天然氣能量計(jì)量誤差影響因素分析

劉琦，孫沖，徐赫男(.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 5075；.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000；.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南油氣管道有限責(zé)任公司，云南 德宏 678400)

0 引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣的需求量也迅猛增加。國(guó)內(nèi)目前對(duì)天然氣仍沿用傳統(tǒng)的體積計(jì)量方式，這種計(jì)量方式會(huì)產(chǎn)生三個(gè)方面的問(wèn)題。

第一，對(duì)外貿(mào)易結(jié)算問(wèn)題。在國(guó)際貿(mào)易中，天然氣的計(jì)量和結(jié)算都是以能量的方式進(jìn)行的，也就是根據(jù)天然氣燃燒后釋放出來(lái)的熱量進(jìn)行計(jì)價(jià)和收費(fèi)的。因此體積計(jì)量的方式在國(guó)際貿(mào)易中會(huì)存在諸多不便，阻礙了天然氣資源的進(jìn)口，不利于我國(guó)能源行業(yè)向國(guó)際化發(fā)展。

第二，非常規(guī)天然氣的適應(yīng)性問(wèn)題。通常情況下，像煤層氣和煤制氣這種非常規(guī)天然氣的熱值是低于常規(guī)天然氣的。當(dāng)這種非常規(guī)天然氣與常規(guī)天然氣混合進(jìn)入管網(wǎng)后，勢(shì)必會(huì)影響天然氣的技術(shù)指標(biāo)，若仍沿用體積計(jì)量的方式，會(huì)造成買(mǎi)賣雙方的經(jīng)濟(jì)糾紛，這樣不利于非常規(guī)天然氣的開(kāi)發(fā)與利用。

第三，科學(xué)計(jì)量問(wèn)題。由于不同地區(qū)所產(chǎn)天然氣的組分含量不同，因此發(fā)熱量也會(huì)參差不齊。而體積計(jì)量方式僅是以燃?xì)庥昧康亩嗌賮?lái)計(jì)費(fèi)，因此無(wú)法反映出天然氣的真實(shí)價(jià)值。而且這種計(jì)量方式也會(huì)帶來(lái)巨大的貿(mào)易差額，不利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

鑒于以上三方面的問(wèn)題，全面實(shí)施天然氣能量計(jì)量與計(jì)價(jià)呼之欲出。本文將重點(diǎn)對(duì)影響能量計(jì)量誤差的關(guān)鍵因素進(jìn)行探討，為順利實(shí)施天然氣能量計(jì)量提供參考與借鑒。

1 天然氣能量計(jì)量的基本原理

天然氣能量計(jì)量的本質(zhì)是在一定條件下，測(cè)量一定量的燃?xì)馔耆紵笏a(chǎn)生的熱量，這種方式是最為科學(xué)的，但無(wú)法進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，因此多在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)施。而在工程上實(shí)際所采用的能量計(jì)量方式則是通過(guò)測(cè)定兩個(gè)獨(dú)立的變量，即天然氣的體積流量和發(fā)熱量來(lái)完成的，其基本原理如式(1)所示[1]：

式中：E為一定量天然氣所含的能量；H為單位體積(或質(zhì)量)天然氣的發(fā)熱量；Q為天然氣的量(體積或質(zhì)量)。

可以看出，要想準(zhǔn)確實(shí)施能量計(jì)量，必須保證天然氣的發(fā)熱量和流量計(jì)量準(zhǔn)確，而這兩個(gè)參數(shù)彼此又是獨(dú)立的，需分別測(cè)定。因此，下面將分別從體積計(jì)量誤差和發(fā)熱量測(cè)定誤差兩個(gè)方面來(lái)對(duì)能量計(jì)量的誤差進(jìn)行分析。

2 體積計(jì)量誤差因素分析

時(shí)差式超聲波流量計(jì)特別適用于對(duì)大口徑管道中天然氣的流量進(jìn)行測(cè)量，因此在國(guó)內(nèi)大型輸氣站場(chǎng)中被廣泛采用。本節(jié)將針對(duì)該種類型流量計(jì)，對(duì)計(jì)量過(guò)程中產(chǎn)生誤差的因素進(jìn)行分析。

2.1 管道結(jié)垢

管道結(jié)垢影響因素的本質(zhì)在于減小了管道的內(nèi)徑，對(duì)于時(shí)差式超聲波流量計(jì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)管道內(nèi)徑存在1%的誤差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生約3%的流量測(cè)量誤差[2-3]。當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生結(jié)垢時(shí)，其后果不但會(huì)使超聲流量計(jì)產(chǎn)生計(jì)量誤差，而且還會(huì)使超聲波發(fā)生散射，降低了流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性。如果結(jié)垢過(guò)厚，流量計(jì)甚至無(wú)法正常工作。

2.2 流體流態(tài)

時(shí)差式超聲波流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，因此在工作時(shí)，對(duì)流場(chǎng)分布的要求較高。一般情況下，流量計(jì)較為理想的工作條件是處于流速已達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)的流體中。而在實(shí)際站場(chǎng)中，由于受到站場(chǎng)空間或工藝流程的限制，在計(jì)量管道上游常存在彎頭、匯管、閥門(mén)和變徑管等擾流元件，使氣體進(jìn)入流量計(jì)時(shí)的流動(dòng)呈現(xiàn)出非理想的流動(dòng)狀態(tài)，致使流量計(jì)產(chǎn)生較大誤差[4-6]。

2.3 噪聲

GB/T 18604—2014中明確指出[7]，管道內(nèi)部的噪聲會(huì)對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)計(jì)量的精確性帶來(lái)不利的影響。管道內(nèi)的噪聲來(lái)源主要包括環(huán)境噪聲和氣流經(jīng)過(guò)管道內(nèi)擾流元件所產(chǎn)生的的噪聲。例如當(dāng)流量計(jì)上游的閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，在閥門(mén)處就會(huì)產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，此時(shí)下游流量計(jì)位置處的信噪比(信號(hào)與噪聲的比例)將會(huì)大大降低，影響超聲流量計(jì)的工作狀態(tài)。

2.4 氣體臟污狀態(tài)

美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)頒布的AGA N O.9號(hào)報(bào)告[8]中提出，時(shí)差式超聲波流量計(jì)的內(nèi)部應(yīng)盡量保持潔凈，不得附著污油、灰塵等物質(zhì)。可見(jiàn)，流量計(jì)內(nèi)表面的清潔狀態(tài)也是會(huì)影響其工作效果的，當(dāng)流量計(jì)內(nèi)部存在附著物時(shí)，會(huì)產(chǎn)生三種不良的后果。第一，附著物的存在會(huì)減小氣體流通的截面積，使測(cè)出來(lái)的流量大于管道內(nèi)的實(shí)際流量；第二，附著在換能器表面的沉積物也會(huì)影響超聲波的發(fā)出和接受，從而導(dǎo)致超聲波順流和逆流的時(shí)間差增大，致使測(cè)量結(jié)果偏大；第三，附著物會(huì)改變管道內(nèi)壁的粗糙度，使氣體在管壁附近的流態(tài)發(fā)生變化，也會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2.5 氣質(zhì)組分

在一定溫度和壓力條件下，標(biāo)準(zhǔn)條件下氣體的瞬時(shí)流量與標(biāo)準(zhǔn)條件下和工作條件下氣體的壓縮因子的比值成正比。因此，隨著甲烷含量的增加，時(shí)差式超聲波流量計(jì)輸出的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量降低[9]。

3 發(fā)熱量測(cè)定誤差因素分析

天然氣發(fā)熱量的測(cè)定方法包括直接法和間接法。直接法是通過(guò)使天然氣在熱量計(jì)中燃燒，直接測(cè)量其釋放的熱量；而間接法是利用氣相色譜儀測(cè)定天然氣中可燃組分的含量，然后通過(guò)計(jì)算的方式求出其發(fā)熱量。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作過(guò)程中，間接法更為常用。

在溫度為t1的條件下，天然氣的理想摩爾發(fā)熱量與天然氣中可燃物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如式(2)所示[10-11]：

式中：H0(t1)為混合物的理想摩爾發(fā)熱量(高位或低位)；xj為混合物中組分j的摩爾分?jǐn)?shù)混合物中可燃組分j的理想摩爾發(fā)熱量(高位或低位)，可查GB/T11062—2014得到。

3.1 水蒸氣

水蒸氣是天然氣中較常見(jiàn)的組分，由于其不可燃，因此當(dāng)采用間接法計(jì)算天然氣的發(fā)熱量時(shí)，并沒(méi)有考慮其影響，所以所報(bào) 告的天然氣發(fā)熱量是排除水蒸氣后干氣的發(fā)熱量。而事實(shí)上，在天然氣燃燒的過(guò)程中，由于水蒸氣的物態(tài)變化，會(huì)直接影響天然氣的實(shí)際發(fā)熱量。在氣體計(jì)量系統(tǒng)的參比條件下(p2、t2)，假設(shè)天然氣中水蒸氣的分壓為pw，則實(shí)際氣體的發(fā)熱量應(yīng)如式(3)所示：

式中：Hmeasured為含有水蒸氣天然氣的測(cè)定發(fā)熱量；Hdrygas為除去水蒸氣后干氣的發(fā)熱量；p2、pw分別為參比壓力和水蒸氣的分壓。

假設(shè)在15 ℃、101.325 kPa的計(jì)量參比條件下，某干氣的體積發(fā)熱量為38.00 MJ/m3，而在該溫度下，該氣體內(nèi)水蒸氣的飽和蒸氣壓為1.705 kPa，則含有水蒸氣的天然氣的實(shí)際發(fā)熱量為38×(1-1.705/101.325)=37.36 MJ/m3，兩個(gè)發(fā)熱量之間的相對(duì)誤差達(dá)到了1.68%。對(duì)于大型輸氣站場(chǎng)來(lái)說(shuō)，每日所輸送的天然氣量可達(dá)幾十萬(wàn)立方米，因此所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)差額是非常大的。而且，水蒸氣在天然氣中的百分含量越大，天然氣的計(jì)算發(fā)熱量和實(shí)際發(fā)熱量之間的偏差就越大。因此當(dāng)利用間接法測(cè)量天然氣的發(fā)熱量時(shí)，準(zhǔn)確測(cè)量水蒸氣的含量是至關(guān)重要的。

3.2 取樣過(guò)程

對(duì)于僅存在單一氣源的輸氣站場(chǎng)，由于氣質(zhì)組分含量相對(duì)穩(wěn)定，取樣過(guò)程按照GB/T 13609—2017[12]中的規(guī)定操作即可獲取較為準(zhǔn)確的氣體發(fā)熱量。但對(duì)于存在兩種或兩種以上氣源的輸氣站，不可能將各個(gè)氣源的天然氣進(jìn)行分別處理和銷售，都是先進(jìn)行混合，然后再統(tǒng)一調(diào)配。由于不同氣源的氣質(zhì)組分存在差異，氣體在混合時(shí)，濃度高的組分要向濃度低處擴(kuò)散，最終達(dá)到平衡的狀態(tài)，即混合均勻狀態(tài)，因此獲取具有代表性的混合氣樣本對(duì)于計(jì)算混合天然氣的發(fā)熱量至關(guān)重要。例如在101.325 kPa，20 ℃的參比條件下，甲烷和乙烷的理想摩爾高位發(fā)熱量分別為891.09 kJ/mol和1 561.41 kJ/mol。假設(shè)對(duì)于可燃組分僅包含甲烷和乙烷的天然氣，當(dāng)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)存在1%的偏差時(shí)，氣體的計(jì)算發(fā)熱量會(huì)出現(xiàn)0.3%的偏差；而當(dāng)乙烷摩爾分?jǐn)?shù)存在1%的偏差時(shí)，計(jì)算發(fā)熱量的偏差可達(dá)0.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

天然氣能量計(jì)量能夠真正地反映出其使用價(jià)值，因此目前正在大力推廣。本文分別從體積計(jì)量和發(fā)熱量測(cè)定(間接法)兩個(gè)角度分析了實(shí)施天然氣能量計(jì)量時(shí)產(chǎn)生誤差的主要影響因素，從而為準(zhǔn)確實(shí)施天然氣能量計(jì)量提供了一定的參考與借鑒。