在线色谱数据共享在天然气计量中的应用

曹洪超

(天然气榆济管道分公司，山东 济南 250000)

天然气组分是天然气计量中的基本参数[1]，天然气组分值的偏差程度直接影响着计量数据的准确度[1-4]。在天然气输送场站，气相色谱分析仪被应用于天然气组分的实时检测，实时组分值经由色谱分析仪与流量计算机的通信链路，即可参与流量计算机的在线计量，从而有效地降低了各组分实时测量值偏差引起的天然气计量误差。

1 色谱分析仪在天然气场站中的应用

1.1 气相色谱分析仪的原理

气相色谱分析仪基于不同物质在两相间具有不同的分配系数原理[5]，当试样在固定相与流动相之间充分作用分配并达到平衡后，试样中的各组分即可被分离出来。分配系数是指物质在两相中分配达到平衡时的质量分数比值，也称平衡常数，用K表示。在恒定的温度下，K为常数：

(1)

式中： ω1，m1，V1——分别为试样在固定相中的质量分数、质量、体积；ω2，m2，V2——分别为试样在流动相中的质量分数、质量、体积；k=m1/m2，β=V2/V1。

1.2 在线色谱分析仪在输气场站中的应用现状

为最大限度地实现天然气贸易交接的公平、公正，在输气场站的计量系统中开始引入在线气相色谱分析仪，用于管线输送天然气的实时组分检测[6]，确保天然气交接计量中体积修正的更加准确。目前在国内外重要输气管网的首末站及大型站中均配置了在线色谱分析仪，比如中亚管线、西气东输、川气东送、陕京线、榆济管线等。

在线色谱分析仪应用于天然气计量时，多与超声波流量计配套使用。二次计量仪表将接收的在线色谱分析仪的实时组分信号及现场一次仪表的工况流量信号，修正计算后再得到标况流量值，同时实时组分值在超声波流量计的自诊断[7-11]过程中也起到了重要作用。

2 在线色谱数据共享在计量中的应用

在单气源供气的情况下，1条输气管线首末站设置的在线色谱分析仪基本可满足天然气计量要求，但随着输气管线的不断改扩建，多气源混输的情况开始出现，且气源混输比例存在实时变化的情况，导致了天然气组分持续变化并存在波动范围较大的现象。在色谱分析仪设置受限的场站，为提高计量准确度并保证贸易交接的公平、公正，在线色谱数据共享便显得尤为重要。

2.1 在线色谱数据共享

以具备SCADA功能的榆济天然气管线为例，清丰站与柳屯站为该管线混输支线的2座输气场站，2座输气场站均可接入管线的SDH光纤通信网络或租赁的DDN网络，清丰站设置了在线色谱分析仪，柳屯站未设置色谱仪，且该站气源均来源于清丰输气站。基于长输管线调控中心与远端子站(清丰/柳屯站等)的SDH/DDN通信网络，利用调控中心协议转换服务器读取并协议定点分发清丰站的在线色谱分析仪实时组分值数据，可实现柳屯站流量计算机接收并共享清丰站的在线色谱实时组分信号。在线色谱数据分发共享通信拓扑结构如图1所示。

图1 在线色谱数据分发共享通信拓扑结构示意

2.2 在线色谱数据共享的通信配置

在线色谱分析仪、流量计算机与调控中心通信稳定的情况下，将支持Modbus协议的在线色谱分析仪各组分值信号，在调控中心的协议转换服务器中配置实时定点分发协议，从而实现组分值的实时共享功能。在接收共享数据的输气站PLC程序中，增加自动分发与手动输入切换功能程序段，即可保证数据下发异常时第一时间采取手动修改的方式进行修正，从而有效地确保共享数据的准确率。

3 在线色谱数据共享有效提高计量准确度

在线色谱作为天然气实时组分检测的有效途径[2， 4]，有效地确保了参与实时计量的组分值的准确性，因此它在提高计量准确度方面发挥了显而易见的作用。

3.1 天然气组分对计量准确度的影响分析

假定管输天然气的工况绝对压力为p1，工况温度为T1，压缩因子为Z1，那么天然气的标况体积流量qV(N)表示为

(2)

式中：qV1——工况体积流量；pN，TN，ZN——标准状况下该天然气的绝对压力、温度、压缩因子。

某次计算取榆济管线清丰站某时刻的天然气组分作为样气1，样气1的组分数据见表1所列；将表1中的CH4的摩尔分数减少0.5%，C6+的摩尔分数增加0.5%，同时保持其他组分值不变，此时的样气作为样气2。其次，选取柳屯站出现最多的运行工况作为该次计算的工况条件，具体参数包括： 压力为2.8 MPa、温度为8.0 ℃、天然气流速为12 m/s、计量直管段内径为250 mm。依据AGA8-92DC中压缩因子计算公式，采用绝对压力收敛计算[12-13]，即可得出压缩因子，然后联合式(2)可求得： 样气2的标况体积流量比样气1偏大约0.45%。样气中各参数的测算见表2所列。

表1 样气1的组分数据 %

表2 样气各参数测算值统计

3.2 在线色谱数据共享效果评价

将在线色谱分析仪数据分发共享至柳屯站后，柳屯站超声波流量计声速核查[14-16]偏差率范围由0.021%～0.480%(采用固定组分值时)缩小至0.019%～0.160%，即偏差率波动范围迅速降为原始值的30%左右，从而有效地提高了计量准确度，确保了贸易交接的公平、公正。在线色谱数据共享前后的声速核查曲线如图2所示。

图2 在线色谱数据共享前后声速核查偏差曲线示意

由图2可以看出，数据共享前最大偏差值发生在8 h处，偏差率为0.48%；最小偏差值发生在5 h处，偏差率为0.021%。数据共享后最大偏差值发生在15 h处，偏差率为0.16%，仅为共享前最大偏差率的约33%；最小偏差值发生在20 h处和24 h处，偏差率为0.019%，与共享前的最小值持平。

4 结束语

1)依托输气管网的SDH/DDN通信网络，在调控中心协议转换服务器中进行分发协议配置，可便捷地实现在线色谱分析仪实时组分数据的定点分发与共享，从而提高了在线色谱实时组分在天然气计量中的利用率。

2)在一定的工况条件下，天然气组分值是影响天然气压缩因子的唯一因素，因此在线色谱提供的实时组分值将直接决定天然气计量的准确度。在未设置在线色谱分析仪的输气站引入临近气源点的实时组分值参与在线计量，可显著提高计量准确度，该方案实施便捷，易推广。