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 技术论文

天然气的能量计量及其标准化


摘要:根据国际标准化组织天然气技术委员会正在制定中的国际标准草案和国外先进标准,介绍了天然气能量计量的计基本原理、计量设备、计量方程、不确定度估计,以及标准化等方面的有关问题。

主题词:天然气 标准化 能量 计量 不确定度
Abstract An introduction to the basic principles for energy measurement of natural gas, measuring equipment, measuring methods, estimate of uncertainty and standardization is given in the light of the Draft International Standards being prepared by ISO/TC193 and other advanced foreign standards. 
Subject Headings Natural gas, Standardization, Energy, Measurement, Uncertainty


发展概况

    目前天然气的年产量已达到2.3万亿左右。天然气的产区与其消费地区之间的距离就决定了此项能源的国际贸易量甚大,20世纪90年代以来此数字不断上升,现已达到4200亿m3/年,其中75%以上由管道输送的,其余则为液化天然气。
在大规模交接计量过程中,由于气质波动而导致发热量变化,使传统的体积计量方式明显不适应,故能量计量从80年代初开始逐渐在西欧和北美推广,现已成为在交接计量中占主导地位的计量方式。
由于能量计量在交接计量中的重要性,国际标准化组织天然气技术委员会(ISO/TC193)成立伊始,就建立专门小组开展标准化工作。经近10年的反复修改才于2000年底完成了CD文件[1],预计2002年正式出版。
我国天然气交接计量中迄今尚未采用能量计量的方式。随着“西气东输”的宏伟工程逐步实施,改进天然气交接计量的方程势在必行。最近,中国石油天然气股份公司决定对能量计量进行试点,准备在取得试验经验的基础上完成能量计量技术的标准化。
尽管天然气能量计量技术问世已有近20年的历史,但真正直接对天然气进行能量测定的系统还正在开发之中,估计近期内难以商品化[2]。因此,当前国外所采用的能量计量方法均立足于间接测定:即分别测定天然气发热量和体积,然后通过计算求得总能量。发热量和体积的测定有时是在同一位置上进行;但更多情况下是在不同位置上进行,此时就涉及对一定体积天然气发热量的“设定方法”,这就是一个比较复杂的问题。
如果把天然气能量计量中涉及的各种测量方法和设定方式应用于跨越郭节的国际贸易时,又将涉及不同国家可能存在不同的法律与法规,问题将变得更加复杂。鉴此,尽管ISO/CD15112是一个具有巨大潜在经济影响的文件,但它在很多方面仅阐明处理问题的原则,而不作具体的规定。这样既为各国执行自己的计量法规提供方便,又为缔约各方选择具体方法留有余地,只要所用方法可以溯源到已被认可的国际标准,它们都可以被采用。
必须指出,从标准化的角度看,天然气能量计量不仅涉及TC193/SCI已出版的27个标准中的大多数,还涉及SC2正在制定的有关天然气物性直接测定的一批标准。不仅有关的标准数量多,而且也涉及不同的溯源体系,这也是实施能量计量过程中要遇到的另一个困难。
基本原理
包含在一定量天然气中的能量可由式(1)来表达:
E = H × Q (1)

式中 E—能量;
H—天然气的发热量;
Q—天然气的量(体积或质量)。
上式中的E可以直接测定,但此项计量技术目前尚在探索之中,故本文讨论的是通过气体体积及其发热量(以体积为基础)来计算的能量计量技术,其基本原理如图1所示。


图1 能量计量的基本原理
为了精确地测定能量,气体体积及发热量必须在相同的参比条件下测定。国际标准ISO13443已经规定ISO推荐的标准参比条件:温度为288.15K,压力为101.325kPa。由于各国规定的标准参比状态不同,故ISO 13443还规定了在不同条件下进行换算的公式和换算因子[3]。
在天然气地发热量随时时间而有变化时,往往是在个不同的位置上测定流量,并从其中取得有代表性的发热量数据用于能量计量。此时,必须考虑由流量测定与发热量测定之间的时间差别而产生的对流量准确度的影响。
气体体积可以ISO推荐的标准参比条件报告,也可以其他条件计量在用合适的方法换算为ISO标准参比条件下的相应体积,但在某一个特定的气体体积计量站上进行换算时,可能需要在其他位置上测定的有关气质数据。同样,发热量可以在气体计量站上测定,也可以在对该气体计量站设定的某个有代表性的点上测定;测定结果不仅可以体积为基础来表示,也可以质量基础出来表示。能量计量的基本原理对气体的体积基计量与质量基是同样适用的。
为了计算某个时间周期内流过气体计量站的天然气的总能量,需要采用积分的方法。后者又可以分为两种方式:一是对能量流积分;二是对气体流量积分求得气体总量,再乘以一个有代表性的发热量。采用何种积分方式往往取决于销售合同或国家法律规定。必须指出,能量计量的基本原理与计算采用的积分方程无关,后者只影响能量计量的不确定度。
气体计量
天然气从生产者(储气库)到最终用户的交接计量一般是通过3个交接面进行的:①输气公司;②区域性分配公司;③地区性分配公司。
在输气和分配过程中可能存在的交接界面如图2所示。

图2中方框1~6示出了天然气销售链中有代表性的6个交接界面,其中有的可能是真正的计量站,有的则仅是合同条件下的一个交接点而并无任何计量设备。在计量站中使用的设备与方法主要根据以下条件而定:①有关的国家法规;②天然气流量;③天然气的商业价值;④气质变化状况;⑤对供气富裕量的要求;⑥仪器仪表规格。
天然气流量测定的主要设备示于表1。

流量计类型

界 面 编 号

1

  2 

3

 4

 5

 6

隔膜式      

旋转式

涡流式  

     
涡轮式

 

 

孔板式

 

 
超声式

 
问丘里、喷嘴式          

质量式

   

 

 

 

应该鉴别出并尽可能克服系统误差。一般而言,计量数据的准确性与以下诸因素有关:①操作条件;②维修质量与频率;③校准用的标准;④取样/清零;⑤气体的组成变化;⑥计量设备的新度。
在计量站中,天然气的流量计量都是在操作条件下进行的。主要涉及两个国际标准ISO5167-1(差压式流量计)[4]和ISO9951(涡轮式流量计)[5]。针对某种特定的应用而选择流量计时,主要应考虑以下因素:①气流的条件;②流量的范围;③操作条件(尤其是操作压力);④可以接受的压力损失;⑤要求的准确度。

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