摘 要：天然气作为清洁能源的核心价值在于其供出的发热量。由于我国天然气贸易量逐年上升且随着GB／T 22723—2008《天然气能量的测定》正式实施，天然气交接将从体积计量方式逐步转向能量计量和结算。中国石油天然气股份有限公司于2011年开始在中国石油西南油气田公司建设天然气质量控制和能量计量重点实验室，致力于我国能量计量体系的建设和推广应用。为此，从设备配置和管理、检定规程、方法标准、标准参比条件、气体标准物质、体积流量，以及发热量直接测定量值量传溯源链等方面，深入分析了我国应用能量计量的可行性，并阐述了在西气东输一线和川渝管网的应用实践。结果表明：我国目前已基本具备了实施能量计量的技术条件，整体技术水平在不断提高，可初步满足能量计量应用要求；天然气分析用气体标准物质制备、发热量间接测定、流量原级标准装置水平有待进一步提高。最后提出了6个方面的发展设想来支撑天然气能量计量的全面实施。
关键词：中国 天然气 能量测定 流量 组成分析 发热量 气体标准物质 可行性 应用实践
Practicability and application of natural gas energy determination in China
Abstract：The core value of natural gas as a clean energy source is its heating value output．At present natural gas trade volume keeps rising year by year in China．As the publication and implementation of the national standard of GB／T 22723 2008 the Energy Measurement of Natural Gas，natural gas commercial handover will be transferred to the energy measuring and clearing from present volume metering．In view of this，a detailed analysis was first made of the practicability of natural gas energy measuring in China in the aspects of equipment allocation and management，verification regulation，method standard，reference condition，gas reference material，volume flow，and heating value direct-determination traceability and transferring chain．Als0，the practices of gas energy measuring were introduced in lane Two of the West-to-East Pipeline and gas grids in Chongqing and Sichuan areas．It was concluded that China has basically possessed the technical conditions of implementing natural gas energy measurin9；such an overall technology level is continuously improving and preliminarily meets the requirement of energy measuring application；however，gas reference material preparation for natural gas analysis，heating value indirect determination，and volume flow primary standard set-up still need to be improved．On this basis，proposals were presented from six aspects to support the full implement of natural gas energy measuring all over China．The Key l。aboratory for Natural Gas Quality Control and Energy Measurement started to be established in 20l1 by the PetroChina Southwest Oil＆Gasfield Company aiming at contributing to the construction and application of natural gas energy measuring system in China．
Keywords：China，natural gas，energy determination，volume flow rate，component analysis，heating value，gas reference material，feasibility，application
中国天然气工业正处于一个高速发展时期。同时，中亚天然气于2009年12月进入国内；中缅、中俄进口天然气项目全面启动；广东、福建、大连、江苏等LNG项目投产；页岩气、煤层气和煤制代用天然气开始开发并投入利用。我国气质复杂化的输送和市场格局正在形成。
不同来源、不同产地的天然气有如下特点：烃类与杂质组分的含量不固定；单位体积气体的发热量变化幅度较大。如国内不同气源的天然气发热量最大变化可以达到6.1MJ／m3。
天然气作为清洁能源的核心价值在于其供出的发热量。1980年美国天然气加工者协会提出天然气交接计量和结算的供出能量原则[1]。1998年IS0／TC193开始制定ISO 15112《天然气能量的测定》，于2008年12月1日发布实施[2]。欧美等成熟市场均采用天然气能量计量和实施能量结算，确保了用户使用不同天然气在价格上的公平性，体现了天然气作为燃料的核心价值，减少了天然气交易中的供需矛盾，促进了天然气的勘探开发和利用。
我国目前天然气交接以体积计量方式为主。随着天然气工业的发展，将转向能量计量和结算。国内中海油输给香港中华电力，以及LNG、中缅、中俄等项目国际贸易按能量交接和结算；2003年以来，全国天然气标准化技术委员会联合中石油、中石化、中海油等企业开展天然气能量测定标准研制；2008年，国家标准化管理委员会发布GB／T 22723《天然气能量的测定》[3]；中国石油西南油气田公司开展能量计量配套技术研发、标准制修订、量值溯源、现场试验，积极与在能量计量这一领域拥有先进技术与丰富实践经验的国家和组织保持密切的联系，中国石油天然气集团公司(以下简称中石油)于2011年启动建设中国石油天然气质量控制和能量计量重点实验室，致力于建设我国天然气能量计量体系，推进能量计量在中国的应用。
1 GB／T 22723—2008《天然气能量的测定》
GB／T 22723—2008{天然气能量的测定》规定能量测定采用以时间变化为基础的间接测定法，即能量值等于一个计算时间(如小时、天、周、月等)内气体流量与高位发热量的乘积[3]，涉及流量测量、组成分析、物性参数计算等设备、方法标准、溯源链、气体标准物质、标准参比条件、计量单位等诸多方面，如图l所示。
GB／T 22723《天然气能量的测定》提出从气体生产商到用户实施能量计量的6个可能界面(计量站)，如图2所示。一般来说在1、2、3界面通常采用天然气在线组成分析和流量测量。而4、5、6界面通常采用发热量赋值和流量测量。
2 我国天然气能量计量技术体系
按照天然气能量计量体系要求，我国目前已初步形成了能量计量体系，整体技术水平在不断提高。流量和发热量测量设备、设备检定规程、赋值方法、实验室分析能力、流量和发热量测量标准、量传和溯源链，基本达到国际水平，可初步满足能量计量应用要求。在天然气分析用气体标准物质制备、发热量间接测定、流量原级标准装置水平进一步提高后，我国应用能量计量的技术基础条件已具备。
然而，能量计量和结算是复杂的，不仅涉及技术，更涉及法规、政策、价格体系等，需要多层面、多部门联合才能推进。
2．1 流量和发热量测量设备
我国流量测量设备主要有川渝地区广泛使用的标准孔板，长输管线普遍使用的超声流量计、涡轮流量计，小型用户使用的智能旋进流量计和腰轮流量计。2008年天然气研究院对l9条管线、200多个外输计量站的配备情况进行调查统计，其中标准孔板占到了39.4％，超声流量计占32.6％，涡轮流量计占28.0％。而国内新建特大型和进口天然气计量站按一备一用原则配备了冗余流量测量设备。流量测量设备基本达到GB／T 22723《天然气能量的测定》和GB／T l8603《天然气计量系统技术要求》对A、B、C三级计量站要求。
对A级以上的计量站一般要求配备在线气相色谱仪用于天然气发热量的测定。目前在四川管网、西气东输一线、二线、陕京一、二、三线、川气东送管线、广东LNG、福建LNG、江苏LNG、各城市燃气公司门站、各油气田外输站、中亚管道等多数达到A级规模的计量站均配置了在线气相色谱仪进行天然气组成分析，一方面为体积流量测量提供密度和压缩因子数据，一方面为实施能量计量提供发热量数据进行了准备。天然气研究院开发了发热量赋值方法和软件，用于未配置在线气相色谱仪的计量站(主要是B和C级计量站)在贸易交接时的发热量值确定；建立了累积取样技术进行发热量核查和赋值。通过天然气研究院开展的在线色谱仪校准，表明配备的色谱仪性能达到GB／T 22723《天然气能量的测定》和GB／T l8603《天然气计量系统的技术要求》的要求。
针对体积流量和发热量测量设备量值溯源与传递管理，我国制定了相关的检定规程11项(表1)。同时，GB／T 28766—2012《天然气在线分析系统性能评价》(修改采用ISO 10723)为在线色谱分析系统性能评价提供了标准方法[5]。GB／T l8603—2001《天然气计量系统技术要求》为流量和发热量测量系统性能评价提供了判定依据[6]。
中国合格评定国家认可委员会(CNAS)于2009年组织了天然气组成分析能力验证，有包括石油天然气企业和检验机构的28家实验室参加，对2个实际天然气样品中的氮、二氧化碳、甲烷、己烷加等l0个组分进行了分析，获得364个数据，满意293个，表明离线实验室组成分析整体能力达到国际水平[7]。
2011年，中国石油在西南油气田公司建设天然气质量控制和能量计量重点实验室，组成分析、发热量测定将达到国内领先和国际先进。
2．2 流量和发热量测量标准方法
我国等同和修改采用ISO、EN、AGA及ASTM标准发布29项取样、组成分析、发热量和流量测量、能量测定、量值溯源方法的国家和行业标准(表2、3)，初步建立与国际接轨、达到国际先进水平的能量计量标准体系。GB／T l8603《天然气计量系统技术要求》和GB／T 22723《天然气能量的测定》是能量计量两个核心标准。
2．3 溯源链
能量计量中流量及发热量均应溯源至国际基准。按测量方式的不同，发热量包括直接测定及间接测定量传和溯源，间接测定的量传和溯源通过气体标准物质进行。国际通行的是，气体标准物质用于日常计量交接，而直接测定作为核查和保证手段。
2．3．1气体标准物质
我国气体标准物质是作为计量器具施行法制管理，分为国家一级和国家二级，国家一级代表我国最高水平。我国已经初步形成的天然气分析用气体标准物质量值传递和溯源链[4](图3)。目前已建立与国际一致的称量法、分压法等气体标准物质制备技术，形成了4种二元组分的国家一级气体标准物质，3个单浓度点的多组分国家一级气体标准物质，少量组分不确定度小于等于l％，戊烷和己烷小于等于2％。另外还研制了10余个国家二级气体标准物质，少量组分不确定度小于等于2.5％。
为解决气体标准物质在能量计量实施中引发的问题，中国石油及下属单位西南油气田公司在天然气质量控制和能量计量重点实验室建设中，将于2013年建立一套达到世界先进水平、国内领先的天然气分析用气体标准物质制备系统。近期将实现甲烷不确定度小于等于0.05％(称量不确定度，包含因子k＝2)、其他少量组分不确定度小于等于0.5％的国家一级(称量不确定度，k＝2)和甲烷组分不确定度小于等于1.0％(k＝2)、其他组分不确定度小于等于2.0％(k＝2)的国家二级天然气分析用多组分气体标准物质体系的研发目标。
该天然气分析用气体标准物质制备系统包括多组分气体标物称量装置和多组分气体标物制造及处理装置。
2．3．2体积流量
我国建设了原级标准装置、次级标准装置、工作标准装置、移动标准装置，建立了完整的流量量值动态溯源链(图4)。国家石油天然气大流量成都和南京分站共同构成完整的低、中和高压体积流量量值传递和溯源链。成都和南京分站的质量时间(mt)法原级标准装置，不确定度优于0.10％。成都分站扩容改造后，将建立中低压(0.3～6.0MPa)、质量流量不确定度达到(0.05％～0.076％)的原级标准装置。同时成都分站正新建环道检测系统作为工作标准，将现有临界流文丘里喷嘴次级标准装置从不确定度0.33％水平提高到小于等于0.20％。
通过多年努力和发展，我国天然气流量测量量值溯源体系达到国际先进水平。
2．3．3发热量直接测定
发热量直接测定是通过燃烧一定量的气体直接获得气体的发热量，其作为天然气发热量测定的标准方法已经得到世界各国的一致认可，是气相色谱间接测定法的核查和保证手段。
我国的水流式热量计标准装置不确定度小于等于1.0％(纯甲烷，置信度U＝0.95，包含因子k＝2)。中国石油天然气质量控制和能量计量重点实验室正在研制的天然气发热量直接测量装置，测量不确定度为0.20％～0.25％(U＝0.95，k＝2)，达到ISO 15971：2008．Natural gas-Measurement of Properties-Calorific Value and Wobbc Index确定的1级水平[4,8]，满足现场发热量测定值的核查。图5是国内外气体发热量直接测定量值传递和溯源链的比较[4]。
3 天然气能量计量技术的应用实践
自2007年起中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司和西南油气田公司先后在西气东输一线和川渝管网，按照GB／T 22723《天然气能量的测定》的要求，根据各输气管线计量站点的配置情况、输配站级别(输气量)和用户类型等选择具有代表性的计量站严格按照GB／T 22723进行了天然气能量计量技术现场应用。其中，在线色谱仪主要选择了各管线使用较多的AC 6890、ABB 8000、DANIEL570，流量计主要有使用最多和最早的孔板流量计及新建管线使用较多的超声波流量计和涡轮流量计，用户类别主要有工业(化肥和发电)、城市燃气等，结果表明，国内各计量站已具备实施能量计量的条件。
3．1 在川渝管网开展的现场试验
以输气管网特点、输气规模、用户情况、计量检测设备配置为试验站。电选择原则。现场实验充分考虑气质变化的情况，经过一年的试验时间，通过合理性检验、有效性检验、发热量赋值、替代值确定、能量数据组合计算、不确定度计算，评估气质变化对能量值的影响，给出合理的交接计量方案及质量控制和质量保证措施。图6是川渝管网能量计量现场应用方案。X站：A级站，为气体输送商直接向本地分销商供气(界面3)，工业及民用气，在线色谱仪故障，离线分析，应用替代值。Y站：A级站，由一个气体输送商向另一气体输送商供气(界面2)，在线色谱仪正常，评价发热量计算方法。
连续一年的试验结果表明，两个站点高位发热量测定的不确定度均在0.1％左右，不超过0.11％，达到68／T l8603对A级计量站的准确度要求。
3．2 在西气东输一线开展的现场试验
2007年在西气东输一线选择3个不同的A级计量站(大于等于5×104m3／h)作为天然气能量计量技术应用试点，试验时间3个月。3个计量站点高位发热量测定的不确定度均在0.1％左右，达到68／T 18603对A级计量站的准确度要求(图7)，表明长输管线计量站已基本达到能量计量体系应用的要求[4]。
4 发展设想
1)建立满足能量计量要求的天然气分析用气体标准物质体系。
2)建立流量计量环道装置，提高次级标准准确度水平，优化检定网络。
3)建立天然气发热量直接测定l级测量装置和气体燃料直接测定0级标准装置，达到法国、德国、俄罗斯基准装置水平，全面实现与国际接轨。
4)优化在线流量测量和组成分析设备配置。
5)开展长输管线和某一地区天然气能量计量整体解决方案研究，建立能量计量示范站点和示范区。
6)研究能量计量管理方式，制定配套管理办法，节约资源，减少争议。
5 结束语
正在建设的中国石油天然气质量控制和能量计量重点实验室，将与中国计量科学研究院、国家石油天然气大流量站、全国天然气标准化技术委员会、中石化、中海油，以及政府和地方行政管理部门一道，共同推进天然气贸易交接从体积结算转向能量结算，确保天然气能量计量的准确可靠，保障我国天然气能量计量顺利实施。
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本文作者：罗勤
作者单位：中国石油西南油气田公司天然气研究院
石油工业天然气质量监督检验中心
全国天然气标准化技术委员会秘书处
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