董龍偉，梁子鵡

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北海液化天然氣有限責(zé)任公司（廣西 北海 536000）

0 引言

能量計(jì)量自美國(guó)天然氣加工者協(xié)會(huì)1980年提出天然氣交接計(jì)量和結(jié)算發(fā)熱量準(zhǔn)則以來[1]，能量計(jì)量被廣泛應(yīng)用于歐洲和北美的一些國(guó)家[2]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣的消費(fèi)量日益增長(zhǎng)[3]，近5年國(guó)內(nèi)天然氣消費(fèi)量的增長(zhǎng)率達(dá)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?jī)H次于石油，其需求量持續(xù)增長(zhǎng)[4]。天然氣的能量計(jì)量、熱值結(jié)算作為天然氣國(guó)際通用貿(mào)易結(jié)算方法在我國(guó)還未全面開展應(yīng)用。我國(guó)除中國(guó)香港、中國(guó)臺(tái)灣以及海洋油田的部分實(shí)現(xiàn)了外輸天然氣采用能量計(jì)量以外，國(guó)內(nèi)天然氣的計(jì)量仍然為體積計(jì)量[5-6]。隨著我國(guó)在線計(jì)量分析設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，可以預(yù)測(cè)在未來數(shù)年內(nèi)能量計(jì)量將在我國(guó)得到快速的發(fā)展與應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然氣的能量計(jì)量進(jìn)行了大量的研究。Attari研究了天然氣的能量計(jì)量及接收站開展能量計(jì)量所面臨流體模型和流量計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展解決測(cè)量精度的問題[7]。Jaeschke進(jìn)行了天然氣的熱力學(xué)研究，設(shè)計(jì)并提出了一種新的能量計(jì)量系統(tǒng)其結(jié)果符合率在0.05%以內(nèi)[8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者羅勤提出了天然氣能量計(jì)量在我國(guó)應(yīng)用的可行性分析并指出我國(guó)需建設(shè)天然氣質(zhì)量控制及能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[9]。黃坤等人研究了在能量計(jì)量模式下LNG接收站的發(fā)熱量調(diào)整工藝[10]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)天然氣能量計(jì)量的研究多集中于LNG接卸船在15℃、101.325 kPa工況下的能量計(jì)量。國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)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(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)相關(guān)要求，首次開展LNG接卸及加工外輸?shù)哪芰坑?jì)量的實(shí)踐。本文將重點(diǎn)研究在20℃、101.325 kPa工況下的接卸船的能量計(jì)量，通過能量計(jì)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(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)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(jìn)、出站的能量計(jì)量工況，并對(duì)北海LNG在實(shí)施能量計(jì)量過程中所取得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。研究成果可為國(guó)內(nèi)其他LNG接收站進(jìn)行能量計(jì)量實(shí)踐提供參考。

1 能量計(jì)量的基本原理

能量計(jì)量即為計(jì)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(jì)量與天然氣的能量計(jì)量相似，即其計(jì)量熱值為L(zhǎng)NG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(jì)量與天然氣相同。液化后的能量計(jì)量分為靜態(tài)計(jì)量和動(dòng)態(tài)計(jì)量。動(dòng)態(tài)計(jì)量在設(shè)備上需采用耐低溫的液體流量計(jì)，由于其低溫技術(shù)限制其應(yīng)用范圍較小[14]。目前，國(guó)內(nèi)LNG接收站在卸船能量計(jì)量時(shí)多采用靜態(tài)計(jì)量[15]。

1.1 LNG接卸船的能量計(jì)量

在LNG運(yùn)輸船的接卸計(jì)量時(shí)通常采用靜態(tài)計(jì)量，即通過測(cè)量LNG運(yùn)輸船儲(chǔ)罐的液位并對(duì)其液位進(jìn)行溫度、縱傾、橫傾的修正計(jì)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?xì)浠衔镆后w靜態(tài)測(cè)量計(jì)算程序》冷凍烴液靜態(tài)測(cè)量計(jì)算方法計(jì)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(jì)量所采用的公式如下所示[16]：

式中：Q為總熱值，MJ；ρ為L(zhǎng)NG的密度，kg/m3。Vlip為L(zhǎng)NG液體的體積，m3；Hs,m為L(zhǎng)NG的質(zhì)量總熱值，MJ/kg；Ts是標(biāo)準(zhǔn)參考溫度，288.15 K；Tvap為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船內(nèi)儲(chǔ)罐氣相空間的溫度，K；Pvap為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船內(nèi)儲(chǔ)罐氣相空間壓力，kPa；Ps為標(biāo)準(zhǔn)參考?jí)毫?01.325 kPa；Hs,vol為氣體的體積熱值，MJ/m3；xi為組分i的摩爾分?jǐn)?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L(zhǎng)NG中甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)；x2為L(zhǎng)NG中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)；k1為因烴的存在產(chǎn)生的校正因子，m3/kmol；k2為因氮?dú)獾拇嬖诋a(chǎn)生的校正因子，m3/kmol。

1.2 LNG氣化外輸?shù)哪芰坑?jì)量

LNG氣化后的能量計(jì)量屬于管道天然氣計(jì)量[13]。通常采用超聲波流量計(jì)測(cè)量體積，用在線色譜分析組分，通過組分計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)量

LNG槽車的能量計(jì)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)量通過汽車衡獲取；質(zhì)量熱值通過在線色譜分析組分，由組分計(jì)算質(zhì)量熱值。計(jì)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L(zhǎng)NG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(jì)量的實(shí)踐

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

2.1 北海LNG接卸船能量計(jì)量

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

北海LNG接收站梳理研究國(guó)內(nèi)外卸船計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，比選不同標(biāo)準(zhǔn)卸船計(jì)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(jì)量統(tǒng)一為20℃、101.325 kPa工況。ISO 6578—2017標(biāo)準(zhǔn)只提供計(jì)算15℃、101.325 kPa下熱值的數(shù)據(jù)[16]，而我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)密度和成分的沃泊指數(shù)的計(jì)算》[20]標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)算LNG運(yùn)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(duì)比，確定了北海LNG接收站20℃、101.325 kPa工況下的能量接卸船計(jì)量。

利用表1組合的取值，應(yīng)用公式（1）分別計(jì)算對(duì)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(duì)比

分析表2可知，參數(shù)Hmi、M i、k1、k2、v i不同的取值，其對(duì)應(yīng)的接卸船質(zhì)量、熱值、密度均呈現(xiàn)變化趨勢(shì)的一致性，即質(zhì)量、熱值、密度其中的一項(xiàng)為增長(zhǎng)，剩余兩項(xiàng)均是增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過與國(guó)內(nèi)各托運(yùn)商（中石油、中石化、中海油、新奧等）多方協(xié)商，并對(duì)TUA合同中計(jì)量條款進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行20℃、101.325 kPa接卸船能量計(jì)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(jì)量。

以北海LNG接收站某月份的接卸船為例，分別計(jì)算了6艘LNG運(yùn)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(jì)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(jì)量與采用20℃、101.325 kPa接卸計(jì)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(jì)量大于15℃、101.325 kPa接卸計(jì)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(jì)量小于15℃、101.325 kPa接卸計(jì)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(jì)量采用貿(mào)易交接測(cè)量系統(tǒng)（CTMS）監(jiān)控、記錄及處理LNG運(yùn)輸船上所有測(cè)量信息（包括液位、溫度、壓力、縱傾和橫傾等）[21]，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)色譜分析并與在線色譜進(jìn)行比對(duì)，確定來船LNG的組分。由組分計(jì)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?jì)量

北海LNG接收站天然氣外輸計(jì)量系統(tǒng)設(shè)有5路超聲波流量計(jì)及流量計(jì)算機(jī)。在天然氣總管上安裝了在線氣體分析儀（2臺(tái)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(jì)算天然氣體積熱值。通過超聲波流量計(jì)測(cè)的外輸天然氣的體積，應(yīng)用公式（6）計(jì)算總熱值。

2.3 北海LNG槽車外運(yùn)的能量計(jì)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(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)槽車外運(yùn)的能量計(jì)量。北海LNG接收站內(nèi)配備4臺(tái)電子汽車衡，低壓總管處配備LNG在線色譜。通過對(duì)低壓總管LNG組分分析計(jì)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(shí)間，采用其對(duì)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(jì)算獲得的平均氣化率、質(zhì)量熱值相乘，獲得每臺(tái)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(duì)各托運(yùn)商采用能量計(jì)量主要是利用來船LNG的總熱值來計(jì)算各托運(yùn)商的總庫(kù)存，每日外輸計(jì)算各托運(yùn)商的外輸熱值和剩余庫(kù)存。在未來LNG接收站實(shí)施能量計(jì)量仍需開展如下工作。

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

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(jì)量。

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

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