間接測定法的核查和保證手段。
我國的水流式熱量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度小于等于1.0％(純甲烷，置信度U＝0.95，包含因子k＝2)。中國石油天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在研制的天然氣發(fā)熱量直接測量裝置，測量不確定度為0.20％～0.25％(U＝0.95，k＝2)，達(dá)到ISO 15971：2008．Natural gas-Measurement of Properties-Calorific Value and Wobbc Index確定的1級水平[4,8]，滿足現(xiàn)場發(fā)熱量測定值的核查。圖5是國內(nèi)外氣體發(fā)熱量直接測定量值傳遞和溯源鏈的比較[4]。
3 天然氣能量計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐
自2007年起中國石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司和西南油氣田公司先后在西氣東輸一線和川渝管網(wǎng)，按照GB／T 22723《天然氣能量的測定》的要求，根據(jù)各輸氣管線計(jì)量站點(diǎn)的配置情況、輸配站級別(輸氣量)和用戶類型等選擇具有代表性的計(jì)量站嚴(yán)格按照GB／T 22723進(jìn)行了天然氣能量計(jì)量技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用。其中，在線色譜儀主要選擇了各管線使用較多的AC 6890、ABB 8000、DANIEL570，流量計(jì)主要有使用最多和最早的孔板流量計(jì)及新建管線使用較多的超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì)，用戶類別主要有工業(yè)(化肥和發(fā)電)、城市燃?xì)獾?，結(jié)果表明，國內(nèi)各計(jì)量站已具備實(shí)施能量計(jì)量的條件。
3．1 在川渝管網(wǎng)開展的現(xiàn)場試驗(yàn)
以輸氣管網(wǎng)特點(diǎn)、輸氣規(guī)模、用戶情況、計(jì)量檢測設(shè)備配置為試驗(yàn)站。電選擇原則。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)充分考慮氣質(zhì)變化的情況，經(jīng)過一年的試驗(yàn)時(shí)間，通過合理性檢驗(yàn)、有效性檢驗(yàn)、發(fā)熱量賦值、替代值確定、能量數(shù)據(jù)組合計(jì)算、不確定度計(jì)算，評估氣質(zhì)變化對能量值的影響，給出合理的交接計(jì)量方案及質(zhì)量控制和質(zhì)量保證措施。圖6是川渝管網(wǎng)能量計(jì)量現(xiàn)場應(yīng)用方案。X站：A級站，為氣體輸送商直接向本地分銷商供氣(界面3)，工業(yè)及民用氣，在線色譜儀故障，離線分析，應(yīng)用替代值。Y站：A級站，由一個(gè)氣體輸送商向另一氣體輸送商供氣(界面2)，在線色譜儀正常，評價(jià)發(fā)熱量計(jì)算方法。
連續(xù)一年的試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)站點(diǎn)高位發(fā)熱量測定的不確定度均在0.1％左右，不超過0.11％，達(dá)到68／T l8603對A級計(jì)量站的準(zhǔn)確度要求。
3．2 在西氣東輸一線開展的現(xiàn)場試驗(yàn)
2007年在西氣東輸一線選擇3個(gè)不同的A級計(jì)量站(大于等于5×104m3／h)作為天然氣能量計(jì)量技術(shù)應(yīng)用試點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)間3個(gè)月。3個(gè)計(jì)量站點(diǎn)高位發(fā)熱量測定的不確定度均在0.1％左右，達(dá)到68／T 18603對A級計(jì)量站的準(zhǔn)確度要求(圖7)，表明長輸管線計(jì)量站已基本達(dá)到能量計(jì)量體系應(yīng)用的要求[4]。
4 發(fā)展設(shè)想
1)建立滿足能量計(jì)量要求的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系。
2)建立流量計(jì)量環(huán)道裝置，提高次級標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度水平，優(yōu)化檢定網(wǎng)絡(luò)。
3)建立天然氣發(fā)熱量直接測定l級測量裝置和氣體燃料直接測定0級標(biāo)準(zhǔn)裝置，達(dá)到法國、德國、俄羅斯基準(zhǔn)裝置水平，全面實(shí)現(xiàn)與國際接軌。
4)優(yōu)化在線流量測量和組成分析設(shè)備配置。
5)開展長輸管線和某一地區(qū)天然氣能量計(jì)量整體解決方案研究，建立能量計(jì)量示范站點(diǎn)和示范區(qū)。
6)研究能量計(jì)量管理方式，制定配套管理辦法，節(jié)約資源，減少爭議。
5 結(jié)束語
正在建設(shè)的中國石油天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，將與中國計(jì)量科學(xué)研究院、國家石油天然氣大流量站、全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、中石化、中海油，以及政府和地方行政管理部門一道，共同推進(jìn)天然氣貿(mào)易交接從體積結(jié)算轉(zhuǎn)向能量結(jié)算，確保天然氣能量計(jì)量的準(zhǔn)確可靠，保障我國天然氣能量計(jì)量順利實(shí)施。
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本文作者：羅勤
作者單位：中國石油西南油氣田公司天然氣研究院
石油工業(yè)天然氣質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處
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