在線色譜數據共享在天然氣計量中的應用

曹洪超

(天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南 250000)

天然氣組分是天然氣計量中的基本參數[1]，天然氣組分值的偏差程度直接影響著計量數據的準確度[1-4]。在天然氣輸送場站，氣相色譜分析儀被應用于天然氣組分的實時檢測，實時組分值經由色譜分析儀與流量計算機的通信鏈路，即可參與流量計算機的在線計量，從而有效地降低了各組分實時測量值偏差引起的天然氣計量誤差。

1 色譜分析儀在天然氣場站中的應用

1.1 氣相色譜分析儀的原理

氣相色譜分析儀基于不同物質在兩相間具有不同的分配系數原理[5]，當試樣在固定相與流動相之間充分作用分配并達到平衡后，試樣中的各組分即可被分離出來。分配系數是指物質在兩相中分配達到平衡時的質量分數比值，也稱平衡常數，用K表示。在恒定的溫度下，K為常數：

(1)

式中： ω1，m1，V1——分別為試樣在固定相中的質量分數、質量、體積；ω2，m2，V2——分別為試樣在流動相中的質量分數、質量、體積；k=m1/m2，β=V2/V1。

1.2 在線色譜分析儀在輸氣場站中的應用現狀

為最大限度地實現天然氣貿易交接的公平、公正，在輸氣場站的計量系統中開始引入在線氣相色譜分析儀，用于管線輸送天然氣的實時組分檢測[6]，確保天然氣交接計量中體積修正的更加準確。目前在國內外重要輸氣管網的首末站及大型站中均配置了在線色譜分析儀，比如中亞管線、西氣東輸、川氣東送、陜京線、榆濟管線等。

在線色譜分析儀應用于天然氣計量時，多與超聲波流量計配套使用。二次計量儀表將接收的在線色譜分析儀的實時組分信號及現場一次儀表的工況流量信號，修正計算后再得到標況流量值，同時實時組分值在超聲波流量計的自診斷[7-11]過程中也起到了重要作用。

2 在線色譜數據共享在計量中的應用

在單氣源供氣的情況下，1條輸氣管線首末站設置的在線色譜分析儀基本可滿足天然氣計量要求，但隨著輸氣管線的不斷改擴建，多氣源混輸的情況開始出現，且氣源混輸比例存在實時變化的情況，導致了天然氣組分持續變化并存在波動范圍較大的現象。在色譜分析儀設置受限的場站，為提高計量準確度并保證貿易交接的公平、公正，在線色譜數據共享便顯得尤為重要。

2.1 在線色譜數據共享

以具備SCADA功能的榆濟天然氣管線為例，清豐站與柳屯站為該管線混輸支線的2座輸氣場站，2座輸氣場站均可接入管線的SDH光纖通信網絡或租賃的DDN網絡，清豐站設置了在線色譜分析儀，柳屯站未設置色譜儀，且該站氣源均來源于清豐輸氣站。基于長輸管線調控中心與遠端子站(清豐/柳屯站等)的SDH/DDN通信網絡，利用調控中心協議轉換服務器讀取并協議定點分發清豐站的在線色譜分析儀實時組分值數據，可實現柳屯站流量計算機接收并共享清豐站的在線色譜實時組分信號。在線色譜數據分發共享通信拓撲結構如圖1所示。

圖1 在線色譜數據分發共享通信拓撲結構示意

2.2 在線色譜數據共享的通信配置

在線色譜分析儀、流量計算機與調控中心通信穩定的情況下，將支持Modbus協議的在線色譜分析儀各組分值信號，在調控中心的協議轉換服務器中配置實時定點分發協議，從而實現組分值的實時共享功能。在接收共享數據的輸氣站PLC程序中，增加自動分發與手動輸入切換功能程序段，即可保證數據下發異常時第一時間采取手動修改的方式進行修正，從而有效地確保共享數據的準確率。

3 在線色譜數據共享有效提高計量準確度

在線色譜作為天然氣實時組分檢測的有效途徑[2， 4]，有效地確保了參與實時計量的組分值的準確性，因此它在提高計量準確度方面發揮了顯而易見的作用。

3.1 天然氣組分對計量準確度的影響分析

假定管輸天然氣的工況絕對壓力為p1，工況溫度為T1，壓縮因子為Z1，那么天然氣的標況體積流量qV(N)表示為

(2)

式中：qV1——工況體積流量；pN，TN，ZN——標準狀況下該天然氣的絕對壓力、溫度、壓縮因子。

某次計算取榆濟管線清豐站某時刻的天然氣組分作為樣氣1，樣氣1的組分數據見表1所列；將表1中的CH4的摩爾分數減少0.5%，C6+的摩爾分數增加0.5%，同時保持其他組分值不變，此時的樣氣作為樣氣2。其次，選取柳屯站出現最多的運行工況作為該次計算的工況條件，具體參數包括： 壓力為2.8 MPa、溫度為8.0 ℃、天然氣流速為12 m/s、計量直管段內徑為250 mm。依據AGA8-92DC中壓縮因子計算公式，采用絕對壓力收斂計算[12-13]，即可得出壓縮因子，然后聯合式(2)可求得： 樣氣2的標況體積流量比樣氣1偏大約0.45%。樣氣中各參數的測算見表2所列。

表1 樣氣1的組分數據 %

表2 樣氣各參數測算值統計

3.2 在線色譜數據共享效果評價

將在線色譜分析儀數據分發共享至柳屯站后，柳屯站超聲波流量計聲速核查[14-16]偏差率范圍由0.021%～0.480%(采用固定組分值時)縮小至0.019%～0.160%，即偏差率波動范圍迅速降為原始值的30%左右，從而有效地提高了計量準確度，確保了貿易交接的公平、公正。在線色譜數據共享前后的聲速核查曲線如圖2所示。

圖2 在線色譜數據共享前后聲速核查偏差曲線示意

由圖2可以看出，數據共享前最大偏差值發生在8 h處，偏差率為0.48%；最小偏差值發生在5 h處，偏差率為0.021%。數據共享后最大偏差值發生在15 h處，偏差率為0.16%，僅為共享前最大偏差率的約33%；最小偏差值發生在20 h處和24 h處，偏差率為0.019%，與共享前的最小值持平。

4 結束語

1)依托輸氣管網的SDH/DDN通信網絡，在調控中心協議轉換服務器中進行分發協議配置，可便捷地實現在線色譜分析儀實時組分數據的定點分發與共享，從而提高了在線色譜實時組分在天然氣計量中的利用率。

2)在一定的工況條件下，天然氣組分值是影響天然氣壓縮因子的唯一因素，因此在線色譜提供的實時組分值將直接決定天然氣計量的準確度。在未設置在線色譜分析儀的輸氣站引入臨近氣源點的實時組分值參與在線計量，可顯著提高計量準確度，該方案實施便捷，易推廣。