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(fèi)的總量計(jì)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(jì)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(jì)量誤差。因此，相對于天然氣及原油等能源的貿(mào)易計(jì)量，LNG的貿(mào)易計(jì)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(jì)量的主要方式是基于LNG運(yùn)輸船艙液位測量進(jìn)而轉(zhuǎn)換成體積測量的靜態(tài)計(jì)量；而LNG動態(tài)計(jì)量(即在線實(shí)時流量計(jì)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(jì)量儀表有超聲波流量計(jì)和科里奧利(科式)質(zhì)量流量計(jì)。

現(xiàn)階段，國外針對LNG貿(mào)易交接計(jì)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(jì)量系統(tǒng)的不確定度；設(shè)計(jì)用于檢定LNG流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，應(yīng)用該裝置對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)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(jì)和科式質(zhì)量流量計(jì)作為比對計(jì)量表用于與LNG運(yùn)輸船和陸地接收站罐艙計(jì)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(jì)標(biāo)定研究的現(xiàn)狀，并結(jié)合國內(nèi)對LNG計(jì)量的需求，分析了國內(nèi)LNG動態(tài)貿(mào)易交接計(jì)量研究的方向。

1 LNG靜態(tài)計(jì)量現(xiàn)狀①

LNG靜態(tài)計(jì)量與油品的靜態(tài)計(jì)量類似，通過測量儲罐的液位等參數(shù)來計(jì)算其體積，再用密度來計(jì)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(jì)量方式中，還要計(jì)算發(fā)熱量和能量。LNG輸運(yùn)船艙液位偏差引起的體積不確定度值與交接過程中的實(shí)際不確定度值的比較見表1。需要注意的是不確定度計(jì)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(yùn)船儲罐容積得到的LNG計(jì)量不確定度與實(shí)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(jì)量的不確定度約為±0.21%(與LNG輸運(yùn)船艙的結(jié)構(gòu)和船型有關(guān))；而實(shí)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(jì)量在交接過程中缺少獨(dú)立的第三方標(biāo)定裝置對液位計(jì)量表進(jìn)行校準(zhǔn)。

而LNG在線計(jì)量(即動態(tài)計(jì)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(jì)量中的難點(diǎn)在于對流量計(jì)的標(biāo)定。針對這一問題，歐洲國家計(jì)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(xiàng)目(EMRP)，其中一個子項(xiàng)目就包括了針對動態(tài)計(jì)量標(biāo)定方法和流量計(jì)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(jì)量的準(zhǔn)確度，降低計(jì)量結(jié)果的不確定度。

2 國外LNG流量計(jì)標(biāo)定的研究現(xiàn)狀

2.1 荷蘭計(jì)量研究所

在EMRP的子項(xiàng)目中，由荷蘭計(jì)量研究所(Dutch Metrology Institute，VSL)開展的LNG計(jì)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(jì)，即比較待標(biāo)定流量計(jì)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(jì)[5]。如圖1所示，荷蘭計(jì)量研究所用于標(biāo)定科里奧利質(zhì)量流量計(jì)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(jì)。

圖1 VSL的標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

荷蘭計(jì)量研究所采用液氮和LNG來標(biāo)定質(zhì)量流量計(jì)，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(jì)和液體超聲波流量計(jì)。在現(xiàn)研究階段，荷蘭計(jì)量研究所主要采用該裝置找出并定量分析深冷流量計(jì)標(biāo)定過程的汽化損失、管線內(nèi)殘留損失及計(jì)時點(diǎn)等不確定因素。到目前為止，VSL已經(jīng)持續(xù)研究LNG計(jì)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(jì)的流量計(jì)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(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用水和液氮作為介質(zhì)來標(biāo)定質(zhì)量流量計(jì)，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(jì)并制造了一套小型深冷LNG計(jì)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(shí)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(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，并計(jì)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(jì)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(jì)的標(biāo)定裝置性能對比見表2。

3 超聲波流量計(jì)作為比對計(jì)量表的應(yīng)用

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

圖4 雙聲道DN800mm超聲波流量計(jì)作為 比對計(jì)量表在Enagas項(xiàng)目中的應(yīng)用

CAMERON Caldon液體超聲波流量計(jì)已在多個項(xiàng)目中作為比對計(jì)量表或內(nèi)部分配計(jì)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(xiàng)目中?？ㄋ朢as 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(jì)作為內(nèi)部分配計(jì)量表[7,8]。圖5為Caldon超聲波流量計(jì)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(jì)在Ras Laffan 分配計(jì)量中的應(yīng)用

4 LNG動態(tài)計(jì)量的應(yīng)用制約

對國外LNG流量計(jì)標(biāo)定的研究和現(xiàn)階段幾個廠家超聲波流量計(jì)的應(yīng)用調(diào)研結(jié)果表明：目前應(yīng)用在LNG計(jì)量的科式質(zhì)量流量計(jì)和超聲波流量計(jì)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(jì)±0.125%的測量重復(fù)性比傳統(tǒng)的船艙計(jì)量結(jié)果更準(zhǔn)確。質(zhì)量流量計(jì)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(jì)需要進(jìn)行密度計(jì)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(jì)用于LNG貿(mào)易交接計(jì)量的主要障礙在于：雖然質(zhì)量流量計(jì)和超聲波流量計(jì)用于液體計(jì)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(jì)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(jì)標(biāo)定方法。雖然用于LNG在線測量的流量計(jì)重復(fù)性已經(jīng)達(dá)到±0.125%，但是流量計(jì)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(jì)標(biāo)系數(shù)會出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。此外，用于LNG計(jì)量的流量計(jì)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(jì)量的LNG貿(mào)易交接在實(shí)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(jì)的LNG動態(tài)貿(mào)易交接計(jì)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(jì)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(jì)量技術(shù)的成熟，將LNG動態(tài)貿(mào)易交接計(jì)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(jì)量會成為LNG計(jì)量的新發(fā)展方向。