LNG接收站能量计量的实践

董龙伟，梁子鹉

国家管网集团北海液化天然气有限责任公司（广西 北海 536000）

0 引言

能量计量自美国天然气加工者协会1980年提出天然气交接计量和结算发热量准则以来[1]，能量计量被广泛应用于欧洲和北美的一些国家[2]。随着我国经济的快速发展，天然气的消费量日益增长[3]，近5年国内天然气消费量的增长率达到了10%[2]。液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为全球能源交易商品其交易量仅次于石油，其需求量持续增长[4]。天然气的能量计量、热值结算作为天然气国际通用贸易结算方法在我国还未全面开展应用。我国除中国香港、中国台湾以及海洋油田的部分实现了外输天然气采用能量计量以外，国内天然气的计量仍然为体积计量[5-6]。随着我国在线计量分析设备的国产化应用，可以预测在未来数年内能量计量将在我国得到快速的发展与应用。

目前，国内外学者对天然气的能量计量进行了大量的研究。Attari研究了天然气的能量计量及接收站开展能量计量所面临流体模型和流量计算机技术发展解决测量精度的问题[7]。Jaeschke进行了天然气的热力学研究，设计并提出了一种新的能量计量系统其结果符合率在0.05%以内[8]。国内学者罗勤提出了天然气能量计量在我国应用的可行性分析并指出我国需建设天然气质量控制及能量计量重点实验室[9]。黄坤等人研究了在能量计量模式下LNG接收站的发热量调整工艺[10]。当前国内天然气能量计量的研究多集中于LNG接卸船在15℃、101.325 kPa工况下的能量计量。国家管网集团北海LNG接收站按照《油气管网设施公平开放监管办法》以及国家管网集团相关要求，首次开展LNG接卸及加工外输的能量计量的实践。本文将重点研究在20℃、101.325 kPa工况下的接卸船的能量计量，通过能量计量的基本原理分析，结合GB/T 11062—2020《天然气 发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》优选了校正因子k1、k2及摩尔体积vi的取值，统一了LNG接收站进、出站的能量计量工况，并对北海LNG在实施能量计量过程中所取得的经验进行总结。研究成果可为国内其他LNG接收站进行能量计量实践提供参考。

1 能量计量的基本原理

能量计量即为计量系统的输出量可以是能量单位，其值是气体的量与发热值的乘积[11]。LNG的能量计量与天然气的能量计量相似，即其计量热值为LNG的质量乘以其单位质量热值[12]。按LNG的状态不同分为：液化前、气化前和气化后[13]。LNG液化前、气化后的能量计量与天然气相同。液化后的能量计量分为静态计量和动态计量。动态计量在设备上需采用耐低温的液体流量计，由于其低温技术限制其应用范围较小[14]。目前，国内LNG接收站在卸船能量计量时多采用静态计量[15]。

1.1 LNG接卸船的能量计量

在LNG运输船的接卸计量时通常采用静态计量，即通过测量LNG运输船储罐的液位并对其液位进行温度、纵倾、横倾的修正计算液态的体积，分析获得来船LNG的组分。按照ISO 6578—2017《冷冻碳氢化合物液体静态测量计算程序》冷冻烃液静态测量计算方法计算来船LNG的密度、气化率以及质量热值[16]。通过液态的体积乘以密度获最终接卸质量。用该质量乘以质量热值获得接卸LNG的总热值。接卸船能量计量所采用的公式如下所示[16]：

式中：Q为总热值，MJ；ρ为LNG的密度，kg/m3。Vlip为LNG液体的体积，m3；Hs,m为LNG的质量总热值，MJ/kg；Ts是标准参考温度，288.15 K；Tvap为LNG运输船内储罐气相空间的温度，K；Pvap为LNG运输船内储罐气相空间压力，kPa；Ps为标准参考压力101.325 kPa；Hs,vol为气体的体积热值，MJ/m3；xi为组分i的摩尔分数，%；M i为组分i的摩尔质量，kg/mol；vi为组分i的摩尔体积，m3/kmol；Vc为混合组分的缩小量，m3/kmol；x1为LNG中甲烷的摩尔分数；x2为LNG中氮气的摩尔分数；k1为因烃的存在产生的校正因子，m3/kmol；k2为因氮气的存在产生的校正因子，m3/kmol。

1.2 LNG气化外输的能量计量

LNG气化后的能量计量属于管道天然气计量[13]。通常采用超声波流量计测量体积，用在线色谱分析组分，通过组分计算体积热值[17]，由天然气的体积乘以体积热值获得总热值。根据GB/T 11062—2020规定，天然的体积热值计算如下[18]：

式中：H0s,vol为混合物的理想气体体积热值，MJ/m3；Zmix输送在计量参比条件下的压缩因子；H0i为组分i的体积热值，MJ/m3；VNG为天然气的体积，m3。

1.3 LNG槽车充装的能量计量

LNG槽车的能量计量即采用LNG槽车的装车质量乘以质量热值。其中，LNG槽车的装车质量通过汽车衡获取；质量热值通过在线色谱分析组分，由组分计算质量热值。计算方法如下所示[16]：

式中：Hmi为组分i的质量热值，MJ/kg；m为LNG槽车的装车质量，kg；Hs,m的LNG质量热值，MJ/kg。

2 北海LNG接收站能量计量的实践

北海LNG接收站自投产以来接卸船计量均采用15℃、101.325 kPa工况下的能量计量。天然气外输采用超声波流量计进行能量计量；由于槽车外运无法直接获取能量数据，成为北海LNG接收站实现能量计量的瓶颈。2020年12月，北海LNG接收站对装车系统进行改造，将低压总管的在线色谱数据导入能量计量模块，实现槽车外输能量计量，由此成为国家管网集团首个实现能量计量的接收站。

2.1 北海LNG接卸船能量计量

目前，国内LNG接收站存在采用15℃、101.325 kPa接卸船能量计量与采用20℃、101.325 kPa能量计量外输工况不统一的问题。国内LNG接收站在接卸船能量计量时通常采用国际标准（101.325 kPa，15℃）[19]。在天然气外输计量时则采用国内标准（20℃、101.325 kPa）。两者计量工况存在差异，导致最终的计量总热值不同。

北海LNG接收站梳理研究国内外卸船计量相关标准规范，比选不同标准卸船计量参数的取值，并在终端使用协议（Terminal Use Agreement，TUA）合同中将接卸船能量计量统一为20℃、101.325 kPa工况。ISO 6578—2017标准只提供计算15℃、101.325 kPa下热值的数据[16]，而我国的标准为20℃、101.325 kPa。北海LNG接收站结合GB/T 11062—2020与ISO 6976—2016《天然气 热值密度相对密度和成分的沃泊指数的计算》[20]标准，利用Hmi（组分i的质量热值，MJ/kg，以甲烷为例）、M i（组分i的分子的量，kg/mol，以甲烷为例）、k1、k2、vi不同取值的6种组合（表1），分别计算LNG运输船的接卸质量、热值以及密度等参数。通过质量、热值及密度的对比，确定了北海LNG接收站20℃、101.325 kPa工况下的能量接卸船计量。

利用表1组合的取值，应用公式（1）分别计算对应条件下的质量、热值以及密度，见表2。

表1 接卸船参数不同取值的组合

表2 接卸船参数不同取值的结果对比

分析表2可知，参数Hmi、M i、k1、k2、v i不同的取值，其对应的接卸船质量、热值、密度均呈现变化趋势的一致性，即质量、热值、密度其中的一项为增长，剩余两项均是增长趋势。通过与国内各托运商（中石油、中石化、中海油、新奥等）多方协商，并对TUA合同中计量条款进行验算，优化公式（3）中k1、k2，以及公式（2）中vi的取值，确定采用组合3进行20℃、101.325 kPa接卸船能量计量，即采用k1、k2的温度间隔为2℃，v i温度间隔为2℃，统一了能量接卸船的计量。

以北海LNG接收站某月份的接卸船为例，分别计算了6艘LNG运输船在15℃、101.325 kPa与20℃、101.325 kPa工况下的质量、热值，比较两者的差值，其计算结果见表3。

表3 15℃和20℃的质量与热值

采用15℃、101.325 kPa接卸计量与采用20℃、101.325 kPa接卸计量在接卸质量、热值方面均存在差异。在接卸质量方面20℃、101.325 kPa接卸计量大于15℃、101.325 kPa接卸计量，其差值的平均值为5.16 t。在接卸热值方面20℃、101.325 kPa接卸计量小于15℃、101.325 kPa接卸计量，其差值的平均值为1 535 GJ。

图1 在线取样与在线色谱安装位置示意图

北海LNG接收站在接卸船能量计量采用贸易交接测量系统（CTMS）监控、记录及处理LNG运输船上所有测量信息（包括液位、温度、压力、纵倾和横倾等）[21]，同时在卸料总管处安装在线取样系统及在线分析系统（两套ABB在线色谱）。通过在线连续取样，实验室内色谱分析并与在线色谱进行比对，确定来船LNG的组分。由组分计算质量热值、气化率。接卸船在线取样系统及在线分析系统安装位置示意图如图1所示。

2.2 北海LNG气化外输的能量计量

北海LNG接收站天然气外输计量系统设有5路超声波流量计及流量计算机。在天然气总管上安装了在线气体分析仪（2台连续气相色谱仪）。通过在线色谱分析外输天然气的组分由公式（4）计算天然气体积热值。通过超声波流量计测的外输天然气的体积，应用公式（6）计算总热值。

2.3 北海LNG槽车外运的能量计量

北海LNG接收站利用汽车衡、在线色谱等设备并通过DCS系统增加能量计量模块实现槽车外运的能量计量。北海LNG接收站内配备4台电子汽车衡，低压总管处配备LNG在线色谱。通过对低压总管LNG组分分析计算质量热值等相关数据。

槽车充装全过程需40 min，充装流量曲线呈梯形，在充装的前5 min流量逐渐上升至匀速状态，其匀速状态维持30 min。北海LNG接收站采用槽车匀速状态（30 min）作为有效装车时间，采用其对应的气化率及质量热值。根据槽车汽车衡称重得到的质量与色谱分析计算获得的平均气化率、质量热值相乘，获得每台槽车LNG的质量、气态体积及总热值。

3 结束语

北海LNG接收站对各托运商采用能量计量主要是利用来船LNG的总热值来计算各托运商的总库存，每日外输计算各托运商的外输热值和剩余库存。在未来LNG接收站实施能量计量仍需开展如下工作。

1）LNG接收站的计量月度盘库方式由传统的质量盘库过渡到能量盘库。

2）确定了k1、k2的温度间隔为2℃，vi温度间隔为2℃，统一了20℃、101.325 kPa接卸船能量计量。

3）在接卸计量过程，20℃、101.325 kPa接卸计量卸货质量大于15℃、101.325 kPa接卸计量，卸货热值20℃、101.325 kPa接卸计量小于15℃、101.325 kPa接卸计量。

4）LNG接收站20℃、101.325 kPa能量接卸船计量的制定，填补了国内LNG接收站20℃、101.325 kPa能量接卸船计量的空白，为国内其他LNG接收站能量计量的建设提供了依据。