液化天然气贸易交接计量分析

吴丹 时晟楠 罗再扬（大庆油田设计院有限公司）

液化天然气（以下简称LNG）是一种战略天然气，在长距离输送的情况下，更经济地替代管道天然气。事实上，在过去的几十年里，无论是管道天然气还是液化天然气的运输，全球市场都在增长。预测到2050 年，液化天然气贸易与其他能源类别相比将有更快的增长。中国自2006 年开始进口LNG，现在已经成为全球最大的LNG 进口国，国内LNG 接收站项目也呈现飞速发展趋势，已建成了深圳大鹏、福建、大连、天津、江苏等20 余处LNG接收站，且有更多的接收站项目正在建设或筹备。

LNG 在管道内运输过程中容易气化造成计量误差，因此不能使用简单的体积法来计量，目前国际上多采用能量计量作为结算方式，计算天然气组分中能产生能量的组分在标准参比条件下的能量[1]。LNG 在不同工况、不同结算方式下都会引起计量误差，通过探讨LNG 贸易交接计量的现状，分析引起计量误差的主要因素，并针对LNG 动态计量存在的问题进行研究，研究结论对国内LNG 贸易交接计量的发展具有重要意义。

1 LNG 国际贸易计量

国际上船舶运来的LNG 通常以液体形式在LNG接收站进行到岸贸易计量，船舶提供的舱容表作为交接凭据，体积计量的不确定度估算值和实际操作值存在差异[2]。通过LNG 船贸易交接计量系统计量卸货总体积、返舱天然气体积、压力值、温度值、单位热值和密度值，计算出卸货的LNG 总能量。LNG 完成接收后，一部分气化后通过流量计动态计量进入管网，另一部分通过低温流量计动态计量或汽车衡计量后用汽车、船舶运输给下游用户。

1.1 LNG 船舱计量

LNG 船舱计量与原油静态计量类似，通过测量储罐的液位等参数来计算其体积，再用密度来计算质量。使用LNG 船上的贸易交接系统对贸易交接开始和结束时船舱的液位、温度、压力进行测量，作为结算的基础数据。贸易交接前，要保持储罐的蒸气压力一致，输送管线无论是装载还是卸载，都应达到相同的体积条件[3]。

通过液位计测量液位，液位计的安装位置应不受LNG 波动影响，其基准点下限要满足在装载前或卸载后可以对储罐的液位进行测量。首先，分别用贸易交接系统对卸载前和卸载后的液位连续读取5次，每次间隔15 s，取算术平均值作为船舱的液位。其次，对平均值进行修正后再进行体积值换算。最后，卸载前和卸载后体积差即为交接LNG 的体积。其中，对液位平均值修正值的影响因素包括液位计的精确度、船舱温度测量系统、船舱压力测量系统[4]。

船舱温度测量系统，至少有5 个温度传感器用于测定LNG 的液相和气相温度。LNG 储罐内外存在温差，为了确定其温度参数，需对船舱内每个LNG储罐内的温度测量装置的数据读取一次，取其算数平均值。船舱压力测量系统，测量船上储罐中蒸气压力，每个储罐应配备一个压力计或压力变送器与压力计的组合装置，同样计算平均值作为船舱储罐LNG 压力数据依据。

1.2 取样分析

取样分析是能量计量中最重要的环节。在岸上设置LNG 取样分析系统，卸载过程中连续采集LNG气化后的天然气作为样品，通过气相色谱分析仪分析天然气组分，根据组分分析结果计算样品的密度和单位质量热值，再结合船上体积计量，得出LNG总热值。通过来自LNG 接收站内的返回天然气的组分，来计算返船天然气的总能量，最终LNG 到港热值为两者之差[5]。

但是，LNG 属于超低温的液体混合物，温度和压力变化都会引起LNG 气化，LNG 取样结果就会受到影响。为了确保取样参数满足性能要求，应将装置的取样探头安装在LNG 主管线的上部，保持与主管线的轴心线垂直，选取管道中心作为探头插入最佳位置。

1.3 能量计算

根据贸易交接过程中两次船舱计量的数据，以及具有代表性样品的色谱分析数据，结合贸易双方约定的标准（例如：ISO6578），可以计算出LNG 的液态密度、单位热值、卸载能量以及卸载质量等数据[6]。至此，一次完整的LNG 贸易计量基本上完成，所得数据可用作贸易结算的依据。船舱计量计算方法为：

式中：Q为总热值，MJ；V1iq为LNG 液体体积，m3；Hs,m是LNG 的质量总热值，MJ/kg；Ts是标准参考温度，288.15 K；Tvap是储罐气相空间温度，K；Pvap为储罐气相空间压力，kPa；Ps是标准参考压力，101.325 kPa；Hs,vol是气体体积热值，MJ/m3。

2 LNG 国内贸易计量

LNG 的国内贸易没有统一的计量体系支撑，通常都是按照LNG 质量进行贸易结算，组分分析也只作为买方核查产品质量的依据。LNG 在国内的贸易计量形式包括槽车外运形式、LNG 汽车加注站形式以及气化后外输的形式。

2.1 LNG 槽车外运计量

LNG 槽车加注计量，利用槽车称重计量LNG 的加注量进行结算。槽车加注前后在同一地秤上称量的质量差为LNG 的加注量。要实现LNG 槽车能量计量，就需要在进入槽车充装管线的总管处，增设在线色谱分析仪，通过实时分析LNG 组分，根据标准规范计算出质量热值，即可算出每车重量所对应的能量[7]。计算方法为：

式中：Hmi为组分i的质量热值，MJ/kg；m为槽车装车质量，kg；xi为组分i的摩尔分数，%；Mi为组分i的摩尔质量，kg/mol。

LNG 槽车自重约为30 t 左右，每次加注量约为24 t，两者量级一致，由于地秤使用环境条件较差，这将导致LNG 加注量的准确度大大降低。目前，为了提高槽车加注计量准确度，已经开展了流量计替代地秤计量的相关研究。

2.2 LNG 汽车加注站计量

LNG 汽车加注站目前使用的LNG 汽车加注机内的流量计多数为科里奥利质量流量计。由于加注过程导致车辆储罐内压力升高，会有部分气体通过气体返回管线回到汽车加注站内的储罐中，所以LNG加注量等于液相来液管线与气相返回管线的两个质量流量计计量之差。流量计在使用过程中，要保持较高的稳定性，避免不必要的振动，以保持计量准确性。同样，要实现LNG 汽车加注能量计量，也需要增设在线色谱分析仪，完成LNG 组分分析。

2.3 LNG 气化后外输计量

LNG 气化后计量与天然气相同，采用气体流量计测量体积流量，应用最普遍的流量计为超声波流量计。通过色谱分析仪分析的组分来计算LNG 气化后的总热值。计算公式[8]为：

式中：为组分i的体积热值，MJ/m3；Zmix为LNG 输送在计量参比条件下的压缩因子；VNG为天然气的体积，m3。

以上三种形式的LNG 国内贸易计量对比见表1所示。

表1 LNG 国内贸易计量形式Tab.1 Measurement form of LNG domestic trade

综上所述，LNG 国内外贸易计量大多数采用静态计量，LNG 计量用流量计类型主要是超声流量计和质量流量计。在贸易结算方式上存在差异，国外按照能量计量方式结算，国内依据质量进行贸易结算，没有统一的计量体系。随着LNG 动态计量技术的发展，对未来完善LNG 贸易交接计量体系具有重要意义。

3 LNG 动态计量现状

3.1 流量计计量性能影响因素分析

国际上，LNG 贸易都是采用长期销售合同，其计量的主要方式是基于LNG 运输船舱液位测量进而转换成体积测量的静态计量；而LNG 动态计量技术近年来发展快速，已经在现货交易、船－船贸易交接中应用。目前应用于LNG 这种超低温、低润滑性、高雷诺数液体的过程计量仪表有超声波流量计和科里奥利质量流量计。下面分别对两种流量计在LNG 计量应用中影响计量准确度的影响因素进行分析。通过对某公司超声流量计进行检测分析，得到的示值误差曲线如图1 所示。

图1 某公司超声流量计示值误差曲线Fig.1 Indicating value error curve of ultrasonic flowmeters for a company

从图1 看出，7 月超声流量计示值误差接近超差，查找原因是LNG 介质脏污造成探头脏污而致流量超差。根据研究分析，可以通过对超声流量计的安装细节进行改进，如将超声换能器安装在倾斜45 度角的方向上面，就会避免脏污堆积，减小计量误差。另外环境噪声、信号衰减、介质密度不均匀等，都会造成超声流量计计量误差。

科里奥利质量流量计是通过测量科里奥利力来直接测量质量流量的方法，可直接测得LNG 的交接质量。在LNG 计量过程中影响质量流量计计量准确度的因素[9]如表2 所示。

表2 质量流量计计量准确度的影响因素Tab.2 Factors influencing the measurement accuracy of mass flowmeter

通过以上分析，超声流量计和质量流量计都存在安装因素影响计量准确度的问题，因此，在提升流量计自身计量性能的同时，也要从安装等外界条件方面入手，降低对LNG 流量计量的影响，此项工作对于未来LNG 动态计量发展具有重要意义。

3.2 流量计检定方法现状

贸易交接用质量流量计和超声流量计均是通过液体流量标准装置进行检定，量值最终溯源到相应的国家基准。目前，液体流量计通常使用水作为介质进行检定，水和LNG 的物性差别较大，对流量计检定结果存在一定影响，从而会降低动态计量的准确性。

在国外，一方面LNG 超声流量计大多采用激光多普勒的方式进行量值核查，保障流量计的准确性，但该方式不符合我国国家液体流量计量器具检定系统表的规定，无法完成量值溯源；另一方面各国也在积极开发LNG 实流检定装置，具体内容如表3 所示。

表3 LNG 实流检定装置现状对比Tab.3 Comparison of current status for LNG real flow calibration equipment

虽然质量流量计和超声波流量计用于液体计量的工业标准已经发布多年，但是并没有专门的标准适用于低温烃类计量，也没有工业普遍认可的、有相应标准支持的流量计检定方法[10]。到目前为止，开发的LNG 实流检定装置均作为实验测试应用，对温度和压力、密度变化补偿、检定装置容积、天然气气化等影响因素问题尚未解决。所以，LNG 计量用流量计检定方法还需要针对以上问题进行研究，保证流量计溯源的准确性。

4 结束语

针对目前液化天然气贸易交接计量的现状，从LNG 国际贸易计量、LNG 国内贸易计量和LNG 动态计量三方面进行了探讨，得出如下结论：

1）LNG 动态计量用流量计类型包括质量流量计和液体超声流量计，除了自身计量性能需要提升以外，安装等外界条件也是影响LNG 动态计量准确性的重要因素。

2）LNG 动态计量的应用受LNG 流量计检定方法制约的同时，还受温度和压力、密度变化补偿、检定装置容积、天然气气化等因素影响。

3）开展LNG 动态计量用流量计以及检定方法的研究，研发LNG 在线实流检定装置，应用于贸易交接计量，对未来国内LNG 贸易交接计量采用能量计量方式结算，完善计量体系，将会发挥出重要作用。