曹洪超

(天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東 濟(jì)南 250000)

天然氣組分是天然氣計(jì)量中的基本參數(shù)[1]，天然氣組分值的偏差程度直接影響著計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度[1-4]。在天然氣輸送場站，氣相色譜分析儀被應(yīng)用于天然氣組分的實(shí)時(shí)檢測，實(shí)時(shí)組分值經(jīng)由色譜分析儀與流量計(jì)算機(jī)的通信鏈路，即可參與流量計(jì)算機(jī)的在線計(jì)量，從而有效地降低了各組分實(shí)時(shí)測量值偏差引起的天然氣計(jì)量誤差。

1 色譜分析儀在天然氣場站中的應(yīng)用

1.1 氣相色譜分析儀的原理

氣相色譜分析儀基于不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)原理[5]，當(dāng)試樣在固定相與流動(dòng)相之間充分作用分配并達(dá)到平衡后，試樣中的各組分即可被分離出來。分配系數(shù)是指物質(zhì)在兩相中分配達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，也稱平衡常數(shù)，用K表示。在恒定的溫度下，K為常數(shù)：

(1)

式中： ω1，m1，V1——分別為試樣在固定相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量、體積；ω2，m2，V2——分別為試樣在流動(dòng)相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、質(zhì)量、體積；k=m1/m2，β=V2/V1。

1.2 在線色譜分析儀在輸氣場站中的應(yīng)用現(xiàn)狀

為最大限度地實(shí)現(xiàn)天然氣貿(mào)易交接的公平、公正，在輸氣場站的計(jì)量系統(tǒng)中開始引入在線氣相色譜分析儀，用于管線輸送天然氣的實(shí)時(shí)組分檢測[6]，確保天然氣交接計(jì)量中體積修正的更加準(zhǔn)確。目前在國內(nèi)外重要輸氣管網(wǎng)的首末站及大型站中均配置了在線色譜分析儀，比如中亞管線、西氣東輸、川氣東送、陜京線、榆濟(jì)管線等。

在線色譜分析儀應(yīng)用于天然氣計(jì)量時(shí)，多與超聲波流量計(jì)配套使用。二次計(jì)量儀表將接收的在線色譜分析儀的實(shí)時(shí)組分信號及現(xiàn)場一次儀表的工況流量信號，修正計(jì)算后再得到標(biāo)況流量值，同時(shí)實(shí)時(shí)組分值在超聲波流量計(jì)的自診斷[7-11]過程中也起到了重要作用。

2 在線色譜數(shù)據(jù)共享在計(jì)量中的應(yīng)用

在單氣源供氣的情況下，1條輸氣管線首末站設(shè)置的在線色譜分析儀基本可滿足天然氣計(jì)量要求，但隨著輸氣管線的不斷改擴(kuò)建，多氣源混輸?shù)那闆r開始出現(xiàn)，且氣源混輸比例存在實(shí)時(shí)變化的情況，導(dǎo)致了天然氣組分持續(xù)變化并存在波動(dòng)范圍較大的現(xiàn)象。在色譜分析儀設(shè)置受限的場站，為提高計(jì)量準(zhǔn)確度并保證貿(mào)易交接的公平、公正，在線色譜數(shù)據(jù)共享便顯得尤為重要。

2.1 在線色譜數(shù)據(jù)共享

以具備SCADA功能的榆濟(jì)天然氣管線為例，清豐站與柳屯站為該管線混輸支線的2座輸氣場站，2座輸氣場站均可接入管線的SDH光纖通信網(wǎng)絡(luò)或租賃的DDN網(wǎng)絡(luò)，清豐站設(shè)置了在線色譜分析儀，柳屯站未設(shè)置色譜儀，且該站氣源均來源于清豐輸氣站。基于長輸管線調(diào)控中心與遠(yuǎn)端子站(清豐/柳屯站等)的SDH/DDN通信網(wǎng)絡(luò)，利用調(diào)控中心協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器讀取并協(xié)議定點(diǎn)分發(fā)清豐站的在線色譜分析儀實(shí)時(shí)組分值數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)柳屯站流量計(jì)算機(jī)接收并共享清豐站的在線色譜實(shí)時(shí)組分信號。在線色譜數(shù)據(jù)分發(fā)共享通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 在線色譜數(shù)據(jù)分發(fā)共享通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

2.2 在線色譜數(shù)據(jù)共享的通信配置

在線色譜分析儀、流量計(jì)算機(jī)與調(diào)控中心通信穩(wěn)定的情況下，將支持Modbus協(xié)議的在線色譜分析儀各組分值信號，在調(diào)控中心的協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器中配置實(shí)時(shí)定點(diǎn)分發(fā)協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)組分值的實(shí)時(shí)共享功能。在接收共享數(shù)據(jù)的輸氣站PLC程序中，增加自動(dòng)分發(fā)與手動(dòng)輸入切換功能程序段，即可保證數(shù)據(jù)下發(fā)異常時(shí)第一時(shí)間采取手動(dòng)修改的方式進(jìn)行修正，從而有效地確保共享數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

3 在線色譜數(shù)據(jù)共享有效提高計(jì)量準(zhǔn)確度

在線色譜作為天然氣實(shí)時(shí)組分檢測的有效途徑[2， 4]，有效地確保了參與實(shí)時(shí)計(jì)量的組分值的準(zhǔn)確性，因此它在提高計(jì)量準(zhǔn)確度方面發(fā)揮了顯而易見的作用。

3.1 天然氣組分對計(jì)量準(zhǔn)確度的影響分析

假定管輸天然氣的工況絕對壓力為p1，工況溫度為T1，壓縮因子為Z1，那么天然氣的標(biāo)況體積流量qV(N)表示為

(2)

式中：qV1——工況體積流量；pN，TN，ZN——標(biāo)準(zhǔn)狀況下該天然氣的絕對壓力、溫度、壓縮因子。

某次計(jì)算取榆濟(jì)管線清豐站某時(shí)刻的天然氣組分作為樣氣1，樣氣1的組分?jǐn)?shù)據(jù)見表1所列；將表1中的CH4的摩爾分?jǐn)?shù)減少0.5%，C6+的摩爾分?jǐn)?shù)增加0.5%，同時(shí)保持其他組分值不變，此時(shí)的樣氣作為樣氣2。其次，選取柳屯站出現(xiàn)最多的運(yùn)行工況作為該次計(jì)算的工況條件，具體參數(shù)包括： 壓力為2.8 MPa、溫度為8.0 ℃、天然氣流速為12 m/s、計(jì)量直管段內(nèi)徑為250 mm。依據(jù)AGA8-92DC中壓縮因子計(jì)算公式，采用絕對壓力收斂計(jì)算[12-13]，即可得出壓縮因子，然后聯(lián)合式(2)可求得： 樣氣2的標(biāo)況體積流量比樣氣1偏大約0.45%。樣氣中各參數(shù)的測算見表2所列。

表1 樣氣1的組分?jǐn)?shù)據(jù) %

表2 樣氣各參數(shù)測算值統(tǒng)計(jì)

3.2 在線色譜數(shù)據(jù)共享效果評價(jià)

將在線色譜分析儀數(shù)據(jù)分發(fā)共享至柳屯站后，柳屯站超聲波流量計(jì)聲速核查[14-16]偏差率范圍由0.021%～0.480%(采用固定組分值時(shí))縮小至0.019%～0.160%，即偏差率波動(dòng)范圍迅速降為原始值的30%左右，從而有效地提高了計(jì)量準(zhǔn)確度，確保了貿(mào)易交接的公平、公正。在線色譜數(shù)據(jù)共享前后的聲速核查曲線如圖2所示。

圖2 在線色譜數(shù)據(jù)共享前后聲速核查偏差曲線示意

由圖2可以看出，數(shù)據(jù)共享前最大偏差值發(fā)生在8 h處，偏差率為0.48%；最小偏差值發(fā)生在5 h處，偏差率為0.021%。數(shù)據(jù)共享后最大偏差值發(fā)生在15 h處，偏差率為0.16%，僅為共享前最大偏差率的約33%；最小偏差值發(fā)生在20 h處和24 h處，偏差率為0.019%，與共享前的最小值持平。

4 結(jié)束語

1)依托輸氣管網(wǎng)的SDH/DDN通信網(wǎng)絡(luò)，在調(diào)控中心協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)器中進(jìn)行分發(fā)協(xié)議配置，可便捷地實(shí)現(xiàn)在線色譜分析儀實(shí)時(shí)組分?jǐn)?shù)據(jù)的定點(diǎn)分發(fā)與共享，從而提高了在線色譜實(shí)時(shí)組分在天然氣計(jì)量中的利用率。

2)在一定的工況條件下，天然氣組分值是影響天然氣壓縮因子的唯一因素，因此在線色譜提供的實(shí)時(shí)組分值將直接決定天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確度。在未設(shè)置在線色譜分析儀的輸氣站引入臨近氣源點(diǎn)的實(shí)時(shí)組分值參與在線計(jì)量，可顯著提高計(jì)量準(zhǔn)確度，該方案實(shí)施便捷，易推廣。