加氣站儲罐儲氣(液)量準確計量的探討

王友良

〔中國石化浙江嘉興石油分公司 浙江嘉興 314000〕

近幾年， CNG加氣站與LNG加氣站發展較快，但相關管理標準和規程制度相對滯后，特別是加氣站沒有對應的儲罐(井)儲氣(液)量的準確計量標準與制度。目前相關國家標準主要有GB/T17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計算》、GB/T11062—1998《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》、GB/T24962—2010《冷凍烴類流體靜態測量計算方法》等。由于標準過于復雜與針對性不夠，因此目前加氣站儲氣(液)罐(井)內儲氣(液)量的計量采用人為設定的估算法。CNG儲量都按儲氣罐(井)水容量乘壓力(MPa)數再乘10倍得到儲氣體積量，CNG質量是儲氣體積量乘人為設定的固定密度，LNG儲量按液位對應的容量乘人為設定的固定密度得到儲罐的質量，CNG和LNG的密度都是人為設定的，故在每日和月度盤存時經常產生人為的大損大溢，從而掩蓋了真實的大損大溢。為了提高儲氣(液)罐(井)的計量準確度，筆者依據上述三個國家標準及工作實際，提出了儲氣(液)罐(井)的準確計量方法、程序、計算公式與計算系數表，經過二年多的應用與改進，計量基本準確，目前已在中國石化某石油分公司系統的所有加氣站推廣實施。

1 CNG儲罐儲量的準確計量

目前CNG加氣站加氣機零售有兩種計量交接結算模式：一種是以CNG標準狀態(N)下的體積(Nm3)來定價(××.××元/ Nm3)，以加氣機加出的標準狀態下CNG體積(Nm3)作為計量交接結算量；另一種是以CNG的質量(kg)來定價(××.××元/kg)，以加氣機加出的CNG質量(kg)數作為計量交接結算量。因此每日和月度盤存CNG儲罐儲氣量時，也對應體積計量模式與質量計量模式。

1.1 CNG儲罐儲氣體積量的準確計量

1.1.1 準確計量步驟

(1)盤存時，停止所有加氣機，抄錄加氣機的累計走字數。

(2)抄錄儲氣罐(井)、管柱型管組壓力表的壓力和大氣環境溫度。

(3)按公式(1)計算標準狀態下的理想氣體體積量：

(1)

式中：v標——標準狀態下的理想氣體體積量，m3；

v工——工作狀態下的理想氣體體積量，m3；

t——工作狀態下的氣體溫度，℃；

p——工作狀態下的壓力，kPa。

(4)按公式(2)計算標準狀態下的實際氣體體積量：

(2)

式中：vn——標準狀態下的實際氣體體積量，m3；

U標——標準狀態下理想氣體體積量，m3；

Z——氣體的壓縮因子系數(見表1，內插法查表)。

天然氣壓縮因子速查表見表1。

表1 天然氣壓縮因子速查表

1.1.2 準確計量案例

例1：2016年6月30日18時，某CNG加氣站盤存時抄錄的相關數據為：1號、2號和3號儲氣井容積V井均為2 m3，高(1號井)、中(2號井)、低(3號井)壓力P井分別為20.14 MPa、17.15 MPa、10.08 MPa，管柱型管組總儲氣容積V管為15 m3、壓力P管為11.00 MPa，儲氣井內CNG溫度為20.0 ℃，管柱型管組內CNG溫度為25.0 ℃，求儲氣井和管柱型管組儲氣總庫存量為多少m3？

解：A、儲氣井CNG總存量計算：

(1)按公式(1)計算高壓井標準狀態下的理想氣體體積量V標高：

397.533 m3

(2)查表1的天然氣壓縮因子速查表，得：

(3)按公式(2)計算高壓井標準狀態下的實際氣體體積量：

(4)同理，按上述步驟計算出中壓井和低壓井標準狀態下的實際氣體體積量：

V中=438.38 m3(中壓井標準狀態下的實際氣體體積量)

V低=244.73 m3(低壓井標準狀態下的實際氣體體積量)

(5)儲氣井總存量：V高+V中+V低=507.64+438.38+244.73=1 190.75 m3

B、管柱型管組CNG存量計算

(1)按公式(1)計算管柱型管組標準狀態下的理想氣體體積量V標管：

(2) 查表(1)的天然氣壓縮因子速查表，得：

(3) 按公式(2)計算管柱型管組標準狀態下的實際氣體體積量：

C、儲氣井和管柱型管組儲氣總庫存量為：

CNG總庫存量=1 190.75+1 960.95=3 151.70 m3

1.1.3 CNG存量估算法計算及誤差分析

(1)估算法計算公式為：

V存=儲氣容器容積(V)×壓力(p)×10

(3)

式中：10——人為設定的換算系數。

(2)例1中，若按公式(3)計算得：

1號高壓井CNG存量=

2×20.14×10=402.80 m3

2號中壓井CNG存量=

2×17.15×10=343.00 m3

3號低壓井CNG存量=

2×10.08×10=201.60 m3

儲氣井CNG總存量=

402.80+343.00+201.60=947.40 m3

管柱型管組CNG存量=

15×11.00×10=1 650.00 m3

CNG總庫存量=

947.40+1 650.00=2 597.40 m3

(3) 估算法計算與準確計算的誤差為：

絕對誤差=2 597.40-3 151.70=-554.3 m3

最大相對誤差=(-554.3)/3 151.70×100 %=17.6 %

由此可見，加氣站日盤或月度盤，采用估算法計算儲氣井和管柱型管組的CNG存量，會產生非常大的誤差。

1.2 CNG儲氣質量的準確計量

1.2.1 CNG密度準確計量

(1)CNG密度準確計量步驟

a.第一步，按公式(4)計算理想氣體的密度：

(4)

其中：ρ0(t,p)——理想氣體的密度；

R——摩爾氣體常數是8.314 510 J/(mol·K)；

T——絕對溫度，℃；

Xj——組分j的摩爾分數；

Mj——組分j的摩爾質量。

b.第二步，按公式(5)計算真實氣體壓縮因子：

(5)

其中：Zmix(t,p)——真實氣體的壓縮因子；

Zj——組分j的壓縮因子(見表2)。

c.第三步，按公式(6)計算真實氣體的密度：

(6)

其中：ρ(t,p)——真實氣體的密度。

表2 天然氣各組分在標準狀態下的壓縮因子

注：標準狀態20 ℃，101.325 KPa。

(2)CNG密度準確計量案例。

例2：某加氣站在盤存時抄錄的相關數據為：管柱型管組總儲氣容積V管為15 m3、壓力p管為11.00 MPa、CNG溫度為25.0 ℃，某CNG加氣站盤存取樣的CNG質量檢驗報告見表3，求該CNG的密度。

表3 某CNG加氣站天然氣組成檢驗結果

解：a. 第一步，按公式(4)計算理想氣體的密度:

ρ0(t,p)=[101.325×1 000/(8.314 510×293.15)]×(0.01×4.002 6+0.67×28.013 5+0.64×44.010+98.64×16.043+0.04×30.070)/100=677.9(g/m3)=0.677 9 kg/m3

b.第二步,按公式(5)和表2和表3數據計算真實氣體壓縮因子：

c.第三步，按公式(6)計算真實氣體的密度：

ρ(t,p)=0.677 9/0.998 08=0.679 2 kg/m3

1.2.2 CNG質量準確計量案例

CNG質量準確計算公式為：

M真=V×ρ(t,p)

(7)

式中：M真——氣體的真實質量，kg；

V——標準狀態下的實際氣體體積量，m3。

例3：求例2盤存中管柱型管組儲氣總質量為多少kg？

解：管柱型管組盤存時的數據及體積計算同例1，故管柱型管組標準狀態下的實際氣體體積量為：V管=1 960.95 m3，密度計算見例2：

ρ(t,p)=0.679 2 kg/m3

按公式(7)計算得：M真=1 960.95×0.679 2=1 331.88 kg

1.2.3 CNG質量估算法計算及誤差分析

(1)估算法計算公式為：

M估=V存×0.700 0

(8)

式中：M估——氣體的估算質量，kg；

V存——用公式(3)計算的體積量(估算法)，m3；

0.700 0——人為設定的CNG固定密度，kg/m3。

(2)例3中，若按公式(8)計算：

管柱型管組CNG存量V存=15×11.00×10=1 650.00 m3

M估=1 650.00×0.700 0=1 155.00 kg

(3)估算法計算與準確計算的誤差為：

絕對誤差=1 155.00-1 331.88=-176.88 kg

最大相對誤差=(-176.88)/1 331.88×100 %=13.28 %

由此可見，加氣站日盤或月度盤，采用估算法計算儲氣井和管柱型管組的CNG質量，將產生非常大的誤差。

2 LNG儲罐儲量的準確計量

2.1 LNG密度準確計量

2.1.1 LNG密度準確計量步驟

(1)盤存時，按取樣要求，取LNG儲罐中的液樣，進行質量檢驗，并取得質量報告。

(2)盤存時，在SCADA控制系統中抄錄LNG儲罐的溫度。

(3)根據質量報告和相關修正因子表，按公式(9)計算LNG的密度：

(9)

式中：Xi——i組分的摩爾分數，(mol/mol)%；

Mi——i組分的摩爾質量，kg/kmol；

Vi——i組分的摩爾體積，m3/kmol；

Vt——組分在溫度t混合時的縮小體積，m3/kmol。

其中Vt可由(10)式計算。

Vt=[k1+(k2-k1)XN2/0.0425]XCH4

(10)

式中：k1、k2——修正因子，修正因子K1和K2查詢詳見表4、表5；

XN2——組分N2的摩爾分數，%；

XCH4——組分CH4的摩爾分數，%。

表4 修正因子k1查詢表 m3/kmol

表5 修正因子k2查詢表 m3/kmol

2.1.2 LNG密度準確計量案例

例4：某加氣站，LNG儲罐容積為54 m3，盤存時在SCADA控制系統中抄錄的相關數據為：儲罐LNG溫度為-158.7 ℃，液位為1 000 mm(水柱10.0kPa)，LNG儲罐氣相壓力為0.8 MPa,氣相溫度為-80 ℃。取樣后的質檢驗報告見表6，求LNG密度。

LNG組分參數表(-158.7 ℃)見表6。

表6 LNG組分參數表(-158.7℃)

解：(1)根據質檢報告(見表6)，計算LNG組分摩爾質量和摩爾體積：

∑XiMi=14.735 50+2.044 76+0.383 64+0.087 18+0.063 94+0.072 2+0.058 83=17.381 06 kg/kmol

∑XiMi=0.035 205+0.300 326 8+0.000 545+0.000 116+0.000 086+0.000 009+0.000 101=0.039 329 m3/kmol

(2)再通過查表4、表6(內插法查表)，求得修正因子k1、k2：

查表4計算修正因子k1

求-160 ℃，∑XiMi=17.381 06對應的k1

(17.381 06-17)=0.000 286 21 m3/kmol

求-155 ℃，∑XiMi=17.381 06對應的k1

(17.381 06-17)=0.000 327 64 m3/kmol

求-158.7 ℃，∑XiMi=17.381 06對應的k1

(-158.7-160)=0.000 297 m3/kmol

查表5計算修正因子k2

求-160 ℃，∑XiMi=17.381 06對應的k2

(17.381 06-17)=0.000 54 m3/kmol

求-155 ℃，∑XiMi=17.381 06對應的k2

(17.381 06-17)=0.000 74 m3/kmol

求-158.7 ℃，∑XiMi=17.381 06對應的k2

(-158.7+160)=0.000 592 m3/kmol

(3)按公式(10)計算組分在溫度t(-158.7 ℃)混合時的縮小體積：

Vt=[0.000 297+(0.000 592-0.000 297)×0.21%/0.042 5]×91.85%=0.000 286 2 m3/kmol

(4)按公式(9)計算LNG的密度：

ρt=17.381 06/(0.039 329-0.000 286 2)kg/m3=445.2 kg/m3

2.2 LNG儲罐儲存質量的準確計量

2.2.1 LNG儲罐準確計量步驟

(1)盤存時，按取樣要求，取LNG儲罐中的液樣，在SCADA控制系統中抄錄LNG儲罐的溫度、壓力與液位高度。

(2)按2.1條“LNG密度準確計量步驟”，計算出儲罐LNG的密度。

(3)修正容積(m3)=液容積×容積修正系數。

(4)修正密度(g/cm3)=液密度-空氣浮力修正系數(1.1 kg/m3)。

(5)液體庫存量(t)=修正容積×修正密度。

(6)氣體容積(m3)=儲罐全容積(N)-液容積(H)。

(7)氣體修正系數=氣體容積/(273+氣體溫度)×(1.033+壓力)×相對分子量×修正密度/(液密度×11.798)。

(8)氣體庫存量(t)=氣體容積×氣體修正系數/1 000。

(9)液化氣庫存量(t)=液體庫存量+氣體庫存量。

2.2.2 LNG儲罐準確計量案例

例5：某LNG加氣站，盤存時在SCADA控制系統中抄錄的相關數據見例4，LNG天然氣各組分的摩爾質量見表6，54 m3立式低溫液體儲罐液位換算表見表7(見檢定證書)，LNG儲罐容積溫度系數參照表見表8(見檢定證書)，求液體庫存量、氣體庫存量和LNG儲罐液化氣總庫存量。

表7 54 m3立式低溫液體儲罐液位換算表

表8 儲罐容積溫度系數參照表

解：(1)由1 000 mm水柱和液位換算表(表7)得，V液容積=9.481 m3

由-158.7℃和溫度系數參照表(表8)得：

(-158.7+158.6)=1.000 065

修正容積V液=V液容積×K1=9.481×1.000 065=9.482 m3

(2)LNG密度ρ液=0.445 2 g/cm3(見例4)，空氣浮力修正系數K2=0.001 1 g/cm3

修正密度ρ修正=ρ液-K2=0.444 1g/cm3

(3)液體庫存量M液=V液×ρ修正=9.482×0.444 1=4.211 t

(4)氣體容積V氣=V罐-V液=54-9.482=44.518 m3

(5)相對分子量M分子量=16.043×0.918 5+30.070×0.068+44.097×0.008 7+58.123×(0.001 5+0.001 1)+72.150×0.000 1+28.014×0.002 1=17.381

儲罐氣相壓力p壓=0.8×106/(9.8×10 000)=8.163 kg/cm2

氣體修正系數K3=V氣/(273.15+T氣)×(1.033+p壓)×M分子量×ρ修正/(ρ液×11.798)=44.518/(273.15-80)×(1.033+8.163)×17.381×0.444 1/(0.445 2×11.798)=3.115

(6)氣體庫存量M氣=V氣×K3/1 000=44.518×3.115/1 000=0.139 t

(7)LNG儲罐液化氣總庫存量M總=M液+M氣=4.211+0.139=4.350 t

2.2.3 LNG重量估算法計算及誤差分析

(1)估算法計算公式為：

M液=V液容積×430.0

(11)

式中：M液——LNG儲罐液體的估算重量，kg；

V液容積——LNG儲罐液位對應的容積，m3；

430.0——人為設定的LNG固定密度，kg/m3。

估算法計算就沒有考慮LNG儲罐內氣化的天然氣重量，密度也是預先人為設定的。

(2)例5中，若按公式(11)計算得：

LNG儲罐液體的估算重量M估=9.481×430.0=4 077 kg=4.077 t

(3)估算法計算與準確計算的誤差為：

絕對誤差=4.077-4.350=-0.273 kg

最大相對誤差=(-0.273)/4.350×100 %=6.28 %

由此可見，加氣站日盤或月度盤，采用估算法計算LNG儲罐液體的重量，會產生非常大的誤差。

3 結束語

(1)筆者基于3個相關國家標準并結合加氣站盤存實際情況，提煉出加氣站儲氣(液)罐(井)準確盤存計量的方法、程序、計算公式與計算系數表，計量準確，對規范加氣站的盤存計量工作及提高加氣站盤存的準確性與減少大損大溢，具有實際指導意義。

(2)文中盤存計量的案例說明，目前加氣站儲罐儲氣(液)量的“盤存估算法”未考慮溫度、壓力、密度、組分等因素的影響，使計量誤差非常大，故應采用基于相關國家標準的準確計算法。

(3)基于當前加氣站盤存計量標準與制度相對滯后及準確計算的復雜性，建議相關部門盡快研究并制定儲氣(液)罐(井)盤存計量的行業標準或企業制度，并開發準確的計算軟件，以規范加氣站盤存計量，避免人為的大損大溢。