商品乙烷体积计量交接方式评价

晁宏洲,方林剑,程会武

1.中国石油塔里木油田分公司 油气运销部 （新疆 库尔勒 841000）

2.新疆巴州塔里木能源有限责任公司 （新疆 库尔勒 841000）

目前我国的天然气贸易交接采取体积计量的方式，很多油气田企业尽可能利用天然气生产高附加值的中间产品，把深加工利益留在企业。X油田除了对凝析气凝液分馏生产LPG和稳定轻烃外，还进一步从产品气中分离出乙烷用作裂解制乙烯的原料。在乙烷回收工厂和裂解制乙烯工厂之间需要进行商品乙烷的贸易交接计量，计量技术部门讨论研究了商品乙烷的计量方式问题，以期提供正确的计量技术方案。

1 体积计量方式及其存在问题

1.1 计量系统

以体积单位计量，是我国气体贸易交接的习惯。气态乙烷属于天然气的组分，设计者自然沿用天然气的计量方式。项目方案中为提高交接计量的准确度，根据GB/T 18604—2014《用气体超声流量计测量天然气流量》［1］设计了超声计量系统。利用高准确度的超声流量计测工况体积，配备高准确度的压力和温度变送器，并配套在线色谱仪检测天然气组分含量，各项参数在流量计算机里完成标况体积计算。

1.2 存在问题

根据GB/T 18603—2014《天然气计量系统技术要求》［2］，天然气工况体积Vf转化标况体积Vn可以通过密度ρ或通过压力P、温度T和压缩因子Z转化。以上几类参数中，Vf、P、T均为仪表实际测量值，ρ、Z均通过在线或离线色谱仪测得天然气组分数据后根据相应的标准方法计算得到。ρ、Z是天然气流量测量中非常重要的两个物性参数，在天然气工况体积Vf转化标况体积Vn上具有等同的作用。

天然气物性计算依据的技术标准主要有两个：GB/T 17747.2—2011《天然气压缩因子的计算第2部分：用摩尔组成进行计算》[3]，修改采用了国际标准ISO 12213—2:2006《天然气.计算压缩因子第2部分:利用摩尔成分分析计算》，用于工况条件下的天然气物性参数计算；GB/T 11062—2014《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》[4]，修改采用了国际标准ISO 6976:1995，用于标况条件下的天然气物性参数计算。

GB/T 17747.2—2011标准规定了天然气、含人工掺合物的天然气和其他类似混合物仅以气体状态存在时的压缩因子计算方法。该计算方法用已知天然气的摩尔分数组成和相关压力、温度计算天然气的压缩因子，摩尔分数大于0.000 05的所有组分都必须在计算中考虑，所有组分加和应为（1±0.000 1）。该计算方法是基于扩展的维利方程，通常需要迭代求解，又称为AGA8-92DC计算方法，主要应用在输气和配气正常进行的压力和温度范围内的管输气，计算不确定度约为0.1%。

GB/T 17747.2—2011标准规定，AGA8-92DC计算方法对管输气的应用范围如下：绝对压力0≤P≤12 MPa；热力学温度263 K≤T≤338 K；高位发热量30 MJ/m3≤ HS≤45 MJ/m3，相对密度0.55≤d≤0.80。标准还对天然气中各组分的摩尔分数范围做出规定，见表1。

表1 天然气中各组分摩尔分数适用范围

在天然气的输配气环节，工艺条件一般都能满足压力和温度范围。当天然气中部分组分摩尔分数超出表1的数值范围时，如果能满足GB/T 17747.2—2011标准规定的“更宽的应用范围”，则压缩因子计算不确定度变大，计算性能可查阅标准“附录E更宽范围的应用效果”。附录E中分别给出了计算高含N2、CO2、C2H6、C3H8天然气压缩因子时不确定度的估计范围。在天然气组分摩尔分数超出标准规定的“更宽的应用范围”时，则压缩因子计算不确定度将无法估计。

GB/T 11062—2014标准规定了已知用摩尔分数表示的气体组成时，计算干天然气、天然气代用品和其他气体燃料的高位发热量、低位发热量、密度、相对密度及沃泊指数的方法，对于以体积为基准的物性计算，该方法仅限于组成中CH4摩尔分数不小于0.5的天然气。同时对天然气中除CH4外其余可能出现的各组分的含量也有所限制。通常N2的摩尔分数不应超过0.3；CO2和C2H6的摩尔分数均不超过0.15；其他组分的摩尔分数不应超过0.05。在此条件下，计算值的不确定度才可确保在0.1%之内。

而本次乙烷回收项目的商品乙烷组分浓度与以上两项天然气物性参数计算标准适用的组分浓度相差非常大，ρ、Z计算的不确定度将难以估计。商品乙烷计量工艺条件见表2。

表2 商品乙烷计量工艺条件表

2 体积计量误差计算

2.1 方法概述

因为商品乙烷的摩尔组成严重偏离标准规定的ρ、Z计算方法的适用范围，物性参数计算的不确定度不能得到较准确的评定，但利用专业的天然气气质计算软件，通过把商品乙烷的摩尔组成调整到满足标准计算方法适用的边界条件，便可以计算出体积计量结果的误差范围。利用专业软件根据表2列出的计量工艺条件计算出商品乙烷的ρ、Z两项参数，见表3。

式中：qe(mg/g)表示吸附量；Ce(mg/L)表示平衡浓度；a(mg/g)表示最大吸附量；b表示Langmuir系数，与吸附质和吸附剂之间的亲和力相关联[9]。

表3 商品乙烷计量工艺条件下的物性计算数据表

根据GB/T 18603—2014《天然气计量系统技术要求》，天然气标况体积计算的一种方法是在工况体积的基础上，通过密度转换，见公式（1）。

式中：Vn为天然气标况体积，m3；Vf为天然气工况体积，m3；ρf为天然气工况密度，kg/m3；ρn为天然气标况密度，kg/m3。

从公式（1）可以看出，工况体积Vf可以通过超声流量计准确测得，商品乙烷标况体积Vn的误差全部来源于ρf和ρn两个参数，计算不准确。

在工况体积Vf相同的情况下，通过比较实际组分情况与将组分调整到满足标准计算方法边界条件情况下的商品乙烷（ρf/ρn）关系，可以得到商品乙烷组分不满足物性计算标准而造成的计量误差的上、下限值。

根据GB/T 18603—2014标准，天然气标况体积计算的另一方法是在工况体积的基础上，通过压力P、温度T和压缩因子Z转换，见公式（2）。

式中：Pf为天然气工况压力，MPa；Pn为天然气计量参比条件下的压力，MPa；Tn为天然气计量参比条件下的温度，℃；Tf为天然气工况条件下的温度，℃；Zn为天然气标况压缩因子；Zf为天然气工况压缩因子。

从公式（2）可以看出，工况体积Vf、压力P、温度T可以通过超声流量计、压力变送器、温度变送器准确测得，计量参比条件下的压力Pn、温度Tn为常数，标况体积Vn的误差全部来源于Zf和Zn两个参数，计算不准确。

在工况体积Vf、压力P、温度T相同的情况下，比较商品乙烷在实际组分情况下与将组分调整到满足标准计算方法边界条件情况下的（Zn/Zf）关系，可以得到因商品乙烷组分不满足物性计算标准而造成的计量误差的上、下限值。

由公式（1）、（2）可以看出，（ρf/ρn）、（Zn/Zf）代表天然气在工况条件下被压缩的程度和偏离理想气体特性的程度，也就是工况体积偏离标况体积的程度。将商品乙烷中的几种组分按照偏离程度的从大到小进行排序，为CH4，CO2，C2H6，C3H8，C4H10。按照从前到后的顺序将以上排序中除C3H8、C4H10外的各组分摩尔分数调整满足密度和压缩因子标准计算方法的最大值，全组分归一化超出部分再用CO2调整，计算出ρ和Z两个参数；通过与商品乙烷实际组分计算出的ρ和Z两个参数作对比，可以得到商品乙烷采用体积方式计量的最大误差。相反地，按照从后到前的顺序将以上排序中除CH4外的各组分摩尔分数调整满足密度ρ和压缩因子Z标准计算方法的最大值，全组分归一化剩余部分计入CH4（在CH4含量不达标时，从其相邻组分补足），计算出ρ和Z两个参数；通过与商品乙烷实际组分计算出的ρ和Z两个参数做对比，可以得到商品乙烷采用体积方式计量的最小误差。

2.2 误差最大值

表4 商品乙烷中偏离较大的组分摩尔分数调整至GB/T 17747.2—2011允许最大值后的新组成及物性计算表

由表4知，（Zn1/Zf1）=1.054 00与商品乙烷实际的（Zn/Zf）=1.194 12相比较，从压缩因子计算的角度，可以得到商品乙烷体积计量最大误差为13.294%。

按照GB/T 11062—2014中规定的各组分摩尔分数最大值，对商品乙烷中偏离较大的组分做调整，调整后的气体组成及物性参数计算结果见表5。

表5 商品乙烷中偏离较大的组分摩尔分数调整至GB/T 11062—2014允许最大值后的新组成及物性计算表

由表5知，（ρf1/ρn1）=20.091 8与商品乙烷实际的（ρf/ρn）=22.671 7相比，从密度计算的角度，可以得到商品乙烷体积计量最大误差为12.840%。

2.3 误差最小值

按照GB/T 17747.2—2011中规定的各组分摩尔分数最大值，对商品乙烷中偏离较小的组分做调整，调整后的气体组成及物性参数计算结果见表6。

由表6，（Zn2/Zf2）=1.059 13与商品乙烷实际的（Zn/Zf）=1.194 12相比较，从压缩因子计算的角度，可以得到商品乙烷体积计量最小误差为12.745%。

按照GB/T 11062—2014中规定的各组分摩尔分数最大值，对商品乙烷中偏离较小的组分做调整，调整后的气体组成及物性参数计算结果见表7。

由表7知，(ρf2/ρn2)=20.513 1与商品乙烷实际的（ρf/ρn）=22.671 7相比较，从密度ρ计算的角度，可以得到商品乙烷体积计量最小误差为10.523%。

表6 商品乙烷中偏离较小的组分摩尔分数调整至GB/T 17747.2—2011允许最大值后的组成及物性计算表

表7 商品乙烷中偏离较小的组分摩尔分数调整至GB/T 11062—2014允许最大值后的组成及物性计算表

2.4 误差范围

对商品乙烷体积计量误差值从压缩因子计算的角度考虑，得到的误差范围是12.745%～13.294%；从密度ρ计算的角度，得到的误差范围是10.523%～12.840%。两种计算结果近似但不完全相同，原因在于两个标准中规定的天然气组成摩尔分数的限定条件不完全相同，而且为尽可能保证误差模拟计算结果与实际情况相符，保留了其中含量轻微的部分组分摩尔分数的原始值，而调整后的其他组分也不能全部达到误差最大值和最小值计算的边界条件。

如果改变商品乙烷的体积计量方式，依据SY/T 6659—2016《用科里奥利质量流量计测量天然气流量》［5］标准，采用气体质量流量计直接测量商品乙烷的质量作为交接结算的商品量，则不存在工况与标况流量的转换，而且避免了由于物性参数压缩因子和密度计算不准确带来的误差。

3 结论与建议

1）商品乙烷采取体积计量方式，可以得到准确的工况体积，但在工况体积转化标况体积计算过程中产生很大误差，原因在于物性参数计算不准确。

2）商品乙烷的组成不满足GB/T 17747.2—2011和GB/T 11062—2014中限定的压缩因子和密度的计算方法适用范围，故物性参数计算不确定度不能保证。

3）利用专业的天然气气质软件模拟计算，从压缩因子和密度计算的角度得到商品乙烷体积计量产生的误差范围分别是12.745%～13.294%和10.523%～12.840%，计算结果证明商品乙烷的体积计量方式不合理。

4）我国尚未发布商品乙烷计量方法标准，在沿用天然气计量方式时，需注意组分摩尔浓度对天然气物性计算方法的适用性。

5）建议对商品乙烷采取质量计量方式交接，可以规避体积计量的不准确，也更适合乙烷制乙烯化工装置的物料平衡核算。我国尚未发布商品乙烷交接计量系统准确度要求的标准规范，建议交接双方参照天然气计量系统技术要求，结合计量工艺条件，协商制订公平、合理满足实际需求的计量交接协议。