液化天然气动态贸易交接计量研究

王 浩 李 丽

(中海油研究总院，北京 100027)

在LNG供销产业链中，其存储、分销或者消费的总量计量对LNG贸易交接的公平结算来说十分重要。由于LNG密度和体积对温度及压力等环境因素非常敏感，且LNG计量设备存在内、外温差，LNG在设备和管道内容易汽化，而LNG汽化的比例过大会造成明显的计量误差。因此，相对于天然气及原油等能源的贸易计量，LNG的贸易计量不确定性最高[1]。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(即在线实时流量计量)技术近年来发展快速，已经在现货交易、船-船贸易交接和小型LNG液化场站至FPSO贸易交接中应用[2]。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(科式)质量流量计。

现阶段，国外针对LNG贸易交接计量领域的研究包括：测试评估基于液位测量的LNG贸易计量系统的不确定度；设计用于检定LNG流量计的标准装置，应用该装置对科里奥利质量流量计进行常温和超低温标定；将激光多普勒测速仪用于体积测量[3]；将超声波流量计和科式质量流量计作为比对计量表用于与LNG运输船和陆地接收站罐舱计量的比对；提高LNG组分测量精度；减少LNG密度和热值测量中的不确定度等。

笔者总结了国外对LNG流量计标定研究的现状，并结合国内对LNG计量的需求，分析了国内LNG动态贸易交接计量研究的方向。

1 LNG静态计量现状①

LNG静态计量与油品的静态计量类似，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。不同之处在于所使用的设备和方法受到极低温度的限制，在能量计量方式中，还要计算发热量和能量。LNG输运船舱液位偏差引起的体积不确定度值与交接过程中的实际不确定度值的比较见表1。需要注意的是不确定度计算需考虑多因素影响，包括：LNG液位测量不确定度，LNG采样不确定度，BOG采样不确定度，校准样气不确定度，气相色谱测量不确定度，LNG各组分热值不确定度，温度和压力测量的不确定度。

表1 LNG输运船储罐容积得到的LNG计量不确定度与实际操作值对比 %

理论上，由国际LNG进口商组织 (International Group of Liquefied National Gas Importers，GIIGNL)(http://www.giignl.org/)发布的LNG贸易交接手册中，估算体积计量的不确定度约为±0.21%(与LNG输运船舱的结构和船型有关)；而实际操作中的体积不确定度值不会小于±0.30%，总不确定度约±0.64%[2]；此外，静态计量在交接过程中缺少独立的第三方标定装置对液位计量表进行校准。

而LNG在线计量(即动态计量)技术近年来发展迅速，已经在现货交易、船-船贸易交接和小型LNG液化场站至浮式生产储油卸油(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)贸易交接中应用[3]。目前，动态计量中的难点在于对流量计的标定。针对这一问题，欧洲国家计量院协会 (European Association of National Metrology Institutes，EURAMET)(http://www.euramet.org/)进行了欧洲度量衡研究项目(EMRP)，其中一个子项目就包括了针对动态计量标定方法和流量计标定装置的研究(Metrology for LNG)，其目的在于提高LNG贸易交接计量的准确度，降低计量结果的不确定度。

2 国外LNG流量计标定的研究现状

2.1 荷兰计量研究所

在EMRP的子项目中，由荷兰计量研究所(Dutch Metrology Institute，VSL)开展的LNG计量研究采用称重法来标定深冷环境下的科里奥利质量流量计，即比较待标定流量计的流量读数与流入称重罐的总量之间的质量误差[4]，其最终目标旨在将用此方法标定过的流量表作为主表来校准其他量程或其他原理的流量计[5]。如图1所示，荷兰计量研究所用于标定科里奥利质量流量计的深冷系统中包括1.0m3的深冷存储罐和0.5m3的深冷称重罐，可以用于标定DN50mm口径的科里奥利质量流量计。

图1 VSL的标定系统示意图

荷兰计量研究所采用液氮和LNG来标定质量流量计，最大测量流量均为5.0kg/s。该套装置可以校准质量流量计和液体超声波流量计。在现研究阶段，荷兰计量研究所主要采用该装置找出并定量分析深冷流量计标定过程的汽化损失、管线内残留损失及计时点等不确定因素。到目前为止，VSL已经持续研究LNG计量标准和标定设备有近五年的时间。

2.2 美国国家标准与技术研究院

美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)设计的流量计标定设备(图2)同样基于称重原理。到目前为止，NIST设计的实验设备使用水和液氮作为介质来标定质量流量计，其中NIST液氮的最大测试流量为9.0kg/s。

图2 NIST的标定系统示意图

2.3 英国NEL公司

英国NEL公司(http://www.tuvnel.com/)设计并制造了一套小型深冷LNG计量与标定装置(图3)研究深冷环境下的温度、流量和单相物流的稳定性。该装置可以通过控制阀调节LNG的流量，实际测试中的压力、温度和流量值均达到了良好的稳定性[1]。英国NEL公司旨在通过该套装置积累LNG标定装置的设计和制造经验，并计划在未来几年制造出工业级应用的标定装置。

图3 NEL标定系统示意图

荷兰计量研究所、美国国家标准与技术研究院和英国NEL公司所设计的标定装置性能对比见表2。

3 超声波流量计作为比对计量表的应用

表2 3家计量标定机构设计的LNG标定装置性能对比

图4 双声道DN800mm超声波流量计作为 比对计量表在Enagas项目中的应用

CAMERON Caldon液体超声波流量计已在多个项目中作为比对计量表或内部分配计量表使用，包括阿拉斯加Kenai、卡塔尔Ras Laffan、印度Dahej及阿尔及利亚Arzew等项目中。卡塔尔Ras Laffan港是全世界最大的LNG出口港，从2008年至今使用了25台冗余四声道Caldon超声波流量计作为内部分配计量表[7,8]。图5为Caldon超声波流量计在卡塔尔Ras Laffan工业城中应用的示意图。

图5 Caldon超声波流量计在Ras Laffan 分配计量中的应用

4 LNG动态计量的应用制约

对国外LNG流量计标定的研究和现阶段几个厂家超声波流量计的应用调研结果表明：目前应用在LNG计量的科式质量流量计和超声波流量计的重复性值已达到贸易交接水平，甚至质量流量计±0.125%的测量重复性比传统的船舱计量结果更准确。质量流量计的优势在于能够直接得到质量值而不需要测量密度，但是受限于口径和压损；超声波流量计需要进行密度计算(采用Klosek-McKinley或Costald法)，但是没有口径和压损的限制，在大流量应用时可供选用。

将流量计用于LNG贸易交接计量的主要障碍在于：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，亦没有工业普遍认可的、有相应标准支持的流量计标定方法。虽然用于LNG在线测量的流量计重复性已经达到±0.125%，但是流量计表系数仍然需要可溯源的准确度值，即没有标定的流量计标系数会出现严重的偏差。此外，用于LNG计量的流量计标定还需要克服多个障碍：包括温度改变补偿、标定装置容积、天然气汽化的消除和密度变化。

5 结束语

基于静态计量的LNG贸易交接在实际操作中的重复性无法令人满意，导致贸易摩擦并给贸易双方带来经济损失；采用基于流量计的LNG动态贸易交接计量方法伴随着在线LNG标定方法的确定和相关标准的建立，动态交接将逐渐取代目前基于液位的LNG静态贸易交接计量。

对于深水、远海天然气藏开发，采用浮式LNG生产系统(Floating Liquefied Natural Gas，FLNG)与相同规模的、通过天然气管道输送到陆上的终端处理方案相比，投资降低，建设工期缩短，液化天然气更利于储存，FLNG将在可预见的未来被投入使用。伴随着在线LNG贸易交接计量技术的成熟，将LNG动态贸易交接计量和标定装置设置在FLNG船上，高效、准确地进行LNG贸易交接计量会成为LNG计量的新发展方向。