引言
天然氣是非常重要的清潔優(yōu)質(zhì)能源，已廣泛地用于國民生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，天然氣消費(fèi)占能源消耗總量的比例逐漸提高。在天然氣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展過程中，天然氣能源的準(zhǔn)確有效計(jì)量，是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。怎樣將天然氣測(cè)量?jī)x表與國家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)建立起有效的溯源鏈，確保其量值準(zhǔn)確、可靠和統(tǒng)一也是必須得以重視的命題。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，目前國內(nèi)外已在天然氣生產(chǎn)、貿(mào)易和使用中發(fā)展了大量天然氣計(jì)量方法，這些方法主要可歸結(jié)為流量計(jì)量和能量計(jì)量?jī)纱箢�。本文�?jiǎn)要梳理了現(xiàn)有的各類天然氣計(jì)量方法及各自特點(diǎn)，并就目前國內(nèi)天然氣計(jì)量存在的問題進(jìn)行了探討。
1天然氣流量計(jì)量技術(shù)
國內(nèi)普遍使用的最經(jīng)典的天然氣計(jì)量方法是體積流量計(jì)量，指計(jì)量一定時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道橫截面的天然氣體積流量。隨著天然氣在一次能源中的比例逐年增長(zhǎng)，天然氣流量計(jì)的使用數(shù)量急劇增加，品種日益增多，常用的用于天然氣體積流量計(jì)量的儀表包括差壓式流量計(jì)（如孔板）、速度式流量計(jì)（如渦輪流量計(jì)）、容積式流量計(jì)（如羅茨流量計(jì)）等。
由于用于天然氣貿(mào)易計(jì)量的天然氣流量?jī)x表須經(jīng)過嚴(yán)格的周期檢定或校準(zhǔn)，因此很多國家都相繼建成了具有較高水平的天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，并形成了相應(yīng)的天然氣流量量值溯源體系或傳遞系統(tǒng)。目前國內(nèi)外天然氣體積流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要采用直排法和環(huán)道法兩種方式。
直排法利用輸氣管線上下游或高低壓儲(chǔ)氣庫之間的壓差來實(shí)現(xiàn)氣體直排，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體積流量檢測(cè)。常用的直排法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的類型，原理，介質(zhì)和不確定度如表1所示。目前，除國家石油天然氣大流量站少數(shù)幾套標(biāo)準(zhǔn)裝置采用天然氣實(shí)流介質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)了壓力可在一定范圍內(nèi)可調(diào)外，其他直排法標(biāo)準(zhǔn)裝置大多采用空氣作為測(cè)量介質(zhì)且壓力溫度不可調(diào)節(jié)。
環(huán)道法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置利用一臺(tái)循環(huán)動(dòng)力設(shè)備將低壓氣體增壓，并在檢測(cè)管路形成一個(gè)閉環(huán)通道進(jìn)行天然氣流量計(jì)檢定或校準(zhǔn)工作。所采用的介質(zhì)氣體有天然氣、空氣、二氧化碳等。環(huán)道法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)外部氣源的依賴性小，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓力和溫度控制，便于在所需要的特定的溫度壓力條件下進(jìn)行流量計(jì)檢定或校準(zhǔn)，氣體也可以根據(jù)需要進(jìn)行更換，因此表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。從二十世紀(jì)90年代起，在美國、加拿大、歐洲相繼建成了氣體環(huán)道用于氣體流量?jī)x表的檢測(cè),達(dá)到的不確定度在0.15%~0.27%(k=2)之間。我國的氣體環(huán)道起步較晚，直到近幾年才開始關(guān)注其在天然氣流量?jī)x表檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值，并在北京、內(nèi)蒙、武漢等地開始規(guī)劃建設(shè)此類氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，望盡快實(shí)現(xiàn)突破和應(yīng)用。
值得一提的是，近幾年壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）快速發(fā)展，國內(nèi)CNG和LNG加氣機(jī)普遍采用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行流量計(jì)量。加氣機(jī)的檢定也普遍開始采用與國際標(biāo)準(zhǔn)一致的質(zhì)量流量(kg)為計(jì)量單位，由此促進(jìn)了天然氣質(zhì)量流量計(jì)量的發(fā)展�；谫|(zhì)量計(jì)量的天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括質(zhì)量法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。前者利用電子天平作為主標(biāo)準(zhǔn)器，主要用于送檢加氣機(jī)和加氣機(jī)檢定裝置的檢定/校準(zhǔn)，后者主要采用質(zhì)量流量計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器，用于加氣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)檢定。
2天然氣能量計(jì)量技術(shù)
天然氣作為用于燃燒的能源，其關(guān)鍵價(jià)值在于其提供的熱量。而天然氣是一種多組分混合氣體,由于產(chǎn)地來源不同，各組分及含量也存在差異，這使得不同來源的同樣體積/質(zhì)量的天然氣，其燃燒產(chǎn)生的能量也不同。因此，從科學(xué)公平計(jì)量的角度看，天然氣能量計(jì)量比流量計(jì)量更加合理。
天然氣的能量計(jì)量是在體積測(cè)量的基礎(chǔ)上,再測(cè)量天然氣發(fā)熱量，用天然氣單位體積的熱量乘以天然氣體積，以獲得流經(jīng)封閉管道橫截面的天然氣總能量。
圖1示出了天然氣能量計(jì)量的原理，天然氣能量計(jì)算公式為：
E=Q×Hs(1)
其中E為天然氣能量，Q為天然氣體積流量，Hs為單位體積天然氣的發(fā)熱量。
測(cè)量天然氣體積流量的設(shè)備主要有孔板，超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)，旋進(jìn)漩渦流量計(jì)和腰輪流量計(jì)等。發(fā)熱量包括直接測(cè)定及間接測(cè)定兩種方式。間接測(cè)定法使用天然氣組成來計(jì)算天然氣發(fā)熱量，天然氣組成一般采用氣相色譜儀獲得，日常計(jì)量交接大多采用此法。直接測(cè)定是通過燃燒一定量的氣體直接獲得氣體的發(fā)熱量，一般作為氣相色譜間接測(cè)定法的核查和保證手段。
能量計(jì)量中流量及發(fā)熱量均應(yīng)溯源至國家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)。流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)采用氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置溯源至國家基標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)熱量間接測(cè)定的量傳和溯源通過氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行。
我國目前已經(jīng)基本具備實(shí)施能量計(jì)量的技術(shù)基礎(chǔ)和條件，即包括體積流量計(jì)量技術(shù)、發(fā)熱量測(cè)定技術(shù)、能量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)體系及能量測(cè)定量傳溯源體系在內(nèi)的較為完整的配套技術(shù)，整體技術(shù)水平也在不斷提高，但能量計(jì)量目前尚未得以全面推廣實(shí)施。
3天然氣計(jì)量問題探討
3.1 實(shí)流檢定/校準(zhǔn)問題
隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展,特別是輸氣管網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè),用于天然氣計(jì)量的流量?jī)x表日益增多,其工作壓力和溫度范圍不斷擴(kuò)大。然而目前對(duì)天然氣流量?jī)x表進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)還大多采用以空氣為測(cè)量介質(zhì)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在常溫常壓下進(jìn)行。由于空氣與天然氣的物性差異，加上壓力、溫度等各種因素的影響，容易造成計(jì)量偏差。
采用實(shí)際天然氣介質(zhì)在接近實(shí)際操作條件下進(jìn)行檢定/校準(zhǔn),能夠減小介質(zhì)物性參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)流量計(jì)的影響,是天然氣貿(mào)易計(jì)量中更為準(zhǔn)確有效且優(yōu)先推薦的方法。目前隨著國內(nèi)外實(shí)流檢定技術(shù)的成熟,天然氣流量量值溯源正逐步向?qū)嵙鳈z定/校準(zhǔn)方向發(fā)展。
然而目前國內(nèi)僅有少量幾家機(jī)構(gòu)擁有天然氣實(shí)流檢測(cè)裝置，其檢測(cè)成本高、周期長(zhǎng)，受環(huán)境的影響大，此外還有溫度不可調(diào)等缺陷，致使天然氣實(shí)流檢測(cè)方法的應(yīng)用受到很大限制，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)的天然氣流量?jī)x表的檢測(cè)需求。新興的天然氣環(huán)道裝置有望滿足實(shí)流檢定/校準(zhǔn)的需求，值得加速研究和應(yīng)用。
3.2 在線檢定/校準(zhǔn)問題
天然氣流量?jī)x表的檢定/校準(zhǔn)包括離線和在線兩種方式。目前大多數(shù)情況采取的是離線檢定/校準(zhǔn)。離線檢定/校準(zhǔn)的缺點(diǎn)在于操作較為繁瑣,檢定/校準(zhǔn)需要時(shí)間較長(zhǎng),企業(yè)成本增加。此外，離線檢定/校準(zhǔn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的安裝條件和工況條件與在流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)工作條件不一致,會(huì)對(duì)計(jì)量結(jié)果帶來無法修正的偏差。
在線檢定/校準(zhǔn)可有效減小上述影響,是提高流量計(jì)量準(zhǔn)確度、可靠性和減少計(jì)量成本的最有效的辦法。但目前真正實(shí)用的天然氣流量?jī)x表在線檢定/校準(zhǔn)技術(shù)還較少，怎樣研究和發(fā)展在線檢定/校準(zhǔn)技術(shù)，并從計(jì)量技術(shù)法規(guī)上對(duì)檢定/校準(zhǔn)方法、環(huán)境條件、安裝條件等予以規(guī)范尚需進(jìn)一步探索。
3.3 能量計(jì)量的實(shí)施問題
天然氣能量計(jì)量是目前國際上最流行的用于貿(mào)易和消費(fèi)的計(jì)量結(jié)算方式。北美、南美、歐洲和亞洲大多數(shù)國家的天然氣貿(mào)易、輸送和終端消費(fèi)均采用能量來計(jì)量和結(jié)算費(fèi)用。
雖然我國目前已初步形成了能量計(jì)量體系，流量和發(fā)熱量測(cè)量設(shè)備、設(shè)備檢定技術(shù)法規(guī)、賦值方法、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、量傳和溯源鏈已日趨完備，可初步滿足能量計(jì)量的應(yīng)用要求。但在氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備、發(fā)熱量間接測(cè)定技術(shù)方面還需進(jìn)一步提高，法律法規(guī)及能量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系也需進(jìn)一步完善，管理制度還有待建立，以盡快適應(yīng)和推廣從流量計(jì)量到能量計(jì)量的轉(zhuǎn)變。
此外，實(shí)施能量計(jì)量是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面廣，需要在技術(shù)，法規(guī)、政策、價(jià)格體系等多方面聯(lián)合推進(jìn)。
4結(jié)論
本文對(duì)天然氣流量計(jì)量技術(shù)和能量計(jì)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了綜述，并對(duì)天然氣計(jì)量存在的問題進(jìn)行了探討。現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展表明，有必要盡快推進(jìn)天然氣貿(mào)易交接從流量計(jì)量向能量計(jì)量的轉(zhuǎn)變，并著力解決天然氣流量?jī)x表的實(shí)流檢定/校準(zhǔn)和在線檢定/校準(zhǔn)問題。
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