LNG接收站到港贸易交接计量误差及影响因素分析

2022-03-02杨书忠殷丽秋李皓月谢英孟瑾

石油与天然气化工 2022年1期

杨书忠殷丽秋李皓月谢英孟瑾

1.中石化天津液化天然气有限责任公司 2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学

随着我国经济的高速发展，天然气的需求迅速增长，需要大量进口液化天然气(LNG)来弥补天然气的供需缺口，因此，LNG接收站作为LNG供应链的中转站，起到承上启下的作用[1]。LNG船到港贸易交接是LNG接收站大宗国际贸易交接的主要方式，为了保证LNG接收站公平公正的贸易交接，需要对LNG到港交接进行快速、准确地贸易量计量。因此，各个环节都配备有计量仪器，其计量的准确性直接影响到LNG接收站贸易计算的准确性。由此，需要研究LNG接收站的到港贸易交接计量误差及影响因素。

1 LNG到港贸易交接计量方式

历时几十年的发展，国内外的LNG接收站的LNG到港贸易交接已渐渐地形成了一套较为完善的计量技术体系，国际标准化组织更新发布了ISO 6578：2017《冷冻碳氢化合物液体静态测量-计算程序》，国际液化天然气进口商集团(International Group of Liquefied Natural Gas Importers，GIIGNL)于2017年发布了第四版《液化天然气交接手册》，结合相关测量的国际标准提供的方法，为LNG贸易交接提供了系统性的技术支持。从使用价值方面来看，目前LNG多用于燃料燃烧，用户的需求是发热量，因此使用发热量单位作为LNG的计量和结算方式更为合理。在国际市场上，LNG的计量和结算方式一般也都是采取发热量单位[2-4]。首先，通过LNG船上配备的交接计量系统(CTMS)，分别测量出卸船前和卸船后船舱内的液位、气相和液相温度、气相压力和纵倾/横倾值，间接计算出船舱内LNG体积，卸船体积量就等于卸船前的体积减去卸船后的体积。在这个间接计算过程中，系统是通过货舱的液位和货舱舱容计量表来计算得出货舱内的LNG体积。每艘到港货船均带有配备的船舱容量表，通过货舱液位与体积的一一对应关系，得出货舱内LNG的体积。

在卸船过程中，为了平衡船舱内的压力，需要从LNG储罐内返回部分蒸发气。同时，LNG运输船经常在开通和关停CTMS之间的卸载操作期间，在其机舱内使用天然气作为发动机的燃料。因此，在确定到港交接量时，需要扣除返回的气体及发动机消耗的燃料气。再对LNG气化及取样、返舱天然气取样，通过LNG组分分析系统确定出天然气的组成，计算出LNG密度、LNG单位质量发热量及返舱天然气发热量。然后，通过CTMS系统测得的船舱内气相的温度和压力，计算出返舱天然气的体积，再通过返舱天然气的发热量，计算出返舱天然气的总发热量。

最后，利用前面计算出的卸船体积量、LNG密度、LNG单位质量发热量计算出卸船天然气的发热量，将其减去返舱天然气发热量及卸船过程中船上发动机消耗的发热量，就得出LNG到港贸易交接总发热量。

2 LNG到港贸易交接量的确定方法

LNG到港整个交接过程需要得到LNG接收站代表、船方代表、国家检验检疫局和第三方检验人员共同见证[5]。测量LNG装卸前各货舱的液位、温度、压力、纵倾、横倾，将各货舱所测得的参数经过横倾度、纵倾度、器壁膨胀(或收缩)、温差、密度差等必要的校正后，在舱容计量表中查出卸货前船舱中的液相体积。卸货完成后，经过检查具备计量条件后，再次按照上述方法对船舱进行测量并在舱容计量表中查出卸货后船舱中剩余的液相体积。根据卸货前后的液体体积，计算出所卸载LNG的液体体积，见式(1)。

VLNG=V1-V2

(1)

式中：VLNG为卸载的天然气液相体积，m3；V1为卸货前船舱中天然气的液相体积，m3；V2为卸货后船舱中天然气的液相体积，m3。

在岸上设置LNG取样分析系统，全速卸货过程中连续采集LNG气化后的天然气作为样品，通过在线或实验室的气相色谱分析仪分析天然气组分[6]，根据组分分析结果计算样品的密度和单位质量发热量，再结合船上体积计量，得出LNG总发热量。

根据ISO 6578:2017，LNG的密度计算见式(2)[7]。

(2)

式中：DLNG为LNG在温度T(T为装货后或卸货前船舶货舱内液体的平均温度，℃)时的密度，kg/m3；xi为i组分的摩尔分数，%；Mi为i组分的摩尔质量，kg/kmol；Vi为i组分在温度T时的摩尔体积，m3/kmol；k1、k2为温度T时液体体积缩减的校正系数，m3/kmol；xN2为氮气的摩尔分数，%；xCH4为甲烷的摩尔分数，%。

LNG质量高位发热量通过式(3)进行计算[8]：

(3)

式中：GLNG为LNG质量高位发热量，kJ/kg；xi为组分i的摩尔分数，%；Gi为LNG中组分i的质量高位发热量，kJ/kg；Mi为i组分的摩尔质量，kg/kmol。

再扣除返舱蒸发气(BOG)的发热量，以及在整个卸船过程中发动机对天然气的消耗量[9]。最终，LNG到港贸易交接总发热量由式(4)计算得到。

Q=(VLNG·DLNG·G气)-EBOG-E发动机

(4)

式中：Q为LNG到港贸易交接总发热量，MJ；G气为船舱内气体的质量高位发热量，MJ/m3；EBOG为返舱BOG的总发热量，MJ；E发动机为LNG船发动机消耗的天然气发热量，MJ。

EBOG的计算公式见式(5)[10]：

(5)

式中：V1为返舱BOG的体积，与交易的LNG体积相同，m3；tv为卸货后船舱内BOG的平均温度，℃；ts为参比温度，通常为标准温度，即15 ℃；pv为卸货后船舱内BOG的平均压力,kPa；ps为参比压力，通常为标准压力，即101.325 kPa。

E发动机计算公式如式(6)：

E发动机=Vg·G气

(6)

式中：Vg为LNG船发动机消耗的总气量，由燃烧炉计量仪表测得，m3。

将VLNG、DLNG、G气、EBOG、E发动机的计算公式代入式(4)，得到LNG到港贸易交接总发热量的计算公式，见式(7)：

(7)

式中:Hs,v,i为BOG总发热量,MJ;Sj为混合物的体征体积，m3/km。

3 LNG到港贸易交接计量误差的计算方法

LNG的国际贸易计量是一个包含了各种复杂、繁琐，且需严谨准备的系列工程。首先涉及到分子量、体积、密度、发热量等基本概念，但这些量又需要按照不同贸易合同规定的不同标准进行取值和计算。同时，还涉及到现场取样、登轮测量、实验室分析化验，以及对船岸计量系统和装置的标定、校验，测量装置精确度的规定，货物取样程序的详细规定和实施，货物气体和液体温度及压力的数据读取和测量的规范,对样品色谱分析的程序和规范，测量装置发生故障时的应急措施[5]。因此，LNG到港贸易交接计量是一个间接测量值，其误差的影响因素复杂、多变，且是多方面的[11]。

间接测量值是通过与各直接测量值之间的关系式进行计算而求得，由于各直接测量仪器的准确度、测量条件及测量方法等多种因素的影响[12]，使得测量得到的直接数据(如液位、压力、温度、组分等)带有误差，通过带有误差的直接数据计算得到的间接值也必然存在误差，即存在误差的传递，因此，间接测量值的误差是各直接测量值误差的函数[13]。已知各直接测量值误差，根据误差的传递理论，就可计算出间接测量值的误差。

间接测量值计算公式如式(8)：

y=f(x1,x2,…,xn)

(8)

式中：y为间接测量值；x1、x2，…,xn为直接测量值。

对于多元函数，其增量可用函数的全微分来表示，则式(8)的函数增值dy计算公式如式(9)：

(9)

若已知各直接测量值的系统误差为：Δx1，Δx2，…，Δxn，且这些误差值Δxi皆较小，可用来近似代替上式中的微分量dxi。因此，可近似得到函数的系统误差，计算公式如式(10)：

(10)

式(10)称为函数的系统误差传递公式，采用该误差传递公式，不仅可以得到间接测量值y的计量误差，还能得到间接测量值计量影响因素产生误差占总误差的比例，有助于整体误差分析比较[14]。

根据上式及到港计量设备的相关资料，通过分析LNG到港贸易交接量的计算公式，影响贸易交接能量的因素变量主要有：贸易交接的LNG体积、LNG各组分摩尔分数、船舱气相的温度、船舱气相的压力、LNG船发动机耗气量。

设贸易交接的LNG体积测量误差为ΔVLNG；船舱气相的温度测量误差为ΔtV；船舱气相的压力测量误差为ΔpV；气相色谱仪各组分测量误差为Δxi。其中，LNG组分中其他组分测量误差对最终计算结果影响几乎可以忽略不计，因此只考虑甲烷测量误差ΔxCH4、乙烷测量误差ΔxC2H6和LNG船发动机耗气量测量误差ΔVg。因此，对LNG到港交接量计算公式中各影响因素误差进行迭代，由函数的系统误差传递公式得到LNG到港贸易交接计量误差计算公式，见式(11)。

(11)

式中：ΔVLNG为LNG接收站到港交接的LNG体积测量误差，m3，由液位测量误差根据船舱容量表计算；Δtv为返舱气体温度测量误差，°C；Δpv为返舱气体压力测量误差，kPa；ΔxCH4为LNG组分中甲烷摩尔分数测量误差，%；ΔxC2H6为LNG组分中乙烷摩尔分数测量误差，%。

根据卸船过程中的各项运行数据，即可计算到港交接计量误差值。

4 实例计算

根据某LNG接收站，某次LNG船到港，船舱LNG温度为-159.4 ℃，LNG卸货体积为156 041 m3，船舱气相温度为-138.0 °C，船舱气相压力为111.5 kPa，其LNG组成见表1，发动机耗气量为26.05 m3，卸船时间为10.5 h，计算得到了该船卸船工况条件下贸易交接计算值(见表2)。

表1 LNG组成y/%甲烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷氮气93.414.581.240.350.320.010.000.09

现有的关于天然气压缩因子的计算方法，还不能很好地解决-160～-140 ℃的天然气压缩因子的准确计算的问题。若在常温条件下，压力也接近大气压时，其压缩因子接近于1，即其影响可以忽略。

根据LNG船舱内的直接测量仪表相关资料，计算得到到港计量中各个计算参数(见表2)。

表2 LNG船到港贸易交接计算值参数计算结果参数计算结果∑XiMi/(kg·kmol-1)17.331 091LNG发热量/MJ3 808 120 770∑XiVi/(m3·kmol-1)0.039 255 6返舱气发热量/MJ13 831 576k1/(m3·kmol-1)0.000 282 43发动机耗气发热量/MJ1 447 677k2/(m3·kmol-1)0.000 523到港贸易交接发热量/MJ3 792 841 517LNG密度/(kg·m-3)444.535 2到港贸易交接发热量/MMBUT3 594 919.62LNG单位质量发热量/(MJ·kg-1)54.899 2到港贸易交接质量/t69 087.405返舱气单位发热量/(MJ·kg-1)37.781到港贸易交接体积/m3155 414.920

LNG船的每个液货舱都配备了1套主液位测量装置和1套辅助液位测量装置[15]，主液位测量装置采用雷达液位计，辅助液位测量装置采用浮子液位计，以mm为最小单位，雷达液位计的液位测量误差为±5 mm，浮子液位计的液位测量误差为±(5～10)mm。主液位测量装置发生故障时使用辅助液位测量装置，因此，正常运行时是雷达液位计进行船舱液位测量，则船舱液位计的测量误差为±5 mm。

每个液货舱都设置有5个温度传感器，其中1个用于测量BOG的温度，其余用于测量LNG的温度。舱顶和舱底各安装1个温度传感器[16]，分别用于连续测量BOG和LNG的温度。其余的温度传感器垂直平均分布在舱顶与舱底之间。气相温度传感器的测量误差为±0.2 ℃，液相温度传感器的测量误差为±0.2 ℃。

每个液货舱都配备1个绝对压力变送器(用于交接计量计算)和1个相对压力变送器(用于实际操作)，用绝对压力变送器测量液货舱气相空间的压力，用其计算置换液体体积的返舱气体的能量[17]，绝对压力变送器的测量误差为±0.1 kPa。

LNG样品通过气相色谱分析仪进行组成分析，分析方法采用在线色谱分析[18]，液相LNG组成测量误差为0.05%，发动机耗气量采用超声流量计计量，根据船上的流量计铭牌得到超声流量计测量准确度为0.75%。

根据船舱内各个直接测量仪表的测量误差及卸船工况下直接测量仪表的测量值[19]，采用前面介绍的LNG到港贸易交接计量误差的计算方法，计算出了该次船的到港贸易交接计量误差(见表3)。

表3 LNG船到港贸易交接计量误差到港贸易交接计量误差计量误差占贸易量比例/%总发热量误差/MJ±555 107总质量误差/t±10.111总体积误差/m3±22.7460.015

从前面的LNG到港贸易交接计量误差公式可看出，影响LNG到港贸易交接计量误差的因素有：船舱内液位计准确度引起的液态体积测量误差引起的计量误差；气相温度变送器准确度引起的温度测量误差引起的计量误差；气相压力变送器准确度引起的测量误差引起的计量误差；发动机耗气测量误差引起的计量误差；气相色谱仪准确度引起组分测量误差引起的计量误差，由于LNG中主要成分为甲烷，其次为乙烷，其他各组分含量较少，因此，只需考虑甲烷和乙烷测量误差引起的计量误差。

采用LNG到港贸易交接计量误差计算公式，计算出了各个影响因素产生的计量误差占总误差的比例(见表4)。

表4 各个影响因素测量误差及占总计量误差的比例引起LNG到港计量误差的因素测量误差/MJ占总误差比例/%液态体积测量引起的误差±311 24456.07返舱气温度测量引起的误差±20 4683.69返舱气压力测量引起的误差±11 2732.03发动机耗气测量引起的误差±10 8581.96LNG中甲烷含量测量引起的误差±174 93731.51LNG中乙烷含量测量引起的误差±26 3274.74

从表4可看出，船舱内液位计测量和气相色谱仪测量对LNG到港贸易交接计量误差影响很大，船舱液位计测量造成的误差占总误差的56.07%，LNG组成测量造成的误差占总误差的36.25%，由于LNG中甲烷含量较高，甲烷测量造成的误差占总误差的31.51%。然后，影响顺序依次为返舱气温度误差、发动机耗气误差、返舱气压力误差。

表5 各船到港贸易交接计算值及到港计量误差船次贸易交接发热量/MJ贸易交接质量/t贸易交接体积/m3发热量误差/MJ质量误差/t体积误差/m3误差占贸易交接发热量比例/%13 258 198 80158 746.800139 372.900±313 016±5.644±13.3900.009 623 526 805 96664 478.596142 161.384±464 001±8.483±18.7030.013 233 553 574 43164 951.188143 376.990±545 384±9.968±22.0050.015 343 557 431 31665 230.289141 722.295±574 507±10.534±22.8870.016 253 712 510 96867 531.332153 045.792±494 136±8.988±20.3700.013 363 422 670 37561 747.271146 344.356±235 017±4.240±10.0490.006 973 670 164 71066 750.013151 137.286±515 374±9.373±21.2230.014 083 553 661 00864 509.459146 581.861±537 776±9.762±22.1820.015 193 876 906 12070 961.106156 837.919±570 227±10.437±23.0680.014 7103 030 003 55654 621.654129 594.282±174 741±3.150±7.4740.005 8113 529 478 09264 504.048142 479.291±468 385±8.560±18.9080.013 3123 535 468 94264 630.139142 716.755±544 822±9.960±21.9930.015 4

同样，按照前述方法计算出了该LNG接收站的其他12次到港船的贸易交接计算值(包括发热量、质量及体积)、到港计量误差及到港计量误差占贸易交接发热量的比例(见表5)，各船各个影响因素产生的误差占总误差的比例，如表6所列。

从表5可看出，LNG到港贸易交接计量误差占贸易量比例基本在0.009 6%～0.016 2%之间，其平均值为0.012 7%。因此，可以认为该LNG接收站到港贸易交接计量误差占贸易交接发热量的比例为0.012 7%，即到港贸易交接计量可能产生的最大误差为到港贸易交接热量的0.012 7%。

表6 各船到港贸易交接引起计量误差的各个因素产生的误差占总误差的比例%船次液态体积测量误差返舱气温度测量误差返舱气压力测量误差发动机耗气测量误差LNG中甲烷含量测量误差LNG中乙烷含量测量误差182.537.493.458 76.324 00.125 00.077 5241.014.452.197 13.768 043.965 64.607 5349.784.492.032 22.522 037.215 33.955 5448.743.751.708 91.024 741.458 23.316 7554.755.292.344 01.172 131.212 85.237 4678.299.434.636 34.946 22.018 30.680 0759.604.472.083 00.000 029.103 94.747 0853.874.542.179 21.858 730.722 06.829 3949.654.342.049 61.103 738.255 14.601 61071.9511.935.801 58.893 81.208 40.214 41140.564.752.307 24.849 742.886 84.640 91249.814.322.0412.504 037.309 94.012 0

从表6可看出，液态体积测量引起的误差最大，其次是组成测量误差，然后依次为返舱气温度误差、发动机耗气误差、返舱气压力误差。