天然氣能量計(jì)量的必要性與可行性

趙俊杰 (山東中油天然氣有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 天然氣能量計(jì)量概述

所謂的天然氣能量計(jì)量，就是以能量計(jì)數(shù)為度量尺度計(jì)算天然氣的數(shù)量，以確保天然氣的計(jì)算精度。計(jì)量工作是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)，只有保證準(zhǔn)確的計(jì)量，才能保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)、正常發(fā)展。從我國(guó)現(xiàn)有的氣田規(guī)劃來(lái)看，其“西氣東輸，北氣南下，海氣登陸，就近供應(yīng)”模式已基本形成，只有加強(qiáng)對(duì)能源的計(jì)量控制，才能更好地為天然氣的生產(chǎn)和運(yùn)輸提供計(jì)量基礎(chǔ)。天然氣是一種可燃燒的氣體能源，一定數(shù)量的天然氣產(chǎn)生的總熱量由能量總量決定。但是，天然氣是多種成分的混合物。由于天然氣的來(lái)源、組成、含量等因素的差異，使得計(jì)量工作比較復(fù)雜。

能源交易中實(shí)行能量計(jì)量，更加準(zhǔn)確、公平，有利于我國(guó)天然氣工業(yè)的健康發(fā)展，也能反映出物美價(jià)廉的基本原則，有利于規(guī)范市場(chǎng)。在天然氣工業(yè)中，計(jì)量工作貫穿于整個(gè)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)，其與安全化、節(jié)能化、規(guī)范化相結(jié)合，為天然氣工業(yè)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)保證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)饽茉吹臏y(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣產(chǎn)量的精確顯示。對(duì)于廣大的燃?xì)庥脩魜?lái)說(shuō)，精準(zhǔn)的計(jì)量達(dá)到透明、精確地顯示用戶使用數(shù)據(jù)，保證了群眾的權(quán)益，保證了天然氣供應(yīng)的公平性和準(zhǔn)確性。這對(duì)我國(guó)天然氣事業(yè)的發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

2 天然氣常用計(jì)量方式

2.1 體積計(jì)量

目前世界上常用的計(jì)量氣體容積技術(shù)和方式有：

(1)孔板式流量計(jì)。在天然氣工業(yè)中，孔板式流量計(jì)是最早采用的基于管內(nèi)壓力差的流量計(jì)。目前，這種儀表正在逐步被渦輪式流量計(jì)所取代，它具有穩(wěn)定性強(qiáng)、價(jià)格低廉、不需要進(jìn)行專門(mén)檢查等特點(diǎn)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，流量計(jì)的測(cè)量精度不夠高，上游段的長(zhǎng)度必須大于流量計(jì)的30倍；而在下游，管道長(zhǎng)度必須大于流量計(jì)端口內(nèi)徑的7倍，而且這種流量計(jì)必須與法蘭中的管路相連，容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，必須經(jīng)常進(jìn)行檢修。

(2)渦輪流量計(jì)。這種流量計(jì)在石油和天然氣工業(yè)中使用比較普遍，是一種速度型的液體測(cè)量?jī)x器。在實(shí)際應(yīng)用中，可靠性高、精度高、使用方便，具有維修方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但它也有一些不足之處，例如在使用過(guò)程中，渦輪部分會(huì)有持續(xù)的摩擦，需要進(jìn)行及時(shí)的潤(rùn)滑；為了防止渦輪葉片的損壞，必須在流量計(jì)的上面加裝過(guò)濾器。如果管道的流速超過(guò)10 m/s，這種流量計(jì)就會(huì)出現(xiàn)“氣蝕”。這些缺陷給這種流量計(jì)的推廣和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了困難。

(3)超聲流量計(jì)。它適用于大直徑、高壓力的輸氣管線的流量測(cè)量。使用時(shí)，不容易受到客觀因素的影響，精度高，維護(hù)保養(yǎng)方便。與孔板式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)相比，具有較高的數(shù)字化水平。然而，由于國(guó)內(nèi)超聲流量計(jì)大多采用進(jìn)口，設(shè)備昂貴，而且這種流量計(jì)對(duì)直徑小于100 mm的管材不適合。

2.2 質(zhì)量計(jì)量

(1)科氏質(zhì)量流量計(jì)。1832年，法國(guó)的科里奧利提出了一種叫做“科氏力”的概念，在1977年由美國(guó)發(fā)明了科氏質(zhì)量流量計(jì)，適用范圍廣、測(cè)量精度高、使用范圍廣、穩(wěn)定性好。但是，由于科式質(zhì)量流量計(jì)產(chǎn)品大多是國(guó)外的，其成本很高，而且在使用中對(duì)安裝的要求也很高，很難適應(yīng)直徑大于200 mm的管線。目前，這類(lèi)計(jì)量裝置多用于加氣站、天然氣井口等。

(2)熱式質(zhì)量計(jì)量計(jì)。這種流量計(jì)的工作原理是，當(dāng)介質(zhì)被加熱后，其內(nèi)部的溫度會(huì)發(fā)生改變，并且影響它所需要的能源和流量之間的函數(shù)關(guān)系。為了保證介質(zhì)溫度和管路的溫差，在管段內(nèi)設(shè)有2個(gè)電加熱設(shè)備。隨著介質(zhì)流速的提高，制冷效果也會(huì)增強(qiáng)，電加熱設(shè)備的恒流也會(huì)增加。

(3)差壓式質(zhì)量流量計(jì)。該方法以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用傳輸器中的介質(zhì)之間的壓力差值來(lái)測(cè)定流速。普通的差壓式質(zhì)量流量計(jì)是一種雙孔板式結(jié)構(gòu)，它在管道上設(shè)有兩個(gè)相同的孔，而在分流線上設(shè)有兩個(gè)流量反向的計(jì)量泵，并在兩個(gè)孔的入口處安裝一個(gè)壓力計(jì)[1]。

3 天然氣能量計(jì)量必要性

在天然氣需求量不斷增長(zhǎng)的今天，為了使我國(guó)的天然氣計(jì)量技術(shù)盡快與世界接軌，必須將能量計(jì)量納入到主流計(jì)量技術(shù)之中。天然氣能量計(jì)量是以天然氣能源供給過(guò)程中的發(fā)熱量為基本結(jié)算單位的一種重要的計(jì)量手段，它是根據(jù)容積計(jì)量的原理逐漸發(fā)展起來(lái)的，得出了經(jīng)過(guò)輸氣管道斷面的總能量，現(xiàn)在在技術(shù)上已經(jīng)具備了使用的可行性。

4 天然氣能量計(jì)量方法應(yīng)用

4.1 原理

能量計(jì)量是以燃?xì)獾陌l(fā)熱量作為結(jié)算單元，以計(jì)量為依據(jù)，根據(jù)燃?xì)獾陌l(fā)熱量，對(duì)其進(jìn)行總的流量計(jì)算。熱能的測(cè)定方法主要有間接方法和直接方法。間接方法主要是利用氣體的氣相組成來(lái)獲得熱能，通常都是利用層析技術(shù)進(jìn)行；直接測(cè)定是用特定的氣體進(jìn)行測(cè)定。在實(shí)際操作中，由于直接法律適用條件多、技術(shù)不成熟、過(guò)程復(fù)雜等原因，將其作為一種比較方法。大型的測(cè)溫站，可以使用色譜法對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行測(cè)定，小型的測(cè)溫站則可以使用離線型的測(cè)溫計(jì)，再利用可變的和恒定的方法來(lái)進(jìn)行。

4.2 應(yīng)用價(jià)值

(1)與國(guó)家的能源發(fā)展戰(zhàn)略相適應(yīng)。天然氣是一種混合氣，由于其產(chǎn)地的差異，其組成成分也會(huì)有差異，從而導(dǎo)致各區(qū)域的天然氣燃燒產(chǎn)生的能量也不盡相同。目前國(guó)內(nèi)天然氣的發(fā)熱量最低為33.9 MJ/m3，最高為45 MJ/m3。采用傳統(tǒng)的容積計(jì)量方法來(lái)完成各種熱值天然氣的交易，明顯違背了常識(shí)。此外，我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿艽?，隨著管線的互聯(lián)互通，各區(qū)域的天然氣將會(huì)形成全國(guó)范圍內(nèi)的管網(wǎng)；混合氣是今后天然氣的主要發(fā)展方向，但目前仍采用傳統(tǒng)的容積計(jì)量方法難以實(shí)現(xiàn)，從而加大了結(jié)算的難度。由于利用天然氣的熱量而產(chǎn)生的銷(xiāo)售偏差，很明顯地不能滿足這種需求，因此，為了適應(yīng)國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略，必須采用能量計(jì)量的方法[2]。

(2)促進(jìn)國(guó)際天然氣貿(mào)易的發(fā)展。到2020年，我國(guó)對(duì)天然氣的需求量將達(dá)到3 600×108m3，而進(jìn)口的天然氣總量將達(dá)到1 530×108m3。目前，我國(guó)已建成中俄、中緬、中亞管道等國(guó)際管道，全部完工后，可實(shí)現(xiàn)每年1 650×108m3的進(jìn)口。由此可以看出，我國(guó)的天然氣對(duì)外依存度很高，能量計(jì)量是國(guó)際上通用的計(jì)量模式。而我國(guó)是天然氣的進(jìn)口大國(guó)，為了確保公平貿(mào)易，計(jì)量必須與國(guó)際接軌，尤其是當(dāng)天然氣全國(guó)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，采用能量計(jì)量更為合理。

5 天然氣能量計(jì)量的可行性發(fā)展措施

5.1 正確選用計(jì)量裝置、加強(qiáng)計(jì)量裝置維護(hù)

由于天然氣計(jì)量設(shè)備存在問(wèn)題，造成計(jì)量工作不能順利進(jìn)行，因此，在選擇計(jì)量設(shè)備時(shí)，必須選擇合適的計(jì)量設(shè)備。正所謂“工欲善其事，必先利其器”，若要成功地進(jìn)行天然氣能量計(jì)量工作，必須加強(qiáng)對(duì)能源計(jì)量設(shè)備的選擇，從而為今后的能源計(jì)量工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。定期檢查燃?xì)饽茉从?jì)量設(shè)備，強(qiáng)化精細(xì)管理觀念，根據(jù)儀表內(nèi)部磨損狀況及時(shí)檢修或替換，加強(qiáng)對(duì)計(jì)量設(shè)備內(nèi)孔板工藝的檢測(cè)；確保設(shè)備自身的質(zhì)量問(wèn)題。必須遵循評(píng)審和評(píng)判的原則，并且調(diào)整的時(shí)間要“循序漸進(jìn)，穩(wěn)步推進(jìn)”。

5.2 優(yōu)化配置氣質(zhì)分析設(shè)備

氣態(tài)成分與氣態(tài)成分有著密切的聯(lián)系，不同界面、不同氣源、不同氣質(zhì)組分會(huì)隨管道網(wǎng)絡(luò)的迅速連通而變化；由于各氣相組成的混合度存在差異，導(dǎo)致在特定的時(shí)空條件下，要得到真實(shí)成分，需要對(duì)聯(lián)機(jī)GC儀器進(jìn)行密碼設(shè)置，同時(shí)要滿足業(yè)務(wù)的需要，同時(shí)要兼顧就近的要求；從整體上看，為了得到更為逼真的管路組分，對(duì)中心成分采樣進(jìn)行了優(yōu)選，并對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟贾?；這樣可以獲得更精確的精度。

5.3 建立天然氣能量計(jì)量系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)測(cè)量準(zhǔn)確率的儀器，例如體積流量計(jì)、在線氣相色譜分析儀、各類(lèi)變送儀等，均已制定相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但是關(guān)于能源測(cè)量的資料采集及分析儀器尚不健全，以確保各類(lèi)測(cè)量資料的準(zhǔn)確、可靠；應(yīng)盡早制定與計(jì)量系統(tǒng)相適應(yīng)的計(jì)量指標(biāo)，確定計(jì)量方式、計(jì)量單位及配套設(shè)施的標(biāo)定；天然氣基準(zhǔn)發(fā)熱量，天然氣價(jià)格，管輸費(fèi)的轉(zhuǎn)換方式；在特定情況下采取的各種補(bǔ)償手段，對(duì)我國(guó)的能源測(cè)量體制進(jìn)行有效的改革[3]。

5.4 加強(qiáng)計(jì)量工作統(tǒng)籌

在天然氣能量計(jì)量工作中，必須加強(qiáng)對(duì)天然氣能源的統(tǒng)一管理，以保證能量計(jì)量工作的順利進(jìn)行和準(zhǔn)確的計(jì)量。加強(qiáng)對(duì)燃?xì)饽芰坑?jì)量工作的各項(xiàng)指標(biāo)的記錄，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取措施；確保燃?xì)饽芰坑?jì)量工作的正常進(jìn)行。

5.5 探索發(fā)熱量直接測(cè)定

采用一種直接測(cè)定某一特定的量的熱量，采用了一種直接測(cè)定的方法。通過(guò)對(duì)煤氣的直接測(cè)定，不僅可以避免因間接測(cè)定引起的誤差，而且能夠更直觀地顯示出煤氣的發(fā)熱量，而且還可以對(duì)間接氣相色譜進(jìn)行檢測(cè)。

5.6 加強(qiáng)天然氣能量計(jì)量工作人員技術(shù)的培訓(xùn)

只有加強(qiáng)對(duì)燃?xì)饽茉从?jì)量人員的施工技術(shù)培訓(xùn)，才能使計(jì)量工作的計(jì)量質(zhì)量得到最大的保障。天然氣能量計(jì)量工作中，由于工作人員的綜合素質(zhì)不高，導(dǎo)致了計(jì)量工作的不準(zhǔn)確，工作人員不能完全依靠?jī)x表來(lái)完成計(jì)量工作，還要對(duì)各種突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)防；要加強(qiáng)對(duì)能量計(jì)量人員的技術(shù)培訓(xùn)，定期開(kāi)展培訓(xùn)和檢查，從源頭上保證能量計(jì)量工作的穩(wěn)定性，以保障我國(guó)天然氣工業(yè)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定發(fā)展。

5.7 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

我國(guó)現(xiàn)有天然氣中含有11組分的一階天然氣標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)只有其中3種，其準(zhǔn)確度、濃度覆蓋范圍、類(lèi)型等方面均與世界水平有較大差距，難以適應(yīng)天然氣行業(yè)多源、多品種的需求。筆者認(rèn)為，在我國(guó)正式實(shí)施燃?xì)庥?jì)量之前，應(yīng)首先進(jìn)行天然氣標(biāo)準(zhǔn)品的調(diào)查和開(kāi)發(fā)高品質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)；為進(jìn)一步提高能量計(jì)量準(zhǔn)確率，開(kāi)發(fā)出具有較高準(zhǔn)確度的多組份氣體標(biāo)準(zhǔn)品，并對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行改進(jìn)和改進(jìn)。

6 未來(lái)發(fā)展展望與建議

6.1 計(jì)量技術(shù)朝著智能化和自動(dòng)化的方向發(fā)展

在現(xiàn)代社會(huì)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、因特網(wǎng)信息通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，使得天然氣計(jì)量技術(shù)和計(jì)量技術(shù)不斷朝著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。目前，利用天然氣計(jì)量技術(shù)對(duì)流量測(cè)量方法進(jìn)行全程在線監(jiān)控，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)庥?jì)量流程的遠(yuǎn)程調(diào)度；而且，在未來(lái)天然氣流量測(cè)量方法很有可能具有故障自檢的能力，從而提高天然氣計(jì)量精度。

6.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系更加完善化

隨著國(guó)家的整體實(shí)力的提高，天然氣的計(jì)量系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展和完善。在充分借鑒國(guó)際先進(jìn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)天然氣分布模式和市場(chǎng)運(yùn)行情況，建立了一套較為完備的計(jì)量體系，并將其從單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)向多元評(píng)價(jià)的方向。

6.3 計(jì)量方式向能量化方向發(fā)展

在天然氣的計(jì)量中，能量計(jì)量是一種更為公平、公正、科學(xué)、合理的計(jì)量手段。當(dāng)前，世界各國(guó)對(duì)天然氣的國(guó)際市場(chǎng)交易都采用了能量計(jì)量的方法，從而促使我國(guó)的天然氣計(jì)量模式向著能源量化的方向發(fā)展。加強(qiáng)與國(guó)際接軌，有利于提高我國(guó)在國(guó)際天然氣市場(chǎng)中的話語(yǔ)權(quán)。

6.4 計(jì)量管理越來(lái)越嚴(yán)格化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人民的物質(zhì)生活水平的提高，對(duì)天然氣的需求日益多元化，越來(lái)越個(gè)性化，天然氣的生產(chǎn)規(guī)模也逐漸增加，而天然氣的計(jì)量也逐漸成為我國(guó)天然氣資源的重要組成部分。為此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)天然氣流量的測(cè)量方法和計(jì)量人員的管理，并加強(qiáng)使用、安裝和數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)的培訓(xùn)；通過(guò)對(duì)天然氣的各種問(wèn)題進(jìn)行檢查，可以使天然氣的計(jì)量管理更加嚴(yán)格、透明化，從而避免在市場(chǎng)上發(fā)生不必要的爭(zhēng)議，從而降低企業(yè)的信譽(yù)與經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)常用的計(jì)量方式有容積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量，計(jì)量誤差較大，因此我國(guó)正在大力推行天然氣能量計(jì)量，采用容積計(jì)量與能源計(jì)量的計(jì)量模式轉(zhuǎn)換；同時(shí)，推進(jìn)管道運(yùn)輸定價(jià)改革，逐步以能源計(jì)量代替容積計(jì)量，為規(guī)范、公正的天然氣市場(chǎng)打下技術(shù)基礎(chǔ)。