多氣源管網(wǎng)天然氣發(fā)熱量賦值計算方法研究

劉婉瑩 劉志嬙 艾素萍 張國民 唐 健

白馬湖實驗室

0 引言

我國2020 年天然氣消費量約3 200×108m3，同比增長4.2%，占一次能源消費總量的10%，雖然天然氣消費受新冠疫情沖擊受到一定程度影響，但從長期趨勢上仍保持快速增長態(tài)勢。隨著我國天然氣消費規(guī)模持續(xù)增長以及進(jìn)口天然氣占比越來越大，能量計價與按體積計價之間的矛盾越來越突出[1］。混輸?shù)奶烊粴鉄嶂灯焚|(zhì)不同，計量單位不統(tǒng)一，不僅影響我國天然氣市場國際化進(jìn)程，也不利于油氣管道基礎(chǔ)設(shè)施第三方準(zhǔn)入的實施。國外在上世紀(jì)80 年代便開始提出進(jìn)行天然氣能量計量貿(mào)易交接[2］。政府相關(guān)部門制定了《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》于2019 年5 月24 日起施行，其中指出，油氣管網(wǎng)設(shè)施開放后，混輸?shù)奶烊粴鉄嶂灯焚|(zhì)不同，采用能量計量方式有利于準(zhǔn)確計量、體現(xiàn)公平，減少結(jié)算糾紛[3］。因此，為適應(yīng)當(dāng)前我國天然氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要，天然氣計量采用能量計量方式勢在必行。

1 基于溯源上下游的可變賦值算法

基于溯源上下游的管網(wǎng)天然氣能量賦值算法具體溯源思路如圖1 所示，出口氣體由上下游管段氣體混合而成，因而其組分取決于上下游管段氣體組分及管段流量，而上下游管段氣體組分與上下游有效節(jié)點氣體組分相同，上下游管段流量取決于上下游管段壓差、節(jié)點用戶下載量及管段結(jié)構(gòu)特性，因而其賦值算法的不確定性只涉及上下游管段，增加了賦值算法的可靠性[4］。

圖1 基于溯源上下游的管網(wǎng)天然氣能量賦值算法溯源思路

1.1 賦值算法基本理論

基于局部天然氣管網(wǎng)賦值算法的溯源思路可知，待求氣體組分CB與上下游管段壓差（上下游管段節(jié)點壓力Pi）、上下游節(jié)點用戶下載量Qi 及上下游有效節(jié)點氣體組分Ci相關(guān)，因而可以通過建立CB與Ci、Qi 及Pi 之間的關(guān)聯(lián)式來實時對待求氣體的熱值進(jìn)行賦值[5］：

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知：待求氣體組分CB與上下游管段氣體組分Ci及流量qi存在如下關(guān)系[6］：

其中，QB——待求站點的下載流量；

n——與出口相連的管段數(shù)。天然氣管道中管道流量qi與管段長為L的管道兩端節(jié)點壓力P1、P2存在如下關(guān)系[6］：

由于天然氣長輸管道運行壓力在4 MPa以上，因此選擇高壓公式進(jìn)行計算。對于高壓（P>1.2 MPa）：

其中：K可取1.62(L/D5)；

Z——天然氣壓縮因子；

l——管道摩阻系數(shù)；

m——經(jīng)驗調(diào)節(jié)參數(shù)；

P0——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境壓力；

T0——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度；

r0——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下天然氣密度；

Z0——標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下天然氣壓縮因子。在通過擬合管段壓力和管段流量之間的經(jīng)驗公式建立不同節(jié)點處各相連管段的流量與壓差之間的關(guān)系[7］，即：

結(jié)合公式（2）和（4）建立節(jié)點氣體組分與上下游管道兩端節(jié)點壓差和氣體組分之間的關(guān)系[8］：

1.2 基于不同管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的賦值方案

在上下游相鄰管段氣體組分已知且管段壓差明確的前提下，通過建立節(jié)點組分與上下游管道兩端節(jié)點壓差和氣體組分之間擬合關(guān)系進(jìn)行節(jié)點天然氣發(fā)熱量賦值計算[9］。由于存在上下游相鄰管段氣體組分未知或管段壓差不明確的情況，針對單管段及三支路管段提出節(jié)點發(fā)熱量賦值算法。

1.2.1 單管段

單管段在天然氣管網(wǎng)中最為常見，根據(jù)上下游相鄰管段氣體組分及管段壓差的已知數(shù)據(jù)，將發(fā)熱量賦值算法分為兩種情況：

當(dāng)上下游相鄰管段氣體組分未知或管段壓差不明確，節(jié)點B 氣體組分將不能直接通過上下游管段S-B、B-X 氣體組分及管段壓差進(jìn)行賦值計算，此時將通過擴大溯源范圍進(jìn)行節(jié)點B 的賦值計算，上下游分別擴大一個節(jié)點時，節(jié)點B 的賦值算法[10］如圖2 所示，對節(jié)點B 處氣體組分的取值判斷根據(jù)上下游節(jié)點S’及X’的組分含量差異可分為以下兩種情況：

圖2 單管段參數(shù)示意圖

（1）當(dāng)CS'=CX'時，直管段中氣流流動單向，節(jié)點B氣體來自上游節(jié)點S’或下游節(jié)點X’，進(jìn)而節(jié)點B氣體組分可直接取上游或下游測量值。

（2）當(dāng)CS'≠CX'時，上下游管段S-B、B-X 中氣體流量及流向?qū)⒂晒芏蜸’-B、B-X’壓差及節(jié)點S、X 處涂泄流量根據(jù)公式（5）或公式（3）和（4）進(jìn)行判斷，進(jìn)而節(jié)點B 處氣體組分可根據(jù)流量占比計算而得。

1.2.2 三支路管段

對于三支路管段節(jié)點B其賦值算法與直管段的區(qū)別在于需進(jìn)一步判斷第三相鄰管段氣體流量及氣體組分，根據(jù)三支路管段氣體組分及管段壓差的已知情況，將能量賦值算法分為兩種情況[11］。

（1）三支路管段氣體組分已知、管段壓差均明確。如圖3 所示，節(jié)點B 為需要進(jìn)行能量賦值計算的節(jié)點，存在三支路管段S-B、B-X1和B-X2，其中各個節(jié)點壓力Pi(i=S,B,X)及沿途泄流量Qi(i=S,B,X)均已知，且S-B、B-X1和B-X2管道兩端存在明確壓差，節(jié)點S、X1及X2處氣體組分已知。

圖3 三支路管段參數(shù)示意圖

當(dāng)三支路管段的氣體組分不同時，三管段SB、B-X1 和B-X2 中氣體流量及流向?qū)⒂晒芏蜸B，B-X1和B-X2壓差及節(jié)點S、X1及X2處途泄流量根據(jù)公式（4）或公式（2）和（3）進(jìn)行判斷[12］，進(jìn)而節(jié)點B處氣體組分可由公式（5）計算而得：

其中qS、qX1及qX2分別表示三管段S-B、B-X1和B-X2 中氣體流量，計算過程中需使qS+qX1+qX2=QB以保證質(zhì)量守恒。三支路管段參數(shù)示意圖見圖3。

1.3 天然氣組分分析

天然氣由甲烷、乙烷、丙烷、正戊烷、異戊烷、正丁烷、異丁烷、氮氣、二氧化碳（CO2）和C6+等氣體組成[13］，其中甲烷含量最多。

選取某站場在某一時間段的數(shù)據(jù)，擬合天然氣組分變化情況。如圖4，根據(jù)公式（2）計算天然氣各組分含量的百分比，并將測量值與計算值進(jìn)行對比，其中Nnm 表示組分實際測量值，n 表示氣體，m表示站點；Nnm_p為組分計算值。

圖4 天然氣各組分含量占百分比

從圖4 中可以看出，天然氣各氣體組分的計算值與測量值趨勢相同，并且峰值突變點所在位置的吻合度也較好。經(jīng)計算，組分的賦值偏差在0.1%以內(nèi)[14］。綜上所述，通過擬合計算可以準(zhǔn)確獲得氣體組分變化情況，從而能夠進(jìn)一步計算天然氣熱值。

1.4 多氣源管網(wǎng)的天然氣熱值分析

以浙江省天然氣站場某三個站為測試站點，調(diào)取的歷史某一周數(shù)據(jù)包括站點及相鄰站點的壓力、流量和組分，在相同的時間段對站點內(nèi)天然氣的實際熱值與采用不同轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算值進(jìn)行對比分析。轉(zhuǎn)換系數(shù)k 指熱值轉(zhuǎn)換關(guān)系為[15］：1 Btu=1.055 kJ。即k=1.055，但由于浙江省管網(wǎng)中的天然氣為干氣，需修正熱值，干氣修正系數(shù)為y=1.017[16］，即 修 正 后 的 轉(zhuǎn) 換 系 數(shù)k=y×1.055=1.073。如圖5 所示，采用轉(zhuǎn)換參數(shù)k=1.055 和k=1.073 的計算熱值與測量值進(jìn)行對比。燃燒熱值的計算值按照公式（7）計算：

圖5 各站熱值測量值與計算值

式中：Cv——天然氣總的燃燒熱值；

Qvi——表示每種氣體的燃燒熱值，MJ/m3；

ni——每種氣體所占天然氣的摩爾百分比。

能量計量系統(tǒng)的最大允許誤差分為A、B、C 三個等級，其中A 級計量系統(tǒng)的離線/賦值發(fā)熱量最大允許誤差為±0.6%[17］。

通過圖5 的三個站點進(jìn)行對比，即采用轉(zhuǎn)換系數(shù)k=1.055 和k=1.073 計算熱值與測量熱值比較發(fā)現(xiàn)，計算值與測量值的趨勢相同。經(jīng)過三個典型站場的對比，當(dāng)k=1.055 時，計算值與測量值存在一定差距；當(dāng)修正后的轉(zhuǎn)換系數(shù)k=1.073時，計算值與實際測量值吻合度最佳，計算值誤差在0.23%左右<0.6%，滿足《多氣源天然氣輸配管網(wǎng)的能量計量方法》表1中“A級計量系統(tǒng)的誤差范圍”[18］。分別取了春季、夏季和冬季的某一周時間段進(jìn)行計算，對于不同季節(jié)，發(fā)熱賦值最大偏差均在0.6%以內(nèi)，因此可以利用本賦值算法準(zhǔn)確擬合出天然氣熱值，能夠保障浙江省天然氣管網(wǎng)在色譜儀損壞或缺失的情況下進(jìn)行有效的能量計量貿(mào)易交接。

2 結(jié)論

本文以待測天然氣發(fā)熱量站點上下游的已知數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，以不同管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為依據(jù)，研究了天然氣靜態(tài)發(fā)熱量可變賦值算法，解決站場內(nèi)在線氣相色譜儀缺陷的情況下無法進(jìn)行能量計量貿(mào)易交接的情況，主要研究內(nèi)容總結(jié)如下：

（1）擬合管段壓力和管段流量之間的經(jīng)驗公式，建立了站點相連管段流量與壓差之間的關(guān)系以及站點與相鄰站點氣體組分之間的關(guān)系，在多氣源環(huán)狀管網(wǎng)中，實現(xiàn)了對站點天然氣熱值的實時賦值，作為色譜儀缺失或損壞情況下的貿(mào)易交接手段。

（2）通過組分分析發(fā)現(xiàn)，天然氣中實際各氣體組分隨時間的變化情況與計算值吻合度較好且誤差僅在0.2%左右，因此通過擬合計算可以準(zhǔn)確獲得氣體組分變化情況，可用于下一步進(jìn)行實時計算天然氣熱值。

（3）通過選取浙江省3 個典型站場進(jìn)行熱值計算發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換系數(shù)為k=1.073時，計算值與實際測量值吻合度最佳，誤差為0.23%<0.6%，因此本賦值算法能夠準(zhǔn)確實時擬合出天然氣高位熱值，符合A 級計量系統(tǒng)的誤差要求。

本文考慮到待測站點的天然氣發(fā)熱量進(jìn)行實時賦值將更為合理，為實現(xiàn)天然氣發(fā)熱量實時賦值，后續(xù)需結(jié)合時間變量與空間變量兩方面對天然氣發(fā)熱量賦值計算方法進(jìn)行進(jìn)一步研究與改進(jìn)。