液化天然氣動態(tài)貿(mào)易交接計量研究

王 浩 李 麗

(中海油研究總院，北京 100027)

在LNG供銷產(chǎn)業(yè)鏈中，其存儲、分銷或者消費的總量計量對LNG貿(mào)易交接的公平結(jié)算來說十分重要。由于LNG密度和體積對溫度及壓力等環(huán)境因素非常敏感，且LNG計量設(shè)備存在內(nèi)、外溫差，LNG在設(shè)備和管道內(nèi)容易汽化，而LNG汽化的比例過大會造成明顯的計量誤差。因此，相對于天然氣及原油等能源的貿(mào)易計量，LNG的貿(mào)易計量不確定性最高[1]。國際上，LNG貿(mào)易都是采用長期銷售合同，其計量的主要方式是基于LNG運輸船艙液位測量進(jìn)而轉(zhuǎn)換成體積測量的靜態(tài)計量；而LNG動態(tài)計量(即在線實時流量計量)技術(shù)近年來發(fā)展快速，已經(jīng)在現(xiàn)貨交易、船-船貿(mào)易交接和小型LNG液化場站至FPSO貿(mào)易交接中應(yīng)用[2]。目前應(yīng)用于LNG這種超低溫、低潤滑性、高雷諾數(shù)液體的過程計量儀表有超聲波流量計和科里奧利(科式)質(zhì)量流量計。

現(xiàn)階段，國外針對LNG貿(mào)易交接計量領(lǐng)域的研究包括：測試評估基于液位測量的LNG貿(mào)易計量系統(tǒng)的不確定度；設(shè)計用于檢定LNG流量計的標(biāo)準(zhǔn)裝置，應(yīng)用該裝置對科里奧利質(zhì)量流量計進(jìn)行常溫和超低溫標(biāo)定；將激光多普勒測速儀用于體積測量[3]；將超聲波流量計和科式質(zhì)量流量計作為比對計量表用于與LNG運輸船和陸地接收站罐艙計量的比對；提高LNG組分測量精度；減少LNG密度和熱值測量中的不確定度等。

筆者總結(jié)了國外對LNG流量計標(biāo)定研究的現(xiàn)狀，并結(jié)合國內(nèi)對LNG計量的需求，分析了國內(nèi)LNG動態(tài)貿(mào)易交接計量研究的方向。

1 LNG靜態(tài)計量現(xiàn)狀①

LNG靜態(tài)計量與油品的靜態(tài)計量類似，通過測量儲罐的液位等參數(shù)來計算其體積，再用密度來計算質(zhì)量。不同之處在于所使用的設(shè)備和方法受到極低溫度的限制，在能量計量方式中，還要計算發(fā)熱量和能量。LNG輸運船艙液位偏差引起的體積不確定度值與交接過程中的實際不確定度值的比較見表1。需要注意的是不確定度計算需考慮多因素影響，包括：LNG液位測量不確定度，LNG采樣不確定度，BOG采樣不確定度，校準(zhǔn)樣氣不確定度，氣相色譜測量不確定度，LNG各組分熱值不確定度，溫度和壓力測量的不確定度。

表1 LNG輸運船儲罐容積得到的LNG計量不確定度與實際操作值對比 %

理論上，由國際LNG進(jìn)口商組織 (International Group of Liquefied National Gas Importers，GIIGNL)(http://www.giignl.org/)發(fā)布的LNG貿(mào)易交接手冊中，估算體積計量的不確定度約為±0.21%(與LNG輸運船艙的結(jié)構(gòu)和船型有關(guān))；而實際操作中的體積不確定度值不會小于±0.30%，總不確定度約±0.64%[2]；此外，靜態(tài)計量在交接過程中缺少獨立的第三方標(biāo)定裝置對液位計量表進(jìn)行校準(zhǔn)。

而LNG在線計量(即動態(tài)計量)技術(shù)近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)在現(xiàn)貨交易、船-船貿(mào)易交接和小型LNG液化場站至浮式生產(chǎn)儲油卸油(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)貿(mào)易交接中應(yīng)用[3]。目前，動態(tài)計量中的難點在于對流量計的標(biāo)定。針對這一問題，歐洲國家計量院協(xié)會 (European Association of National Metrology Institutes，EURAMET)(http://www.euramet.org/)進(jìn)行了歐洲度量衡研究項目(EMRP)，其中一個子項目就包括了針對動態(tài)計量標(biāo)定方法和流量計標(biāo)定裝置的研究(Metrology for LNG)，其目的在于提高LNG貿(mào)易交接計量的準(zhǔn)確度，降低計量結(jié)果的不確定度。

2 國外LNG流量計標(biāo)定的研究現(xiàn)狀

2.1 荷蘭計量研究所

在EMRP的子項目中，由荷蘭計量研究所(Dutch Metrology Institute，VSL)開展的LNG計量研究采用稱重法來標(biāo)定深冷環(huán)境下的科里奧利質(zhì)量流量計，即比較待標(biāo)定流量計的流量讀數(shù)與流入稱重罐的總量之間的質(zhì)量誤差[4]，其最終目標(biāo)旨在將用此方法標(biāo)定過的流量表作為主表來校準(zhǔn)其他量程或其他原理的流量計[5]。如圖1所示，荷蘭計量研究所用于標(biāo)定科里奧利質(zhì)量流量計的深冷系統(tǒng)中包括1.0m3的深冷存儲罐和0.5m3的深冷稱重罐，可以用于標(biāo)定DN50mm口徑的科里奧利質(zhì)量流量計。

圖1 VSL的標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

荷蘭計量研究所采用液氮和LNG來標(biāo)定質(zhì)量流量計，最大測量流量均為5.0kg/s。該套裝置可以校準(zhǔn)質(zhì)量流量計和液體超聲波流量計。在現(xiàn)研究階段，荷蘭計量研究所主要采用該裝置找出并定量分析深冷流量計標(biāo)定過程的汽化損失、管線內(nèi)殘留損失及計時點等不確定因素。到目前為止，VSL已經(jīng)持續(xù)研究LNG計量標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)定設(shè)備有近五年的時間。

2.2 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)設(shè)計的流量計標(biāo)定設(shè)備(圖2)同樣基于稱重原理。到目前為止，NIST設(shè)計的實驗設(shè)備使用水和液氮作為介質(zhì)來標(biāo)定質(zhì)量流量計，其中NIST液氮的最大測試流量為9.0kg/s。

圖2 NIST的標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

2.3 英國NEL公司

英國NEL公司(http://www.tuvnel.com/)設(shè)計并制造了一套小型深冷LNG計量與標(biāo)定裝置(圖3)研究深冷環(huán)境下的溫度、流量和單相物流的穩(wěn)定性。該裝置可以通過控制閥調(diào)節(jié)LNG的流量，實際測試中的壓力、溫度和流量值均達(dá)到了良好的穩(wěn)定性[1]。英國NEL公司旨在通過該套裝置積累LNG標(biāo)定裝置的設(shè)計和制造經(jīng)驗，并計劃在未來幾年制造出工業(yè)級應(yīng)用的標(biāo)定裝置。

圖3 NEL標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

荷蘭計量研究所、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和英國NEL公司所設(shè)計的標(biāo)定裝置性能對比見表2。

3 超聲波流量計作為比對計量表的應(yīng)用

表2 3家計量標(biāo)定機(jī)構(gòu)設(shè)計的LNG標(biāo)定裝置性能對比

圖4 雙聲道DN800mm超聲波流量計作為 比對計量表在Enagas項目中的應(yīng)用

CAMERON Caldon液體超聲波流量計已在多個項目中作為比對計量表或內(nèi)部分配計量表使用，包括阿拉斯加Kenai、卡塔爾Ras Laffan、印度Dahej及阿爾及利亞Arzew等項目中。卡塔爾Ras Laffan港是全世界最大的LNG出口港，從2008年至今使用了25臺冗余四聲道Caldon超聲波流量計作為內(nèi)部分配計量表[7,8]。圖5為Caldon超聲波流量計在卡塔爾Ras Laffan工業(yè)城中應(yīng)用的示意圖。

圖5 Caldon超聲波流量計在Ras Laffan 分配計量中的應(yīng)用

4 LNG動態(tài)計量的應(yīng)用制約

對國外LNG流量計標(biāo)定的研究和現(xiàn)階段幾個廠家超聲波流量計的應(yīng)用調(diào)研結(jié)果表明：目前應(yīng)用在LNG計量的科式質(zhì)量流量計和超聲波流量計的重復(fù)性值已達(dá)到貿(mào)易交接水平，甚至質(zhì)量流量計±0.125%的測量重復(fù)性比傳統(tǒng)的船艙計量結(jié)果更準(zhǔn)確。質(zhì)量流量計的優(yōu)勢在于能夠直接得到質(zhì)量值而不需要測量密度，但是受限于口徑和壓損；超聲波流量計需要進(jìn)行密度計算(采用Klosek-McKinley或Costald法)，但是沒有口徑和壓損的限制，在大流量應(yīng)用時可供選用。

將流量計用于LNG貿(mào)易交接計量的主要障礙在于：雖然質(zhì)量流量計和超聲波流量計用于液體計量的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布多年，但是并沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)適用于低溫?zé)N類計量，亦沒有工業(yè)普遍認(rèn)可的、有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)支持的流量計標(biāo)定方法。雖然用于LNG在線測量的流量計重復(fù)性已經(jīng)達(dá)到±0.125%，但是流量計表系數(shù)仍然需要可溯源的準(zhǔn)確度值，即沒有標(biāo)定的流量計標(biāo)系數(shù)會出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。此外，用于LNG計量的流量計標(biāo)定還需要克服多個障礙：包括溫度改變補(bǔ)償、標(biāo)定裝置容積、天然氣汽化的消除和密度變化。

5 結(jié)束語

基于靜態(tài)計量的LNG貿(mào)易交接在實際操作中的重復(fù)性無法令人滿意，導(dǎo)致貿(mào)易摩擦并給貿(mào)易雙方帶來經(jīng)濟(jì)損失；采用基于流量計的LNG動態(tài)貿(mào)易交接計量方法伴隨著在線LNG標(biāo)定方法的確定和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立，動態(tài)交接將逐漸取代目前基于液位的LNG靜態(tài)貿(mào)易交接計量。

對于深水、遠(yuǎn)海天然氣藏開發(fā)，采用浮式LNG生產(chǎn)系統(tǒng)(Floating Liquefied Natural Gas，F(xiàn)LNG)與相同規(guī)模的、通過天然氣管道輸送到陸上的終端處理方案相比，投資降低，建設(shè)工期縮短，液化天然氣更利于儲存，F(xiàn)LNG將在可預(yù)見的未來被投入使用。伴隨著在線LNG貿(mào)易交接計量技術(shù)的成熟，將LNG動態(tài)貿(mào)易交接計量和標(biāo)定裝置設(shè)置在FLNG船上，高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行LNG貿(mào)易交接計量會成為LNG計量的新發(fā)展方向。