关于利用能量计量天然气的经济技术分析

张 伟，周进生

(1.中国地质大学(北京),北京 100083；2.中国石油北京油气调控中心,北京 100007)

天然气是一种以甲烷为主的混合气体，除甲烷外，还有乙烷等烃类组分及氮、二氧化碳等非烃类组分。2007年，发改委发布的《天然气利用政策》[1]将天然气利用领域归纳为四大类，即城市燃气、工业燃料、天然气发电和天然气化工，作为燃料是天然气的最主要用途。

天然气的计量方式主要有质量计量、体积计量和能量计量。体积计量方式是天然气的传统计量方式，也是我国当前采用的交接计量方式。但是，天然气能量计量方式目前已经基本成为了国际上常用的天然气贸易和消费结算方式。虽在能量单位上有所差异，但除俄罗斯和部分东欧及中亚国家外，北美、南美、西欧、中东和亚洲的大多数国家的天然气交易合同无一例外均采用了天然气能量计量方式，天然气终端消费也同样采用了能量计量。随着天然气(含LNG)进口气量的逐年递增和与他国天然气贸易的广泛开展，天然气的能量计量方式也得到了关注和研究。最近几年，我国学者和石油公司在研究和推进天然气能量计量方面进行了大量细致的工作。陈赓良、黄维和、周志斌、黄黎明、常宏岗等[2-7]在分析国外天然气能量计量的方法和特点的基础上，着重研究和分析了天然气能量计量方式在我国的必要性、可行性和实施方案。

1 天然气实施能量计量的经济必然性

一直以来，我国天然气贸易交接都是采取体积计量方式，且在计量标准、计量器具及其选配、计量检测方式和手段以及与此相关的法律和规范等，已基本形成系列。天然气消费按体积计量在贸易双方和用户心中铭刻下印记。但随着全球经济一体化速度的加快，现行按体积的天然气计量方式显然难以适应发展的要求，我国天然气计量方式与国际惯例接轨是大势所趋，实现天然气按能量计量是我国天然气计量发展的必由之路。

1.1 天然气按能量计量体现了天然气商品的实用价值

作为一种能源或燃料，天然气无论是用于工业生产还是城镇居民生活或者发电，都是通过燃烧天然气获取热能或转化为电能，利用的是天然气的能量。天然气的发热量与其组分的燃烧热有关，一般地，甲烷含量越高，发热量越大。不同国家的天然气组分含量可能不同，而且同一国家、同一地区和同一气田的天然气组分都有可能不同。因此，不同气源的天然气的能量值也有所不同。众所周知，天然气的使用价值就是为各种用途提供能量或热能，因此天然气按能量计量能够切实反应了天然气这种商品的实用价值。

1.2 能量计量方式更能体现天然气贸易的公平性和透明度

从科学合理和公平、便利及优质优价的角度出发，天然气按能量计量无疑更能反映天然气本身的特征和利用价值，也能保证天然气的质量，高热值高价。相对于按体积计量而言，按能量计量可以消除交接双方因体积计量条件不同(不同国家采用不同标准工况)所引起的争议，可信度和透明度更强，交易双方都能接受。根据美国26个城市的统计，天然气体积发热量(高位)最小36.1MJ/m3，最大为45.0MJ/m3，二者相差高达24.6%。我国天然气的高位发热量最高为42.21MJ/m3(华北油田)，最低为33.23MJ/m3(吉林油田)，两者相差27.0%[8-9]。因此，实施能量计量能够充分体现天然气贸易的公平性和透明度及科学性。

1.3 能量计量方式可以显现出天然气与其替代能源的经济优劣性

煤、燃料油、电等能源产品的主要作用是向用户提供热能。因此，商品天然气按能量计量能更加直观的对比天然气与其替代能源品种的经济价值。较高的单位热值和较低的环境污染度值，体现出了商品天然气的优越性。

1.4 能量计量方式有利于与国际惯例接轨

现在，国际天然气贸易，包括管输天然气和液化天然气(LNG)贸易以及天然气现货、期货和期权交易中，均用能量作天然气的计量单位。1996年，中海油崖13-1气田投产后，其输往香港中华电力公司的天然气实行了能量计量交接[10]。2006年，广东大鹏LNG公司接收进口的澳大利亚LNG也是按能量进行交接，采用单位为MBtu(百万英热单位)。目前，进口LNG和国外管道天然气已经大量进入了我国，为了与国际惯例接轨，天然气实行能量计量势在必行。

2 天然气实施按能量计量的技术可行性

ISO标准《天然气能量的测定》给出了能量计量的定义：天然气的能量计量是通过两个不相关的测量来完成的，即体积或质量流量的测量和体积或质量发热量的测量，将这两种测量合成，可以计算得到天然气的能量，计算公式如下：

E=Q×H

(1)

式中：E为天然气的能量，MJ；Q为天然气标准状态的体积，m3；H为天然气高位发热量，MJ/m3。

由于体积计量仍然是能量计量的一个组成部分， 故能量计量本身并不能提高交接计量的准确度，而只是使计量的结果更为科学、公平和合理[11]。

2.1 多种交接界面有助于细化天然气计量交接，有助于能量计量方式的实施

天然气工业如同一根将气井井口、加工处理厂、高压输气管道、储气设施、低压配送管网和终端用户连接在一起的链条，链条上的每节链环都依靠其他各个环节而存在。按照运营特征及其商业交易，这条天然气产业链可分为上、中、下游三大环节或三大板块，即天然气的生产、运输和天然气用户(含配送)。

现在，我国天然气上游(生产)和中游(管道运输)及下游(天然气用户)存在两种不同的产输销模式。一种是上、中、下游一体化模式，即天然气生产公司和管输公司及下游用户同属一家油气田企业，如中国石油西南油气田分公司。另一种上、中、下游分离模式，也就是生产公司和管道公司及下游用户分属不同的盈利企业，如塔里木油田和西气东输管道公司及上海城市燃气公司。不同销售模式会产生不同的计量交接界面。图1展示了我国现行的天然气计量交接界面图，数值1～10分别为不同情况下的交接界面，这些界面的存在有利于能量计量的实施。

图1 我国天然气计量交接界面

中游的管道公司可以通过能量计量方式确定购买或代运的天然气气量，即在界面1处实施能量计量确定天然气量。同时，为了安全运营管道，在天然气管网系统内可以继续采用体积计量方式运营天然气管网。下游城市燃气公司可以在管网系统内采用体积计量，在各类用户界面(4、5和8、9、10)处交接天然气的能量。能量计量方式既能体现出天然气的商品价值，又不影响天然气管网的现有运行方案，有助于天然气产业链的整合和升级。

2.2 大量的流量计和在线色谱分析仪有助于促进能量计量方式的实施

目前，英国、美国、意大利和奥地利等欧美国家采用在线色谱仪测量和不确定度校正相结合的方式计算天然气的发热值，进而结合超声波流量计或孔板流量计的数值计算出天然气的能量值。现在，我国天然气长输管线使用的体积流量计量设备主要有标准孔板、超声流量计、涡轮流量计，小型用户大多使用的是智能旋进旋涡流量计和腰轮流量。在图1的计量交接界面图中，主要以标准孔板和超声流量计为主[3，5，10，12]。同时，在天然气管网各关键贸易交接点(计量站)均配置了在线气相色谱仪，而且一般站场也实现了采用离线的实验室色谱仪测定天然气的组成数据。这些流量计和色谱仪的存在，减少了实施能量计量方式的阻力，促进了能量计量方式的广泛推广。

2.3 科技的突破提升了天然气能量计量的可行性

中国石油在近10年的时间内，投入了大量了人力和物力研究和分析天然气能量计量的必要性、可行性和技术要求。完成了“油气计量方式与国际惯例接轨研究”、“天然气能量计量配套技术研究”、“天然气输配系统气质管理方案的研究”、“管输天然气气质数据管理系统研究”、“ 西南地区商品天然气实施能量计量的方案研究”、“天然气组成分析的溯源性研究”、“天然气能量计量应用与实施细则研究”、“西气东输二线天然气能量计量体系应用研究”等科研项目。形成了符合中国现行体系的天然气能量计量技术和标准及管理文件，并在西南地区和北京地区得到了试验应用，取得了较好的应用效果[11，13-16]。由式(1)可知，天然气能量计量的关键因素在于天然气体积流量和天然气发热值的确定。笔者认为：在得到某时间周期中的标况体积流量及其相应的平均高位发热量后，即能计算得到天然气的能量值

2.4 居民用户天然气能量计量方法的确定促进了天然气能量计量的可行性

由于居民用气点多、面广，每户用气量相对较小，且目前的家用气表不具备能量计量功能。因此，对城市民用天然气能量计量应采取定点计量、分别计算的方法，即在城市天然气门站对不同气源分别安装在线气相色谱仪测量天然气的组分，然后将数据传送给流量计进行能量计量，作为管道供气商与城市燃气公司进行贸易结算的依据，并取该计量点天然气单位发热量的月平均值作为居民用天然气的平均单位发热量，最后根据用户气表累计的体积量计算当月总能量。民用气涉及千家万户，为了保证天然气计量从体积计量平稳地过渡到能量计量，居民用气的能量计量工作应放在天然气能量计量工作的重中之重，并且尽快投入人力物力研发居民用户能量计量仪表。

2.5 天然气能量测量标准的发布促进了天然气能量计量的可行性

国内天然气体积计量技术及其标准化已经接近国际水平。为了使我国天然气计量方式与国际惯例接轨，国内石油公司和计量研发企业组织开展了能量计量可行性和对标工作。在参考ISO的1998年版和2007年版《天然气能量的测定》标准的基础上，我国《天然气能量的测定》国家标准已于2008年12月31日颁布(标准号为GB/T22723-2008)，于2009年8月1日起正式实施。天然气从体积计量转为能量计量是大势所趋，国内天然气计量改革势在必行，《天然气能量的测定》国家标准的颁布，为实施天然气能量计量创造了良好的技术条件。

3 倡导能量计量方式，切实发挥天然气的商品价值

3.1 能量计量方式有助于促进天然气价格的改革

天然气的商品属性和经济价值主要体现在其清洁性、高热值、价格低廉等方面。目前，北美、南美、西欧、中东和亚洲的大多数国家在采用了天然气按能量计量交接的基础上均实施了天然气按能量收费的方式，进一步提高了天然气利用的公平、合理性[5]。我国也应该在充分借鉴国外天然气交接计量和定价的基础上，实施天然气计量和计价方式的改革措施，分步实施天然气能量计量和计价。

天然气的合理定价应该充分参考其他能源产品的市场价格。2010年天然气与其他能源产品的价格对比见表1。

表1 2010年不同能源产品单位热值价格对比数据表

表1中数据可以明显发现，单位热值下的天然气价格远远低于石油产品的价格，但高于煤炭产品的价格。按照天然气的发热量计算，1000m3的天然气相当于10540kW·h电的发热量[17-18]。2010年北京居民用电价格是0.4883元/kW·h，天然气的价格是2.20元/ m3。则利用等热值原理可知：天然气价格与电力价格比为1∶2.34。由此可知，目前天然气的价格存在着较大的不合理性。

根据与其他能源产品的单位热值价格对比。2011年底，国家发展改革委发出通知决定在广东省、广西壮族自治区开展天然气价格形成机制改革试点。总体思路是，将现行以“成本加成”为主的定价方法，改为按“市场净回值”方法定价，即将天然气的销售价格与由市场竞争形成的可替代能源价格挂钩，在此基础上倒扣管道运输费后回推确定天然气各环节价格。上述价格改革的成功与否急需要天然气计量交接方式的转变，需要将“体积”计量方式快速转变为“能量”计量方式。这样，有枝有叶天然气价格改革措施的顺利实施。

3.2 能量计量和计价方式有助于国家节能减排时政的推进和实施

“十二五”期间，节能减排工作是国家的一项重要的施政方针。天然气这种能源产品的一个特点就是清洁、高效。因此，天然气的合理计量和合理计价有助于推进天然气能源产品市场的扩展，有助于国家节能国家时政的推进和实施。

天然气的节能主要体现在其利用效率。煤炭、燃料油和天然气的利用效率比较见表[2，19]。

表2 煤炭、燃料油和天然气的利用效率对比表

根据我国《能源发展“十一五”规划》，2010年燃煤工业锅炉热效率可达70%～80%，而天然气工业锅炉的热效率一般可达90%左右，有的甚至达到95%以上。因此，可知天然气在节能方面较煤和燃料油具有较大的优势。

天然气的减排优势主要体现在其清洁性，能够有效降低硫和二氧化碳的排放量。利用天然气与煤炭相比，生产相同有效能量时，1m3天然气与相应可替代的煤炭相比，可减排一氧化碳47%～84%，氮氧化物44%～95%，一氧化硫和烟尘近100%。周志斌等人曾经对“用天然气替代煤对川渝地区环境效益的贡献值”进行研究，结果表明：若川渝地区20%的煤可用天然气替代，则可减少硫沉降对川渝地区农作物和林业的损失达7.5亿元人民币[20]。

3.3 能量计量方式有助于天然气产业链的整合和升级

天然气工业的发展离不开天然气产业链上各个环节的协调发展[21-22]。不论是欧美国家的上中下游分别独立化的天然气产业链模式，还是俄罗斯和中东地区的上下游一体化的天然气产业链模式，能量计量方式都能通过公平、公正地展示天然气的真实作用，提升了天然气利用效率，得到了天然气用户的普遍接受和信服[4]。

目前，国内天然气下游市场上存在着种类繁多的天然气，有来至中亚的进口管道气，有库尔勒的常规天然气，有南疆的煤制气，有山西的煤层气，有四川的页岩气，有鄂尔多斯的三低气藏气，有来至澳大利亚的LNG，有来至卡塔尔的LNG，等等。不同气源的单位能量值不同，不同气源的单位制气成本也不相同。通过实施天然气能量计量，进而推动天然气能量计价模式，高品质天然气收取较高的气价，低质低价。这样能体现出天然气商品的价值规律，能够有效地分析和整合下游天然气市场的气源情况，促进了天然气下游市场的发展和成熟。

下游天然气市场贸易和消费的公平、公开和科学化，将会提升天然气这种清洁能源在一次性能源消费比例中的数值。下游天然气市场的获利将会促进中游管道公司的资本投入和科研投入，将会进一步促进中游管道公司科学规划天然气管网布局，优化天然气管网运营方案，提升安全运营水平，降低能耗，获取更好利润，进而提升了中游天然气管道行业的整合和升级。下游市场的整合及获利和中游管道的升级及获利将会推动上游天然气勘探开发的资本投入，投入更多的人力物力促进我国天然气气田的可持续发展战略的实施，促进我国非常规天然气开发技术的突破，进而获取更多的天然气工业气流，即有利于下游天然气市场的扩张，又降低了我国对于其他国家天然气的依赖性。

总之，通过实施能量计量和计价方式，提高了天然气市场和消费的科学化和公平化，促进的下游天然气市场的发展和整合，进而促进了中游天然气管道的整合及升级和上游天然气气田的发展；上游的发展将会提高天然气的供应量，促进了中游天然气管道的发展，扩张了下游天然气市场成熟和升级。从而，促进整个天然气产业链的整合和升级。

4 认识

1)天然气的主要用途和商品价值属性决定了天然气应该采用能量计量方式。

2)天然气能量计量的关键在于天然气体积流量的测量和天然气发热值的测定，天然气体积流量的测量与天然气的压力、温度、组分等因素有关；天然气发热值的测定可采用直接测量方式，或采用在线色谱仪测定组分后推算天然气的发热值。

3)各种科研项目研究成果的现场转化和现场试验，有助于论证天然气能量计量的可行性。《天然气能量的测定》标准的发布和实施有助于推进天然气能量计量的相关工作。

4)实施天然气能量计量方式有助于天然气价格的改革，有助于天然气价格与其他能源产品价格的对比和调节。

5)天然气能量计量和计价的方式有助于天然气下游市场的发展，有助于天然气中游管道和上游勘探开发的发展，进而有助于整个天然气产业链的整合和升级。

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