多气源管网天然气发热量赋值计算方法研究

刘婉莹 刘志嫱 艾素萍 张国民 唐 健

白马湖实验室

0 引言

我国2020 年天然气消费量约3 200×108m3，同比增长4.2%，占一次能源消费总量的10%，虽然天然气消费受新冠疫情冲击受到一定程度影响，但从长期趋势上仍保持快速增长态势。随着我国天然气消费规模持续增长以及进口天然气占比越来越大，能量计价与按体积计价之间的矛盾越来越突出[1］。混输的天然气热值品质不同，计量单位不统一，不仅影响我国天然气市场国际化进程，也不利于油气管道基础设施第三方准入的实施。国外在上世纪80 年代便开始提出进行天然气能量计量贸易交接[2］。政府相关部门制定了《油气管网设施公平开放监管办法》于2019 年5 月24 日起施行，其中指出，油气管网设施开放后，混输的天然气热值品质不同，采用能量计量方式有利于准确计量、体现公平，减少结算纠纷[3］。因此，为适应当前我国天然气产业快速发展的需要，天然气计量采用能量计量方式势在必行。

1 基于溯源上下游的可变赋值算法

基于溯源上下游的管网天然气能量赋值算法具体溯源思路如图1 所示，出口气体由上下游管段气体混合而成，因而其组分取决于上下游管段气体组分及管段流量，而上下游管段气体组分与上下游有效节点气体组分相同，上下游管段流量取决于上下游管段压差、节点用户下载量及管段结构特性，因而其赋值算法的不确定性只涉及上下游管段，增加了赋值算法的可靠性[4］。

图1 基于溯源上下游的管网天然气能量赋值算法溯源思路

1.1 赋值算法基本理论

基于局部天然气管网赋值算法的溯源思路可知，待求气体组分CB与上下游管段压差（上下游管段节点压力Pi）、上下游节点用户下载量Qi 及上下游有效节点气体组分Ci相关，因而可以通过建立CB与Ci、Qi 及Pi 之间的关联式来实时对待求气体的热值进行赋值[5］：

根据质量守恒定律可知：待求气体组分CB与上下游管段气体组分Ci及流量qi存在如下关系[6］：

其中，QB——待求站点的下载流量；

n——与出口相连的管段数。天然气管道中管道流量qi与管段长为L的管道两端节点压力P1、P2存在如下关系[6］：

由于天然气长输管道运行压力在4 MPa以上，因此选择高压公式进行计算。对于高压（P>1.2 MPa）：

其中：K可取1.62(L/D5)；

Z——天然气压缩因子；

l——管道摩阻系数；

m——经验调节参数；

P0——标准环境压力；

T0——标准环境温度；

r0——标准环境下天然气密度；

Z0——标准环境下天然气压缩因子。在通过拟合管段压力和管段流量之间的经验公式建立不同节点处各相连管段的流量与压差之间的关系[7］，即：

结合公式（2）和（4）建立节点气体组分与上下游管道两端节点压差和气体组分之间的关系[8］：

1.2 基于不同管网结构的赋值方案

在上下游相邻管段气体组分已知且管段压差明确的前提下，通过建立节点组分与上下游管道两端节点压差和气体组分之间拟合关系进行节点天然气发热量赋值计算[9］。由于存在上下游相邻管段气体组分未知或管段压差不明确的情况，针对单管段及三支路管段提出节点发热量赋值算法。

1.2.1 单管段

单管段在天然气管网中最为常见，根据上下游相邻管段气体组分及管段压差的已知数据，将发热量赋值算法分为两种情况：

当上下游相邻管段气体组分未知或管段压差不明确，节点B 气体组分将不能直接通过上下游管段S-B、B-X 气体组分及管段压差进行赋值计算，此时将通过扩大溯源范围进行节点B 的赋值计算，上下游分别扩大一个节点时，节点B 的赋值算法[10］如图2 所示，对节点B 处气体组分的取值判断根据上下游节点S’及X’的组分含量差异可分为以下两种情况：

图2 单管段参数示意图

（1）当CS'=CX'时，直管段中气流流动单向，节点B气体来自上游节点S’或下游节点X’，进而节点B气体组分可直接取上游或下游测量值。

（2）当CS'≠CX'时，上下游管段S-B、B-X 中气体流量及流向将由管段S’-B、B-X’压差及节点S、X 处涂泄流量根据公式（5）或公式（3）和（4）进行判断，进而节点B 处气体组分可根据流量占比计算而得。

1.2.2 三支路管段

对于三支路管段节点B其赋值算法与直管段的区别在于需进一步判断第三相邻管段气体流量及气体组分，根据三支路管段气体组分及管段压差的已知情况，将能量赋值算法分为两种情况[11］。

（1）三支路管段气体组分已知、管段压差均明确。如图3 所示，节点B 为需要进行能量赋值计算的节点，存在三支路管段S-B、B-X1和B-X2，其中各个节点压力Pi(i=S,B,X)及沿途泄流量Qi(i=S,B,X)均已知，且S-B、B-X1和B-X2管道两端存在明确压差，节点S、X1及X2处气体组分已知。

图3 三支路管段参数示意图

当三支路管段的气体组分不同时，三管段SB、B-X1 和B-X2 中气体流量及流向将由管段SB，B-X1和B-X2压差及节点S、X1及X2处途泄流量根据公式（4）或公式（2）和（3）进行判断[12］，进而节点B处气体组分可由公式（5）计算而得：

其中qS、qX1及qX2分别表示三管段S-B、B-X1和B-X2 中气体流量，计算过程中需使qS+qX1+qX2=QB以保证质量守恒。三支路管段参数示意图见图3。

1.3 天然气组分分析

天然气由甲烷、乙烷、丙烷、正戊烷、异戊烷、正丁烷、异丁烷、氮气、二氧化碳（CO2）和C6+等气体组成[13］，其中甲烷含量最多。

选取某站场在某一时间段的数据，拟合天然气组分变化情况。如图4，根据公式（2）计算天然气各组分含量的百分比，并将测量值与计算值进行对比，其中Nnm 表示组分实际测量值，n 表示气体，m表示站点；Nnm_p为组分计算值。

图4 天然气各组分含量占百分比

从图4 中可以看出，天然气各气体组分的计算值与测量值趋势相同，并且峰值突变点所在位置的吻合度也较好。经计算，组分的赋值偏差在0.1%以内[14］。综上所述，通过拟合计算可以准确获得气体组分变化情况，从而能够进一步计算天然气热值。

1.4 多气源管网的天然气热值分析

以浙江省天然气站场某三个站为测试站点，调取的历史某一周数据包括站点及相邻站点的压力、流量和组分，在相同的时间段对站点内天然气的实际热值与采用不同转换系数的计算值进行对比分析。转换系数k 指热值转换关系为[15］：1 Btu=1.055 kJ。即k=1.055，但由于浙江省管网中的天然气为干气，需修正热值，干气修正系数为y=1.017[16］，即 修 正 后 的 转 换 系 数k=y×1.055=1.073。如图5 所示，采用转换参数k=1.055 和k=1.073 的计算热值与测量值进行对比。燃烧热值的计算值按照公式（7）计算：

图5 各站热值测量值与计算值

式中：Cv——天然气总的燃烧热值；

Qvi——表示每种气体的燃烧热值，MJ/m3；

ni——每种气体所占天然气的摩尔百分比。

能量计量系统的最大允许误差分为A、B、C 三个等级，其中A 级计量系统的离线/赋值发热量最大允许误差为±0.6%[17］。

通过图5 的三个站点进行对比，即采用转换系数k=1.055 和k=1.073 计算热值与测量热值比较发现，计算值与测量值的趋势相同。经过三个典型站场的对比，当k=1.055 时，计算值与测量值存在一定差距；当修正后的转换系数k=1.073时，计算值与实际测量值吻合度最佳，计算值误差在0.23%左右<0.6%，满足《多气源天然气输配管网的能量计量方法》表1中“A级计量系统的误差范围”[18］。分别取了春季、夏季和冬季的某一周时间段进行计算，对于不同季节，发热赋值最大偏差均在0.6%以内，因此可以利用本赋值算法准确拟合出天然气热值，能够保障浙江省天然气管网在色谱仪损坏或缺失的情况下进行有效的能量计量贸易交接。

2 结论

本文以待测天然气发热量站点上下游的已知数据作为基础，以不同管网结构为依据，研究了天然气静态发热量可变赋值算法，解决站场内在线气相色谱仪缺陷的情况下无法进行能量计量贸易交接的情况，主要研究内容总结如下：

（1）拟合管段压力和管段流量之间的经验公式，建立了站点相连管段流量与压差之间的关系以及站点与相邻站点气体组分之间的关系，在多气源环状管网中，实现了对站点天然气热值的实时赋值，作为色谱仪缺失或损坏情况下的贸易交接手段。

（2）通过组分分析发现，天然气中实际各气体组分随时间的变化情况与计算值吻合度较好且误差仅在0.2%左右，因此通过拟合计算可以准确获得气体组分变化情况，可用于下一步进行实时计算天然气热值。

（3）通过选取浙江省3 个典型站场进行热值计算发现，转换系数为k=1.073时，计算值与实际测量值吻合度最佳，误差为0.23%<0.6%，因此本赋值算法能够准确实时拟合出天然气高位热值，符合A 级计量系统的误差要求。

本文考虑到待测站点的天然气发热量进行实时赋值将更为合理，为实现天然气发热量实时赋值，后续需结合时间变量与空间变量两方面对天然气发热量赋值计算方法进行进一步研究与改进。