天然气计量知识

1引言天然气是非常重要的清洁优质能源，已广泛地用于国民生产和生活的各个领域。目前，在世界能源消费结构中，天然气消费占能源消耗总量的比例逐渐提高。在天然气产业的飞速发展过程中，天然气能源的准确有效计量，是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。怎样将天然气测量仪表与国家计量基标准建立起有效的溯源链，确保其量值准确、可靠和统一也是必须得以重视的命题。经过多年的探索和发展，目前国内外已在天然气生产、贸易和使用中发展了大量天然气计量方法，这些方法主要可归结为流量计量和能量计量两大类。本文简要梳理了现有的各类天然气计量方法及各自特点，并就目前国内天然气计量存在的问题进行了探讨。1天然气流量计量技术国内普遍使用的最经典的天然气计量方法是体积流量计量，指计量一定时间内流经封闭管道横截面的天然气体积流量。随着天然气在一次能源中的比例逐年增长，天然气流量计的使用数量急剧增加，品种日益增多，常用的用于天然气体积流量计量的仪表包括差压式流量计（如孔板）、速度式流量计（如涡轮流量计）、容积式流量计（如罗茨流量计）等。由于用于天然气贸易计量的天然气流量仪表须经过严格的周期检定或校准，因此很多国家都相继建成了具有较高水平的天然气流量标准装置，并形成了相应的天然气流量量值溯源体系或传递系统。目前国内外天然气体积流量标准装置主要采用直排法和环道法两种方式。直排法利用输气管线上下游或高低压储气库之间的压差来实现气体直排，进而实现体积流量检测。常用的直排法气体流量标准装置的类型，原理，介质和不确定度如表1所示。目前，除国家石油天然气大流量站少数几套标准装置采用天然气实流介质，并实现了压力可在一定范围内可调外，其他直排法标准装置大多采用空气作为测量介质且压力温度不可调节。环道法气体流量标准装置利用一台循环动力设备将低压气体增压，并在检测管路形成一个闭环通道进行天然气流量计检定或校准工作。所采用的介质气体有天然气、空气、二氧化碳等。环道法天然气流量标准装置对外部气源的依赖性小，可在一定范围内实现压力和温度控制，便于在所需要的特定的温度压力条件下进行流量计检定或校准，气体也可以根据需要进行更换，因此表现出较好的应用前景。从二十世纪90年代起，在美国、加拿大、欧洲相继建成了气体环道用于气体流量仪表的检测,达到的不确定度在0.15%~0.27%(k=2)之间。我国的气体环道起步较晚，直到近几年才开始关注其在天然气流量仪表检测中的应用价值，并在北京、内蒙、武汉等地开始规划建设此类气体流量标准装置，望尽快实现突破和应用。值得一提的是，近几年压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）快速发展，国内CNG和LNG加气机普遍采用质量流量计进行流量计量。加气机的检定也普遍开始采用与国际标准一致的质量流量(kg)为计量单位，由此促进了天然气质量流量计量的发展。基于质量计量的天然气标准装置主要包括质量法气体流量标准装置和标准表法气体流量标准装置。前者利用电子天平作为主标准器，主要用于送检加气机和加气机检定装置的检定/校准，后者主要采用质量流量计作为主标准器，用于加气机的现场检定。2天然气能量计量技术天然气作为用于燃烧的能源，其关键价值在于其提供的热量。而天然气是一种多组分混合气体,由于产地来源不同，各组分及含量也存在差异，这使得不同来源的同样体积/质量的天然气，其燃烧产生的能量也不同。因此，从科学公平计量的角度看，天然气能量计量比流量计量更加合理。天然气的能量计量是在体积测量的基础上,再测量天然气发热量，用天然气单位体积的热量乘以天然气体积，以获得流经封闭管道横截面的天然气总能量。图1示出了天然气能量计量的原理，天然气能量计算公式为：E=Q×Hs(1)其中E为天然气能量，Q为天然气体积流量，Hs为单位体积天然气的发热量。测量天然气体积流量的设备主要有孔板，超声流量计、涡轮流量计，旋进漩涡流量计和腰轮流量计等。发热量包括直接测定及间接测定两种方式。间接测定法使用天然气组成来计算天然气发热量，天然气组成一般采用气相色谱仪获得，日常计量交接大多采用此法。直接测定是通过燃烧一定量的气体直接获得气体的发热量，一般作为气相色谱间接测定法的核查和保证手段。能量计量中流量及发热量均应溯源至国家计量基标准。流量测量仪表应采用气体流量计量标准装置溯源至国家基标准。发热量间接测定的量传和溯源通过气体标准物质进行。我国目前已经基本具备实施能量计量的技术基础和条件，即包括体积流量计量技术、发热量测定技术、能量测定标准体系及能量测定量传溯源体系在内的较为完整的配套技术，整体技术水平也在不断提高，但能量计量目前尚未得以全面推广实施。3天然气计量问题探讨3.1实流检定/校准问题随着天然气工业的快速发展,特别是输气管网的大规模建设,用于天然气计量的流量仪表日益增多,其工作压力和温度范围不断扩大。然而目前对天然气流量仪表进行检定/校准还大多采用以空气为测量介质的气体流量标准装置在常温常压下进行。由于空气与天然气的物性差异，加上压力、温度等各种因素的影响，容易造成计量偏差。采用实际天然气介质在接近实际操作条件下进行检定/校准,能够减小介质物性参数和运行参数对流量计的影响,是天然气贸易计量中更为准确有效且优先推荐的方法。目前随着国内外实流检定技术的成熟,天然气流量量值溯源正逐步向实流检定/校准方向发展。然而目前国内仅有少量几家机构拥有天然气实流检测装置，其检测成本高、周期长，受环境的影响大，此外还有温度不可调等缺陷，致使天然气实流检测方法的应用受到很大限制，已远远不能满足日益增长的天然气流量仪表的检测需求。新兴的天然气环道装置有望满足实流检定/校准的需求，值得加速研究和应用。3.2在线检定/校准问题天然气流量仪表的检定/校准包括离线和在线两种方式。目前大多数情况采取的是离线检定/校准。离线检定/校准的缺点在于操作较为繁琐,检定/校准需要时间较长,企业成本增加。此外，离线检定/校准时实验室的安装条件和工况条件与在流量计现场工作条件不一致,会对计量结果带来无法修正的偏差。在线检定/校准可有效减小上述影响,是提高流量计量准确度、可靠性和减少计量成本的最有效的办法。但目前真正实用的天然气流量仪表在线检定/校准技术还较少，怎样研究和发展在线检定/校准技术，并从计量技术法规上对检定/校准方法、环境条件、安装条件等予以规范尚需进一步探索。3.3能量计量的实施问题天然气能量计量是目前国际上最流行的用于贸易和消费的计量结算方式。北美、南美、欧洲和亚洲大多数国家的天然气贸易、输送和终端消费均采用能量来计量和结算费用。虽然我国目前已初步形成了能量计量体系，流量和发热量测量设备、设备检定技术法规、赋值方法、测量标准、量传和溯源链已日趋完备，可初步满足能量计量的应用要求。但在气体标准物质制备、发热量间接测定技术方面还需进一步提高，法律法规及能量计量标准体系也需进一步完善，管理制度还有待建立，以尽快适应和推广从流量计量到能量计量的转变。此外，实施能量计量是复杂的系统工程，涉及面广，需要在技术，法规、政策、价格体系等多方面联合推进。