徐孝軒 李 奇 荊 棟

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 2.渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司

0 引言

我國2016年天然氣消費量為2 103×108m3，占一次能源消費量的6.2%，較2015年增加7.7%，其中國內產(chǎn)天然氣量為1 380×108m3、管道進口氣量為380×108m3、LNG進口氣量為343×108m3[1]，已形成多氣源供應局面。這對我國保障能源安全和改善大氣環(huán)境具有重要意義。

目前，我國大部分省市地區(qū)均由多氣源供應天然氣。如天津市的氣源包括陜京線系統(tǒng)管輸?shù)奶烊粴?、周邊氣田生產(chǎn)的天然氣及天津浮式LNG，2016年供應天津市氣量達62.7×108m3，其中陜京線系統(tǒng)供氣量為53.1×108m3，天津浮式LNG供氣量為6.3×108m3，周邊氣田等合計供氣量約3.3×108m3。

不同氣源的天然氣其組成不同，造成單位體積天然氣的發(fā)熱量不同，煤層氣的發(fā)熱量最低約為34 MJ/m3，進口LNG的發(fā)熱量較高，介于38～43 MJ/m3。我國現(xiàn)行天然氣交接計量方式仍然采用體積計量方式，無法體現(xiàn)天然氣發(fā)熱量的核心價值，不利于我國天然氣行業(yè)的健康發(fā)展。

國外對天然氣能量計量的研究主要集中在發(fā)熱量計量技術方面[2-5]，而國內多集中研究天然氣能量計量實施方案及對行業(yè)影響的研究[6-9]，但對多氣源天然氣輸配管網(wǎng)能量計量技術的研究較少。通過修改國際標準ISO 15112: 2007 Natural Gas－Energy Determination，我國制訂了GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》標準，然而該標準中對多氣源輸配管網(wǎng)并沒有給出具體可操作的能量計量程序。筆者根據(jù)拓撲學的圖論理論，提出了一種區(qū)域多氣源天然氣輸配系統(tǒng)狀態(tài)重構能量計量方法，為我國天然氣能量計量的應用和推廣提供了一種可操作的能量計量程序。

1 天然氣能量計量

天然氣能量計量主要分為直接法和間接法[10]，目前普遍采用間接計量方法。天然氣間接能量計量是通過計量天然氣的單位發(fā)熱量及氣體流量實現(xiàn)，在一個能量計量周期內（時間t0至tn），計量的氣體能量E(tn)為：

式中H(t)表示天然氣t時刻的發(fā)熱量，MJ/m3；q(t)表示天然氣同一時刻t的流量，m3/s；e(t)表示t時刻的單位能量流量，MJ/s。

天然氣從生產(chǎn)商到終端用戶一般要經(jīng)過氣體輸送商、區(qū)域分銷商、本地分銷商中的部分及全部階段，可能存在的交接界面如圖1所示[11]。

在天然氣輸配管網(wǎng)實際交接能量計量中，不可能在每個下氣點都安裝發(fā)熱量計量儀器。依據(jù)GB/T 22723推薦，一般在1～3界面計量天然氣的發(fā)熱量和流量，而在4～6界面僅計量天然氣的流量。如在德國的1 600個計量用戶和50余個進氣點中，僅有400多個點安裝有采用氣相色譜儀的天然氣熱值計量裝置，其他交接點主要采用熱值賦值方法來實現(xiàn)能量計量[12]。熱值賦值是依據(jù)管網(wǎng)布局的拓撲結構和管網(wǎng)運行狀態(tài)，對天然氣物性參數(shù)沿管道的分布進行計算，從而間接地計算出各交接點的熱值。GB/T 22723中給出的熱值賦值方法有固定賦值、可變賦值和狀態(tài)重構。固定賦值和可變賦值只能應用于單氣源的簡單輸配管網(wǎng)能量計量賦值。而應用于多氣源的輸配管網(wǎng)能量計量的狀態(tài)重構方法，標準中并沒有給出具體可操作的能量計量程序。

2 多氣源輸配管網(wǎng)能量計量分析

2.1 多氣源輸配管網(wǎng)

圖1 天然氣從生產(chǎn)商到終端用戶之間能量測定的可能界面圖

圖2為多氣源天然氣輸配管網(wǎng)。該管網(wǎng)由內外兩條環(huán)狀供氣管網(wǎng)組成，外層為高壓主干供氣管網(wǎng)，壓力為2.5 MPa，高壓氣經(jīng)調壓站調壓至1.6 MPa為內層次高壓管網(wǎng)供氣。圖2中S1和S2分別表示供氣氣源，D1～D6表示用氣戶，各用戶的用氣量如表1所示。該輸配管網(wǎng)僅在氣源處進行熱值計量，而在用戶交接點僅進行流量計量。該管網(wǎng)的雙氣源單位發(fā)熱量相差較大，S1氣源的高位發(fā)熱量為37.9 MJ/m3，S2氣源的高位發(fā)熱量為43.6 MJ/m3。

圖2 多氣源天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)圖

表1 各用戶的用氣量表

2.2 能量計量準確性分析基準

為了研究多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)能量計量方法的準確性，首先需要確定管網(wǎng)運行的真實狀態(tài)，把真實狀態(tài)作為基準，通過對比能量計量方法的計量結果與基準的偏差，確定能量計量方法的準確性。

管網(wǎng)模擬嚴格遵守質量守恒和能量守恒，在保證管網(wǎng)模型輸入數(shù)據(jù)準確性的前提下，管網(wǎng)模擬的準確性可以得到保證。設定表1中輸配管網(wǎng)中各用戶的用氣量為真值，利用管網(wǎng)模型計算出各氣源的輸入流量及各用戶的發(fā)熱量，將管網(wǎng)模型計算的發(fā)熱量作為能量計量準確性分析的基準。

能量計量標準GB/T 22723中不建議采用管網(wǎng)模擬方法進行能量計量方法，其原因是未經(jīng)審核的在線測量數(shù)據(jù)容易造成模擬結果不準確。任何計量儀表的計量值均由真值和誤差組成，天然氣流量計量儀表的誤差主要由管道中氣流條件及氣體中雜質對計量儀表的影響而產(chǎn)生[13]。為了模擬實際儀表的計量數(shù)值，通過在計量真值的基礎上增加隨機誤差模擬實際儀表的計量數(shù)值，隨機誤差由隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，誤差范圍根據(jù)GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》中A級計量準確度規(guī)定選取，體積流量計量儀表的最大允許相對誤差為0.7%，在線發(fā)熱量計量儀表的最大允許相對誤差為0.5%。

2.3 加權平均值可變賦值法準確性分析

設定該多氣源輸配管網(wǎng)中各用戶的用氣量在計量期內穩(wěn)定，氣源供氣壓力、溫度不變，氣量充足。應用PipelineStudio（TGnet）建立該多氣源天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型（圖3）。TGnet采用國際公認的天然氣管道水力學模型計算管網(wǎng)中的壓力及流量分布，并依據(jù)ISO 6976: 1995[14]嚴格計算天然氣發(fā)熱量。將基準條件下TGnet計算的用戶發(fā)熱量作為評價管網(wǎng)系統(tǒng)能量計量準確性的基準。

圖3 多氣源天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)TGnet模擬圖

通過分析該多氣源輸配管網(wǎng)的拓撲結構可知，系統(tǒng)中各用戶的天然氣可能來源于其中一個氣源，也可能由兩個氣源共同供氣，且供氣比例也存在差異。加權平均值可變賦值法確定管網(wǎng)下游各交接界面發(fā)熱量H(tn)由下式計算，計算結果列于表2。

式中Hc,m表示n個氣源中一個氣源的發(fā)熱量，MJ/m3；Qm表示氣量，m3。

從表2中可以看出，采用區(qū)域供氣的數(shù)量加權平均值可變賦值法對各用戶用氣的發(fā)熱量進行賦值，能量計量誤差可達8%，這種賦值方法應用于復雜的多氣源輸配氣管網(wǎng)將產(chǎn)生較大誤差，不能滿足GB/T 18603對能量計量精度的要求。

表2 多氣源區(qū)域輸配氣管網(wǎng)應用發(fā)熱量數(shù)量加權平均值可變賦值法能量計量誤差分析表

3 多氣源輸配系統(tǒng)能量計量研究

3.1 狀態(tài)重構方法

對于具有m個節(jié)點、n條管網(wǎng)支路、k個氣源和l個下游用氣用戶的多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)各節(jié)點氣體流入和流出的氣量平衡，對于第i個節(jié)點氣量平衡等式為：

式中Qin,i表示第i個節(jié)點流入氣量，m3；Qout,i表示第i個節(jié)點流出氣量，m3。

據(jù)此，可得到m個氣量平衡等式為：

式中Amn表示支路管道關系矩陣；Xn表示管網(wǎng)各支路流量，104m3/d。

依據(jù)拓撲學可知，節(jié)點數(shù)m小于支路管路數(shù)n，并規(guī)定關系矩陣中流入節(jié)點支路的關系系數(shù)為1，流出節(jié)點支路的關系矩陣為－1。關系矩陣Amn由流量已計量支路矩陣E和未計量矩陣C兩矩陣組成，即Amn=[EC]。E矩陣由管網(wǎng)中流入和流出支路組成，C矩陣由內部連通支路組成。根據(jù)圖論中連通有向圖關系矩陣的秩定理[15]可知，矩陣C的秩rank(C)=m－1。

當rank(C)≥(n－k－l)時，多氣源輸配管網(wǎng)中未確定的支路可依據(jù)已計量的支管路流量數(shù)據(jù)求得，不需要在其他管路上增設流量計量儀表。

當rank(C)＜(n－k－l)時，需選擇n－l－krank(C)個未確定流量的內部支路中進行流量計量。所選擇的計量支路需要滿足：除去計量支路對應的列后的矩陣C′的秩應等于矩陣C的秩。

選擇管網(wǎng)內部計量支路的方法為：①首先將矩陣C進行行初等變換為階梯型矩陣；②確定階梯型矩陣中同一行階梯由ti列構成，且ti≥2所對應的列（每一列對應一條內部支路）；③從②中選擇需要增加計量支路，使階梯型矩陣每行僅由1列構成。

將選擇的計量支路所對應的列與矩陣E合并形成矩陣E′，則變化為：

形成的非齊次線性方程組為：

通過該方法可重構出輸配管網(wǎng)中所有管段中天然氣的流量，進而可將各氣源的流量分配到各下游用戶，從而確定各下游用戶使用的天然氣總能量，各下游用戶的能量計量可通過下式進行計算：

式中Hj表示下游j用戶天然氣能量計量，MJ；Hc,i表示i氣源的發(fā)熱量，MJ/m3；qi,j表示i氣源分配到j用戶的氣量，m3。

3.2 能量計量誤差分析

圖4所示的多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)由12個節(jié)點和23條支路組成，其中氣源支路1、2進行流量和發(fā)熱量計量，而下游用戶支路3～8僅進行流量計量（圖4）。采用3.1中的管網(wǎng)狀態(tài)重構方法，對下游各用戶進行能量計量。構建關系矩陣Amn（表3）。矩陣C的秩為11，需要在4個支路上進行流量計量才能重構管網(wǎng)狀態(tài)。對矩陣C進行行初等變換為階段矩陣，從而選擇支路15、20、22、23進行流量計量。

表4對管網(wǎng)狀態(tài)重構后進行能量計量的誤差進行分析，各下游用戶的能量計量的誤差均在0.5%以內，滿足GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》中對能量計量準確度最高等級A級誤差為1% 以內的要求。

圖4 多氣源輸配管網(wǎng)節(jié)點和支路拓撲結構圖

表3 關系矩陣表

4 結論

1）目前我國已形成常規(guī)天然氣、煤層氣、頁巖氣和進口天然氣等多氣源供應格局，為了使天然氣行業(yè)健康發(fā)展，我國天然氣計量方式必將逐漸從現(xiàn)行的體積計量方式向能量計量方式轉變。

2）能量計量標準中對多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)并沒給出具體可操作的能量計量程序，采用熱值數(shù)量加權平均賦值方法將產(chǎn)生較大的能量計量誤差，對于文中的多氣源輸配系統(tǒng)能量計量誤差可達8%，不能滿足能量計量的要求。

3）依據(jù)拓撲學基礎，提出了一種具有可操作性的多氣源輸配系統(tǒng)狀態(tài)重構方法，給出了確定多氣源輸配管網(wǎng)狀態(tài)重構所需的流量儀表的最少數(shù)量及布置的方法。應用該狀態(tài)重構方法對于文中多氣源輸配系統(tǒng)能量計量誤差不超過1%，滿足《天然氣計量系統(tǒng)技術要求》標準中對能量計量的A級精度要求。

表4 采用狀態(tài)重構方法的能量計量誤差分析表

[1] BP. Statistical review of world energy[DB/OL]. (2017-06-01)[2017-06-01]. https://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/_bp_2017-.html.

[2] Ulbig P & Hoburg D. Determination of the calorific value of natural gas by different methods[J]. Thermochimica Acta, 2002,382(1/2): 27-35.

[3] ?krbi? BD & Cvejanov JD. Comparative analysis of methods for determination of caloriベc values of natural gas mixtures[J]. Fuel Processing Technology, 1991, 28(3): 307-314.

[4] Lim KW, Jin YJ & Lee BJ. Measurement of gas caloriベc value using electric substitution method[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2012, 109(1): 487-494.

[5] Jaeschke M, Schlev P & Janssen-vanRosmalen R. Thermodynamic research improves energy measurement in natural gas[J].International Journal of Thermophysics, 2002, 23(4): 1013-1031.

[6] 羅勤. 天然氣能量計量在我國應用的可行性與實踐[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(2): 123-129.Lou Qin. Practicability and application of natural gas energy determination in China[J]. Natural Gas Industry, 2014, 34(2): 123-129.

[7] 李鷺光, 周志斌. 中國天然氣按能量計價實施方案研究[J]. 天然氣工業(yè), 2011, 31(12): 110-114.Li Luguang & Zhou Zhibin. Implementation schemes of natural gas energy pricing in China[J]. Natural Gas Industry, 2011,31(12): 110-114.

[8] 陳賡良. 天然氣能量計量的有關法制問題[J]. 天然氣工業(yè),2003, 23(1): 88-91.Chen Gengliang. Some legal problems related to gaging natural gas energy[J]. Natural Gas Industry, 2003, 23(1): 88-91.

[9] 王遇冬, 王懷孝. 我國商品天然氣采用熱值計量的必要性與可能性[J]. 天然氣工業(yè), 1997, 17(4): 69-70.Wang Yudong & Wang Huaixiao. Necessity and possibility of adopting caloricity to gage commercial gas in China[J]. Natural Gas Industry, 1997, 17(4): 69-70.

[10] 周志斌, 何潤民, 何春蕾, 羅勤. 國外天然氣能量計量與計價綜述[J]. 天然氣技術與經(jīng)濟, 2011, 5(5): 3-7.Zhou Zhibin, He Runmin, He Chunlei & Luo Qin. A summarize of foreign natural gas energy measurement and pricing[J]. Natural Gas Technology and Economy, 2011, 5(5): 3-7.

[11] 中國國家標準化管理委員會. 天然氣能量的測定: GB/T 22723—2008[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.Standardization Administration of the People's Republic of China. Energy determination for natural gas: GB/T 22723-2008[S].Beijing: Standards Press of China, 2008.

[12] 李克, 潘春峰, 張宇, 曾文平, 韓慧. 天然氣發(fā)熱量直接測量及賦值技術[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(3): 297-301.Li Ke, Pan Chunfeng, Zhang Yu, Zeng Wenping & Han Hui.Direct measurement and assignment technology for natural gas calorific value[J]. Chemical Engineering of Oil and Gas, 2013,42(3): 297-301.

[13] 王東, 郭淑梅, 白巖. 差壓式孔板流量計的誤差來源與控制對策[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(10): 132-135.Wang Dong, Guo Shumei & Bai Yan. Error source and control measures of pressure differential orifice meter[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(10): 132-135.

[14] International Standard Organization. Natural gas—calculation of caloriベc values, density, relative density and wobbe index from composition: ISO 6976: 1995[S]. Geneva: ISO, 1995.

[15] Diestel R. 圖論 [M]. 于青林 , 王濤 , 王光輝 , 譯 . 北京 : 清華大學出版社, 2013.Diestel R. Graph theory[M]. Yu Qinglin, Wang Tao & Wang Guanghui, trans. Beijng: Tsinghua University Press, 2013.