加气站储罐储气(液)量准确计量的探讨

王友良

〔中国石化浙江嘉兴石油分公司 浙江嘉兴 314000〕

近几年， CNG加气站与LNG加气站发展较快，但相关管理标准和规程制度相对滞后，特别是加气站没有对应的储罐(井)储气(液)量的准确计量标准与制度。目前相关国家标准主要有GB/T17747.2—2011《天然气压缩因子的计算》、GB/T11062—1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》、GB/T24962—2010《冷冻烃类流体静态测量计算方法》等。由于标准过于复杂与针对性不够，因此目前加气站储气(液)罐(井)内储气(液)量的计量采用人为设定的估算法。CNG储量都按储气罐(井)水容量乘压力(MPa)数再乘10倍得到储气体积量，CNG质量是储气体积量乘人为设定的固定密度，LNG储量按液位对应的容量乘人为设定的固定密度得到储罐的质量，CNG和LNG的密度都是人为设定的，故在每日和月度盘存时经常产生人为的大损大溢，从而掩盖了真实的大损大溢。为了提高储气(液)罐(井)的计量准确度，笔者依据上述三个国家标准及工作实际，提出了储气(液)罐(井)的准确计量方法、程序、计算公式与计算系数表，经过二年多的应用与改进，计量基本准确，目前已在中国石化某石油分公司系统的所有加气站推广实施。

1 CNG储罐储量的准确计量

目前CNG加气站加气机零售有两种计量交接结算模式：一种是以CNG标准状态(N)下的体积(Nm3)来定价(××.××元/ Nm3)，以加气机加出的标准状态下CNG体积(Nm3)作为计量交接结算量；另一种是以CNG的质量(kg)来定价(××.××元/kg)，以加气机加出的CNG质量(kg)数作为计量交接结算量。因此每日和月度盘存CNG储罐储气量时，也对应体积计量模式与质量计量模式。

1.1 CNG储罐储气体积量的准确计量

1.1.1 准确计量步骤

(1)盘存时，停止所有加气机，抄录加气机的累计走字数。

(2)抄录储气罐(井)、管柱型管组压力表的压力和大气环境温度。

(3)按公式(1)计算标准状态下的理想气体体积量：

(1)

式中：v标——标准状态下的理想气体体积量，m3；

v工——工作状态下的理想气体体积量，m3；

t——工作状态下的气体温度，℃；

p——工作状态下的压力，kPa。

(4)按公式(2)计算标准状态下的实际气体体积量：

(2)

式中：vn——标准状态下的实际气体体积量，m3；

U标——标准状态下理想气体体积量，m3；

Z——气体的压缩因子系数(见表1，内插法查表)。

天然气压缩因子速查表见表1。

表1 天然气压缩因子速查表

1.1.2 准确计量案例

例1：2016年6月30日18时，某CNG加气站盘存时抄录的相关数据为：1号、2号和3号储气井容积V井均为2 m3，高(1号井)、中(2号井)、低(3号井)压力P井分别为20.14 MPa、17.15 MPa、10.08 MPa，管柱型管组总储气容积V管为15 m3、压力P管为11.00 MPa，储气井内CNG温度为20.0 ℃，管柱型管组内CNG温度为25.0 ℃，求储气井和管柱型管组储气总库存量为多少m3？

解：A、储气井CNG总存量计算：

(1)按公式(1)计算高压井标准状态下的理想气体体积量V标高：

397.533 m3

(2)查表1的天然气压缩因子速查表，得：

(3)按公式(2)计算高压井标准状态下的实际气体体积量：

(4)同理，按上述步骤计算出中压井和低压井标准状态下的实际气体体积量：

V中=438.38 m3(中压井标准状态下的实际气体体积量)

V低=244.73 m3(低压井标准状态下的实际气体体积量)

(5)储气井总存量：V高+V中+V低=507.64+438.38+244.73=1 190.75 m3

B、管柱型管组CNG存量计算

(1)按公式(1)计算管柱型管组标准状态下的理想气体体积量V标管：

(2) 查表(1)的天然气压缩因子速查表，得：

(3) 按公式(2)计算管柱型管组标准状态下的实际气体体积量：

C、储气井和管柱型管组储气总库存量为：

CNG总库存量=1 190.75+1 960.95=3 151.70 m3

1.1.3 CNG存量估算法计算及误差分析

(1)估算法计算公式为：

V存=储气容器容积(V)×压力(p)×10

(3)

式中：10——人为设定的换算系数。

(2)例1中，若按公式(3)计算得：

1号高压井CNG存量=

2×20.14×10=402.80 m3

2号中压井CNG存量=

2×17.15×10=343.00 m3

3号低压井CNG存量=

2×10.08×10=201.60 m3

储气井CNG总存量=

402.80+343.00+201.60=947.40 m3

管柱型管组CNG存量=

15×11.00×10=1 650.00 m3

CNG总库存量=

947.40+1 650.00=2 597.40 m3

(3) 估算法计算与准确计算的误差为：

绝对误差=2 597.40-3 151.70=-554.3 m3

最大相对误差=(-554.3)/3 151.70×100 %=17.6 %

由此可见，加气站日盘或月度盘，采用估算法计算储气井和管柱型管组的CNG存量，会产生非常大的误差。

1.2 CNG储气质量的准确计量

1.2.1 CNG密度准确计量

(1)CNG密度准确计量步骤

a.第一步，按公式(4)计算理想气体的密度：

(4)

其中：ρ0(t,p)——理想气体的密度；

R——摩尔气体常数是8.314 510 J/(mol·K)；

T——绝对温度，℃；

Xj——组分j的摩尔分数；

Mj——组分j的摩尔质量。

b.第二步，按公式(5)计算真实气体压缩因子：

(5)

其中：Zmix(t,p)——真实气体的压缩因子；

Zj——组分j的压缩因子(见表2)。

c.第三步，按公式(6)计算真实气体的密度：

(6)

其中：ρ(t,p)——真实气体的密度。

表2 天然气各组分在标准状态下的压缩因子

注：标准状态20 ℃，101.325 KPa。

(2)CNG密度准确计量案例。

例2：某加气站在盘存时抄录的相关数据为：管柱型管组总储气容积V管为15 m3、压力p管为11.00 MPa、CNG温度为25.0 ℃，某CNG加气站盘存取样的CNG质量检验报告见表3，求该CNG的密度。

表3 某CNG加气站天然气组成检验结果

解：a. 第一步，按公式(4)计算理想气体的密度:

ρ0(t,p)=[101.325×1 000/(8.314 510×293.15)]×(0.01×4.002 6+0.67×28.013 5+0.64×44.010+98.64×16.043+0.04×30.070)/100=677.9(g/m3)=0.677 9 kg/m3

b.第二步,按公式(5)和表2和表3数据计算真实气体压缩因子：

c.第三步，按公式(6)计算真实气体的密度：

ρ(t,p)=0.677 9/0.998 08=0.679 2 kg/m3

1.2.2 CNG质量准确计量案例

CNG质量准确计算公式为：

M真=V×ρ(t,p)

(7)

式中：M真——气体的真实质量，kg；

V——标准状态下的实际气体体积量，m3。

例3：求例2盘存中管柱型管组储气总质量为多少kg？

解：管柱型管组盘存时的数据及体积计算同例1，故管柱型管组标准状态下的实际气体体积量为：V管=1 960.95 m3，密度计算见例2：

ρ(t,p)=0.679 2 kg/m3

按公式(7)计算得：M真=1 960.95×0.679 2=1 331.88 kg

1.2.3 CNG质量估算法计算及误差分析

(1)估算法计算公式为：

M估=V存×0.700 0

(8)

式中：M估——气体的估算质量，kg；

V存——用公式(3)计算的体积量(估算法)，m3；

0.700 0——人为设定的CNG固定密度，kg/m3。

(2)例3中，若按公式(8)计算：

管柱型管组CNG存量V存=15×11.00×10=1 650.00 m3

M估=1 650.00×0.700 0=1 155.00 kg

(3)估算法计算与准确计算的误差为：

绝对误差=1 155.00-1 331.88=-176.88 kg

最大相对误差=(-176.88)/1 331.88×100 %=13.28 %

由此可见，加气站日盘或月度盘，采用估算法计算储气井和管柱型管组的CNG质量，将产生非常大的误差。

2 LNG储罐储量的准确计量

2.1 LNG密度准确计量

2.1.1 LNG密度准确计量步骤

(1)盘存时，按取样要求，取LNG储罐中的液样，进行质量检验，并取得质量报告。

(2)盘存时，在SCADA控制系统中抄录LNG储罐的温度。

(3)根据质量报告和相关修正因子表，按公式(9)计算LNG的密度：

(9)

式中：Xi——i组分的摩尔分数，(mol/mol)%；

Mi——i组分的摩尔质量，kg/kmol；

Vi——i组分的摩尔体积，m3/kmol；

Vt——组分在温度t混合时的缩小体积，m3/kmol。

其中Vt可由(10)式计算。

Vt=[k1+(k2-k1)XN2/0.0425]XCH4

(10)

式中：k1、k2——修正因子，修正因子K1和K2查询详见表4、表5；

XN2——组分N2的摩尔分数，%；

XCH4——组分CH4的摩尔分数，%。

表4 修正因子k1查询表 m3/kmol

表5 修正因子k2查询表 m3/kmol

2.1.2 LNG密度准确计量案例

例4：某加气站，LNG储罐容积为54 m3，盘存时在SCADA控制系统中抄录的相关数据为：储罐LNG温度为-158.7 ℃，液位为1 000 mm(水柱10.0kPa)，LNG储罐气相压力为0.8 MPa,气相温度为-80 ℃。取样后的质检验报告见表6，求LNG密度。

LNG组分参数表(-158.7 ℃)见表6。

表6 LNG组分参数表(-158.7℃)

解：(1)根据质检报告(见表6)，计算LNG组分摩尔质量和摩尔体积：

∑XiMi=14.735 50+2.044 76+0.383 64+0.087 18+0.063 94+0.072 2+0.058 83=17.381 06 kg/kmol

∑XiMi=0.035 205+0.300 326 8+0.000 545+0.000 116+0.000 086+0.000 009+0.000 101=0.039 329 m3/kmol

(2)再通过查表4、表6(内插法查表)，求得修正因子k1、k2：

查表4计算修正因子k1

求-160 ℃，∑XiMi=17.381 06对应的k1

(17.381 06-17)=0.000 286 21 m3/kmol

求-155 ℃，∑XiMi=17.381 06对应的k1

(17.381 06-17)=0.000 327 64 m3/kmol

求-158.7 ℃，∑XiMi=17.381 06对应的k1

(-158.7-160)=0.000 297 m3/kmol

查表5计算修正因子k2

求-160 ℃，∑XiMi=17.381 06对应的k2

(17.381 06-17)=0.000 54 m3/kmol

求-155 ℃，∑XiMi=17.381 06对应的k2

(17.381 06-17)=0.000 74 m3/kmol

求-158.7 ℃，∑XiMi=17.381 06对应的k2

(-158.7+160)=0.000 592 m3/kmol

(3)按公式(10)计算组分在温度t(-158.7 ℃)混合时的缩小体积：

Vt=[0.000 297+(0.000 592-0.000 297)×0.21%/0.042 5]×91.85%=0.000 286 2 m3/kmol

(4)按公式(9)计算LNG的密度：

ρt=17.381 06/(0.039 329-0.000 286 2)kg/m3=445.2 kg/m3

2.2 LNG储罐储存质量的准确计量

2.2.1 LNG储罐准确计量步骤

(1)盘存时，按取样要求，取LNG储罐中的液样，在SCADA控制系统中抄录LNG储罐的温度、压力与液位高度。

(2)按2.1条“LNG密度准确计量步骤”，计算出储罐LNG的密度。

(3)修正容积(m3)=液容积×容积修正系数。

(4)修正密度(g/cm3)=液密度-空气浮力修正系数(1.1 kg/m3)。

(5)液体库存量(t)=修正容积×修正密度。

(6)气体容积(m3)=储罐全容积(N)-液容积(H)。

(7)气体修正系数=气体容积/(273+气体温度)×(1.033+压力)×相对分子量×修正密度/(液密度×11.798)。

(8)气体库存量(t)=气体容积×气体修正系数/1 000。

(9)液化气库存量(t)=液体库存量+气体库存量。

2.2.2 LNG储罐准确计量案例

例5：某LNG加气站，盘存时在SCADA控制系统中抄录的相关数据见例4，LNG天然气各组分的摩尔质量见表6，54 m3立式低温液体储罐液位换算表见表7(见检定证书)，LNG储罐容积温度系数参照表见表8(见检定证书)，求液体库存量、气体库存量和LNG储罐液化气总库存量。

表7 54 m3立式低温液体储罐液位换算表

表8 储罐容积温度系数参照表

解：(1)由1 000 mm水柱和液位换算表(表7)得，V液容积=9.481 m3

由-158.7℃和温度系数参照表(表8)得：

(-158.7+158.6)=1.000 065

修正容积V液=V液容积×K1=9.481×1.000 065=9.482 m3

(2)LNG密度ρ液=0.445 2 g/cm3(见例4)，空气浮力修正系数K2=0.001 1 g/cm3

修正密度ρ修正=ρ液-K2=0.444 1g/cm3

(3)液体库存量M液=V液×ρ修正=9.482×0.444 1=4.211 t

(4)气体容积V气=V罐-V液=54-9.482=44.518 m3

(5)相对分子量M分子量=16.043×0.918 5+30.070×0.068+44.097×0.008 7+58.123×(0.001 5+0.001 1)+72.150×0.000 1+28.014×0.002 1=17.381

储罐气相压力p压=0.8×106/(9.8×10 000)=8.163 kg/cm2

气体修正系数K3=V气/(273.15+T气)×(1.033+p压)×M分子量×ρ修正/(ρ液×11.798)=44.518/(273.15-80)×(1.033+8.163)×17.381×0.444 1/(0.445 2×11.798)=3.115

(6)气体库存量M气=V气×K3/1 000=44.518×3.115/1 000=0.139 t

(7)LNG储罐液化气总库存量M总=M液+M气=4.211+0.139=4.350 t

2.2.3 LNG重量估算法计算及误差分析

(1)估算法计算公式为：

M液=V液容积×430.0

(11)

式中：M液——LNG储罐液体的估算重量，kg；

V液容积——LNG储罐液位对应的容积，m3；

430.0——人为设定的LNG固定密度，kg/m3。

估算法计算就没有考虑LNG储罐内气化的天然气重量，密度也是预先人为设定的。

(2)例5中，若按公式(11)计算得：

LNG储罐液体的估算重量M估=9.481×430.0=4 077 kg=4.077 t

(3)估算法计算与准确计算的误差为：

绝对误差=4.077-4.350=-0.273 kg

最大相对误差=(-0.273)/4.350×100 %=6.28 %

由此可见，加气站日盘或月度盘，采用估算法计算LNG储罐液体的重量，会产生非常大的误差。

3 结束语

(1)笔者基于3个相关国家标准并结合加气站盘存实际情况，提炼出加气站储气(液)罐(井)准确盘存计量的方法、程序、计算公式与计算系数表，计量准确，对规范加气站的盘存计量工作及提高加气站盘存的准确性与减少大损大溢，具有实际指导意义。

(2)文中盘存计量的案例说明，目前加气站储罐储气(液)量的“盘存估算法”未考虑温度、压力、密度、组分等因素的影响，使计量误差非常大，故应采用基于相关国家标准的准确计算法。

(3)基于当前加气站盘存计量标准与制度相对滞后及准确计算的复杂性，建议相关部门尽快研究并制定储气(液)罐(井)盘存计量的行业标准或企业制度，并开发准确的计算软件，以规范加气站盘存计量，避免人为的大损大溢。