徐孝軒 李 奇 荊 棟

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 2.渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司

0 引言

我國2016年天然氣消費(fèi)量為2 103×108m3，占一次能源消費(fèi)量的6.2%，較2015年增加7.7%，其中國內(nèi)產(chǎn)天然氣量為1 380×108m3、管道進(jìn)口氣量為380×108m3、LNG進(jìn)口氣量為343×108m3[1]，已形成多氣源供應(yīng)局面。這對我國保障能源安全和改善大氣環(huán)境具有重要意義。

目前，我國大部分省市地區(qū)均由多氣源供應(yīng)天然氣。如天津市的氣源包括陜京線系統(tǒng)管輸?shù)奶烊粴?、周邊氣田生產(chǎn)的天然氣及天津浮式LNG，2016年供應(yīng)天津市氣量達(dá)62.7×108m3，其中陜京線系統(tǒng)供氣量為53.1×108m3，天津浮式LNG供氣量為6.3×108m3，周邊氣田等合計(jì)供氣量約3.3×108m3。

不同氣源的天然氣其組成不同，造成單位體積天然氣的發(fā)熱量不同，煤層氣的發(fā)熱量最低約為34 MJ/m3，進(jìn)口LNG的發(fā)熱量較高，介于38～43 MJ/m3。我國現(xiàn)行天然氣交接計(jì)量方式仍然采用體積計(jì)量方式，無法體現(xiàn)天然氣發(fā)熱量的核心價(jià)值，不利于我國天然氣行業(yè)的健康發(fā)展。

國外對天然氣能量計(jì)量的研究主要集中在發(fā)熱量計(jì)量技術(shù)方面[2-5]，而國內(nèi)多集中研究天然氣能量計(jì)量實(shí)施方案及對行業(yè)影響的研究[6-9]，但對多氣源天然氣輸配管網(wǎng)能量計(jì)量技術(shù)的研究較少。通過修改國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15112: 2007 Natural Gas－Energy Determination，我國制訂了GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》標(biāo)準(zhǔn)，然而該標(biāo)準(zhǔn)中對多氣源輸配管網(wǎng)并沒有給出具體可操作的能量計(jì)量程序。筆者根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)的圖論理論，提出了一種區(qū)域多氣源天然氣輸配系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)能量計(jì)量方法，為我國天然氣能量計(jì)量的應(yīng)用和推廣提供了一種可操作的能量計(jì)量程序。

1 天然氣能量計(jì)量

天然氣能量計(jì)量主要分為直接法和間接法[10]，目前普遍采用間接計(jì)量方法。天然氣間接能量計(jì)量是通過計(jì)量天然氣的單位發(fā)熱量及氣體流量實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)能量計(jì)量周期內(nèi)（時(shí)間t0至tn），計(jì)量的氣體能量E(tn)為：

式中H(t)表示天然氣t時(shí)刻的發(fā)熱量，MJ/m3；q(t)表示天然氣同一時(shí)刻t的流量，m3/s；e(t)表示t時(shí)刻的單位能量流量，MJ/s。

天然氣從生產(chǎn)商到終端用戶一般要經(jīng)過氣體輸送商、區(qū)域分銷商、本地分銷商中的部分及全部階段，可能存在的交接界面如圖1所示[11]。

在天然氣輸配管網(wǎng)實(shí)際交接能量計(jì)量中，不可能在每個(gè)下氣點(diǎn)都安裝發(fā)熱量計(jì)量儀器。依據(jù)GB/T 22723推薦，一般在1～3界面計(jì)量天然氣的發(fā)熱量和流量，而在4～6界面僅計(jì)量天然氣的流量。如在德國的1 600個(gè)計(jì)量用戶和50余個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)中，僅有400多個(gè)點(diǎn)安裝有采用氣相色譜儀的天然氣熱值計(jì)量裝置，其他交接點(diǎn)主要采用熱值賦值方法來實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量[12]。熱值賦值是依據(jù)管網(wǎng)布局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，對天然氣物性參數(shù)沿管道的分布進(jìn)行計(jì)算，從而間接地計(jì)算出各交接點(diǎn)的熱值。GB/T 22723中給出的熱值賦值方法有固定賦值、可變賦值和狀態(tài)重構(gòu)。固定賦值和可變賦值只能應(yīng)用于單氣源的簡單輸配管網(wǎng)能量計(jì)量賦值。而應(yīng)用于多氣源的輸配管網(wǎng)能量計(jì)量的狀態(tài)重構(gòu)方法，標(biāo)準(zhǔn)中并沒有給出具體可操作的能量計(jì)量程序。

2 多氣源輸配管網(wǎng)能量計(jì)量分析

2.1 多氣源輸配管網(wǎng)

圖1 天然氣從生產(chǎn)商到終端用戶之間能量測定的可能界面圖

圖2為多氣源天然氣輸配管網(wǎng)。該管網(wǎng)由內(nèi)外兩條環(huán)狀供氣管網(wǎng)組成，外層為高壓主干供氣管網(wǎng)，壓力為2.5 MPa，高壓氣經(jīng)調(diào)壓站調(diào)壓至1.6 MPa為內(nèi)層次高壓管網(wǎng)供氣。圖2中S1和S2分別表示供氣氣源，D1～D6表示用氣戶，各用戶的用氣量如表1所示。該輸配管網(wǎng)僅在氣源處進(jìn)行熱值計(jì)量，而在用戶交接點(diǎn)僅進(jìn)行流量計(jì)量。該管網(wǎng)的雙氣源單位發(fā)熱量相差較大，S1氣源的高位發(fā)熱量為37.9 MJ/m3，S2氣源的高位發(fā)熱量為43.6 MJ/m3。

圖2 多氣源天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)圖

表1 各用戶的用氣量表

2.2 能量計(jì)量準(zhǔn)確性分析基準(zhǔn)

為了研究多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)能量計(jì)量方法的準(zhǔn)確性，首先需要確定管網(wǎng)運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，把真實(shí)狀態(tài)作為基準(zhǔn)，通過對比能量計(jì)量方法的計(jì)量結(jié)果與基準(zhǔn)的偏差，確定能量計(jì)量方法的準(zhǔn)確性。

管網(wǎng)模擬嚴(yán)格遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，在保證管網(wǎng)模型輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，管網(wǎng)模擬的準(zhǔn)確性可以得到保證。設(shè)定表1中輸配管網(wǎng)中各用戶的用氣量為真值，利用管網(wǎng)模型計(jì)算出各氣源的輸入流量及各用戶的發(fā)熱量，將管網(wǎng)模型計(jì)算的發(fā)熱量作為能量計(jì)量準(zhǔn)確性分析的基準(zhǔn)。

能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22723中不建議采用管網(wǎng)模擬方法進(jìn)行能量計(jì)量方法，其原因是未經(jīng)審核的在線測量數(shù)據(jù)容易造成模擬結(jié)果不準(zhǔn)確。任何計(jì)量儀表的計(jì)量值均由真值和誤差組成，天然氣流量計(jì)量儀表的誤差主要由管道中氣流條件及氣體中雜質(zhì)對計(jì)量儀表的影響而產(chǎn)生[13]。為了模擬實(shí)際儀表的計(jì)量數(shù)值，通過在計(jì)量真值的基礎(chǔ)上增加隨機(jī)誤差模擬實(shí)際儀表的計(jì)量數(shù)值，隨機(jī)誤差由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，誤差范圍根據(jù)GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》中A級計(jì)量準(zhǔn)確度規(guī)定選取，體積流量計(jì)量儀表的最大允許相對誤差為0.7%，在線發(fā)熱量計(jì)量儀表的最大允許相對誤差為0.5%。

2.3 加權(quán)平均值可變賦值法準(zhǔn)確性分析

設(shè)定該多氣源輸配管網(wǎng)中各用戶的用氣量在計(jì)量期內(nèi)穩(wěn)定，氣源供氣壓力、溫度不變，氣量充足。應(yīng)用PipelineStudio（TGnet）建立該多氣源天然氣輸配管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型（圖3）。TGnet采用國際公認(rèn)的天然氣管道水力學(xué)模型計(jì)算管網(wǎng)中的壓力及流量分布，并依據(jù)ISO 6976: 1995[14]嚴(yán)格計(jì)算天然氣發(fā)熱量。將基準(zhǔn)條件下TGnet計(jì)算的用戶發(fā)熱量作為評價(jià)管網(wǎng)系統(tǒng)能量計(jì)量準(zhǔn)確性的基準(zhǔn)。

圖3 多氣源天然氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)TGnet模擬圖

通過分析該多氣源輸配管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，系統(tǒng)中各用戶的天然氣可能來源于其中一個(gè)氣源，也可能由兩個(gè)氣源共同供氣，且供氣比例也存在差異。加權(quán)平均值可變賦值法確定管網(wǎng)下游各交接界面發(fā)熱量H(tn)由下式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表2。

式中Hc,m表示n個(gè)氣源中一個(gè)氣源的發(fā)熱量，MJ/m3；Qm表示氣量，m3。

從表2中可以看出，采用區(qū)域供氣的數(shù)量加權(quán)平均值可變賦值法對各用戶用氣的發(fā)熱量進(jìn)行賦值，能量計(jì)量誤差可達(dá)8%，這種賦值方法應(yīng)用于復(fù)雜的多氣源輸配氣管網(wǎng)將產(chǎn)生較大誤差，不能滿足GB/T 18603對能量計(jì)量精度的要求。

表2 多氣源區(qū)域輸配氣管網(wǎng)應(yīng)用發(fā)熱量數(shù)量加權(quán)平均值可變賦值法能量計(jì)量誤差分析表

3 多氣源輸配系統(tǒng)能量計(jì)量研究

3.1 狀態(tài)重構(gòu)方法

對于具有m個(gè)節(jié)點(diǎn)、n條管網(wǎng)支路、k個(gè)氣源和l個(gè)下游用氣用戶的多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)各節(jié)點(diǎn)氣體流入和流出的氣量平衡，對于第i個(gè)節(jié)點(diǎn)氣量平衡等式為：

式中Qin,i表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)流入氣量，m3；Qout,i表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)流出氣量，m3。

據(jù)此，可得到m個(gè)氣量平衡等式為：

式中Amn表示支路管道關(guān)系矩陣；Xn表示管網(wǎng)各支路流量，104m3/d。

依據(jù)拓?fù)鋵W(xué)可知，節(jié)點(diǎn)數(shù)m小于支路管路數(shù)n，并規(guī)定關(guān)系矩陣中流入節(jié)點(diǎn)支路的關(guān)系系數(shù)為1，流出節(jié)點(diǎn)支路的關(guān)系矩陣為－1。關(guān)系矩陣Amn由流量已計(jì)量支路矩陣E和未計(jì)量矩陣C兩矩陣組成，即Amn=[EC]。E矩陣由管網(wǎng)中流入和流出支路組成，C矩陣由內(nèi)部連通支路組成。根據(jù)圖論中連通有向圖關(guān)系矩陣的秩定理[15]可知，矩陣C的秩rank(C)=m－1。

當(dāng)rank(C)≥(n－k－l)時(shí)，多氣源輸配管網(wǎng)中未確定的支路可依據(jù)已計(jì)量的支管路流量數(shù)據(jù)求得，不需要在其他管路上增設(shè)流量計(jì)量儀表。

當(dāng)rank(C)＜(n－k－l)時(shí)，需選擇n－l－krank(C)個(gè)未確定流量的內(nèi)部支路中進(jìn)行流量計(jì)量。所選擇的計(jì)量支路需要滿足：除去計(jì)量支路對應(yīng)的列后的矩陣C′的秩應(yīng)等于矩陣C的秩。

選擇管網(wǎng)內(nèi)部計(jì)量支路的方法為：①首先將矩陣C進(jìn)行行初等變換為階梯型矩陣；②確定階梯型矩陣中同一行階梯由ti列構(gòu)成，且ti≥2所對應(yīng)的列（每一列對應(yīng)一條內(nèi)部支路）；③從②中選擇需要增加計(jì)量支路，使階梯型矩陣每行僅由1列構(gòu)成。

將選擇的計(jì)量支路所對應(yīng)的列與矩陣E合并形成矩陣E′，則變化為：

形成的非齊次線性方程組為：

通過該方法可重構(gòu)出輸配管網(wǎng)中所有管段中天然氣的流量，進(jìn)而可將各氣源的流量分配到各下游用戶，從而確定各下游用戶使用的天然氣總能量，各下游用戶的能量計(jì)量可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中Hj表示下游j用戶天然氣能量計(jì)量，MJ；Hc,i表示i氣源的發(fā)熱量，MJ/m3；qi,j表示i氣源分配到j(luò)用戶的氣量，m3。

3.2 能量計(jì)量誤差分析

圖4所示的多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)由12個(gè)節(jié)點(diǎn)和23條支路組成，其中氣源支路1、2進(jìn)行流量和發(fā)熱量計(jì)量，而下游用戶支路3～8僅進(jìn)行流量計(jì)量（圖4）。采用3.1中的管網(wǎng)狀態(tài)重構(gòu)方法，對下游各用戶進(jìn)行能量計(jì)量。構(gòu)建關(guān)系矩陣Amn（表3）。矩陣C的秩為11，需要在4個(gè)支路上進(jìn)行流量計(jì)量才能重構(gòu)管網(wǎng)狀態(tài)。對矩陣C進(jìn)行行初等變換為階段矩陣，從而選擇支路15、20、22、23進(jìn)行流量計(jì)量。

表4對管網(wǎng)狀態(tài)重構(gòu)后進(jìn)行能量計(jì)量的誤差進(jìn)行分析，各下游用戶的能量計(jì)量的誤差均在0.5%以內(nèi)，滿足GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》中對能量計(jì)量準(zhǔn)確度最高等級A級誤差為1% 以內(nèi)的要求。

圖4 多氣源輸配管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表3 關(guān)系矩陣表

4 結(jié)論

1）目前我國已形成常規(guī)天然氣、煤層氣、頁巖氣和進(jìn)口天然氣等多氣源供應(yīng)格局，為了使天然氣行業(yè)健康發(fā)展，我國天然氣計(jì)量方式必將逐漸從現(xiàn)行的體積計(jì)量方式向能量計(jì)量方式轉(zhuǎn)變。

2）能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中對多氣源輸配管網(wǎng)系統(tǒng)并沒給出具體可操作的能量計(jì)量程序，采用熱值數(shù)量加權(quán)平均賦值方法將產(chǎn)生較大的能量計(jì)量誤差，對于文中的多氣源輸配系統(tǒng)能量計(jì)量誤差可達(dá)8%，不能滿足能量計(jì)量的要求。

3）依據(jù)拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)，提出了一種具有可操作性的多氣源輸配系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)方法，給出了確定多氣源輸配管網(wǎng)狀態(tài)重構(gòu)所需的流量儀表的最少數(shù)量及布置的方法。應(yīng)用該狀態(tài)重構(gòu)方法對于文中多氣源輸配系統(tǒng)能量計(jì)量誤差不超過1%，滿足《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中對能量計(jì)量的A級精度要求。

表4 采用狀態(tài)重構(gòu)方法的能量計(jì)量誤差分析表

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