1、上海节能SHANGHAIENERGYSAVING多气源管网天然气发热量赋值计算No.092023方法研究刘婉莹刘志艾素萍张国民唐健白马湖实验室摘要：为解决浙江省多气源环状天然气管网在线气相色谱仪损坏或未配备色谱仪的情况下，无法与下游用户进行能量计量贸易交接的问题，研究出一套天然气能量赋值算法，替代设备无法正常工作时给出合理的天然气热值。在直管段和多支路的不同管网结构类型情况下，通过拟合管段压力和管段流量之间的经验公式，建立各相连管段的流量与压差之间的关系，并建立站点气体组分与上下游管道两端站点压差和气体组分之间的关系，从而可以实时计算得到天然气热值。根据天然气能量间接测定法，通过溯源上下游的方
2、式，在已知相邻站点压力、流量和组分的情况下，能够推算出本站天然气发热量。选取了浙江省典型天然气站场对本赋值算法进行验证，与实际热值测量值相比，计算值偏差在0.6%以内，满足GB/T18603中A级计量站的赋值发热量最大允许误差的要求，能够保障贸易计量工作的顺利开展。关键词：多气源；环状；天然气管网；能量计量；热值；赋值算法DOl:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.09.017Research on Calculation Method of Natural Gas CalorificValue Assignmentworksin Multiple Gas Sourc
3、ePipeline Net-LIU Wanying,LIU Zhiqiang,AI Suping,ZHANG Guomin,TANG JianWhite Horse Lake LaboratoryAbstract:In order to solve the problem of energy measurement and trade handover with downstreamusers in Zhejiang Provinces multi source circular natural gas pipeline network when the online gaschromatog
4、raph is damaged or not equipped with a chromatograph,a natural gas energy assignment al-gorithm has been developed to provide a reasonable natural gas calorific value when the equipment收稿日期：2 0 2 2-12-12第一作者：刘婉莹(1994-0 8-),女，硕士研究生，主要从事油气储运工程安全工作节能技术1350ENERGYSAVINGTECHNOLOGY上海节能多气源管网天然气发热量赋值计算方法研究SH
5、ANGHAIENERGYSAVINGcannot work normally.In the case of different pipe network structures in straight and multi branch pipe-lines,the relationship between the flow rate and pressure difference of each connected pipe section isestablished by fitting the empirical formula between the pressure of the pip
6、e section and the flow rate ofthe pipe section.The relationship between the gas composition at the station and the pressure differ-ence and gas composition at both ends of the upstream and downstream pipelines is also established,so that the natural gas calorific value can be calculated in real time
7、.According to the indirect measure-ment method of natural gas energy,by tracing upstream and downstream,the heat generation of natu-ral gas at this station can be calculated when the pressure,flow rate,and composition of adjacent sta-tions are known.A typical natural gas station in Zhejiang Province
8、 was selected for validation of this as-signment algorithm.Compared with the actual calorific value measurement value,the calculated valuedeviation is within 0.6%,which meets the maximum allowable error of assigned calorific value for ClassA metering stations in GB/T 18603 and can ensure the smooth
9、progress of trade measurement work.Key words:Multiple Gas Sources;Annular;Natural Gas Pipeline Network;Energy Metering;CalorificValue;Assignment Algorithm节能技术ENERGYSAVINGTECHNOLOGY具体溯源思路如图1所示，出口气体由上下游管段0引言气体混合而成，因而其组分取决于上下游管段气体我国2 0 2 0 年天然气消费量约3 2 0 0 10 m，组分及管段流量，而上下游管段气体组分与上下游同比增长4.2%，占一次能源消费总量的1
10、0%，虽然有效节点气体组分相同，上下游管段流量取决于上天然气消费受新冠疫情冲击受到一定程度影响，但下游管段压差、节点用户下载量及管段结构特性，从长期趋势上仍保持快速增长态势。随着我国天因而其赋值算法的不确定性只涉及上下游管段，增然气消费规模持续增长以及进口天然气占比越来加了赋值算法的可靠性 4 。越大，能量计价与按体积计价之间的矛盾越来越突潮源方向出 1。混输的天然气热值品质不同，计量单位不统有效节点一，不仅影响我国天然气市场国际化进程，也不利气体组分于油气管道基础设施第三方准入的实施。国外在上世纪8 0 年代便开始提出进行天然气能量计量贸易交接 2 。政府相关部门制定了油气管网设施公平开放监
11、管办法于2 0 19年5月2 4 日起施行，其中指出，油气管网设施开放后，混输的天然气热值品质不同，采用能量计量方式有利于准确计量、体现公平，减少结算纠纷 。因此，为适应当前我国天然气产业快速发展的需要，天然气计量采用能量计量方式势在必行。1基于溯源上下游的可变赋值算法基于溯源上下游的管网天然气能量赋值算法上下游管段气体组分上下游管段压差上下游节点用户下载量图1基于溯源上下游的管网天然气能量赋值算法溯源思路1.1赋值算法基本理论基于局部天然气管网赋值算法的溯源思路可知，待求气体组分C与上下游管段压差（上下游管段节点压力Pi）、上下游节点用户下载量Qi及上下2023年第0 9期1351SHANG
12、HAIENERGY SAVING出口气体组分上下游管段流量仿真步骤上海节能SHANGHAIENERGYSAVING游有效节点气体组分Ci相关，因而可以通过建立CB与Ci、Q i及Pi之间的关联式来实时对待求气体的热值进行赋值 5：C=f(C,Qi,P),节点根据质量守恒定律可知：待求气体组分C与上下游管段气体组分C,及流量q存在如下关系(6 ：Zc.aCB=Q其中，Q：一待求站点的下载流量；n一一与出口相连的管段数。天然气管道中管道流量q与管段长为L的管道两端节点压力P、P 存在如下关系0 ：由于天然气长输管道运行压力在4 MPa以上，因此选择高压公式进行计算。对于高压(P1.2MPa)：AP
13、=P2-P2(3)其中:K可取1.6 2(L/D);Z一一天然气压缩因子；/一管管道摩阻系数；m-一经验调节参数；P一标准环境压力;T一标准环境温度；标准环境下天然气密度；Z一标准环境下天然气压缩因子。在通过拟合管段压力和管段流量之间的经验公式建立不同节点处各相连管段的流量与压差之间的关系 7 ,即：;=f(AP)其中，AP一一管段/两节点之间压差。结合公式(2)和（4)建立节点气体组分与上下游管道两端节点压差和气体组分之间的关系 8 ：(5)C=1.2基于不同管网结构的赋值方案在上下游相邻管段气体组分已知且管段压差No.092023明确的前提下，通过建立节点组分与上下游管道两端节点压差和气体
14、组分之间拟合关系进行节点天然气发热量赋值计算 9。由于存在上下游相邻管段(1)气体组分未知或管段压差不明确的情况，针对单管段及三支路管段提出节点发热量赋值算法。1.2.1单管段单管段在天然气管网中最为常见，根据上下游(2)相邻管段气体组分及管段压差的已知数据，将发热量赋值算法分为两种情况：当上下游相邻管段气体组分未知或管段压差不明确，节点B气体组分将不能直接通过上下游管段S-B、B-X 气体组分及管段压差进行赋值计算，此时将通过扩大溯源范围进行节点B的赋值计算，上下游分别扩大一个节点时，节点B的赋值算法 10 如图2 所示，对节点B处气体组分的取值判断根据上下游节点S及X的组分含量差异可分为以
15、下两种情况：（1)当Cs=Cx时，直管段中气流流动单向，节点B气体来自上游节点S或下游节点X，进而节点B气体组分可直接取上游或下游测量值。(2)当CsCx时,上下游管段S-B、B-X 中气体流量及流向将由管段S-B、B-X 压差及节点S、X 处涂泄流量根据公式(5)或公式(3)和（4)进行判断，进而节点B处气体组分可根据流量占比计算而得。1.2.2三支路管段(4)对于三支路管段节点B其赋值算法与直管段的区别在于需进一步判断第三相邻管段气体流量及气体组分，根据三支路管段气体组分及管段压差的已知情况,将能量赋值算法分为两种情况 1。(1)三支路管段气体组分已知、管段压差均明确。如图3 所示，节点B
16、为需要进行能量赋值计算的节点,存在三支路管段S-B、B-X 1和B-X2,其中各个节点压力 P(i=S,B,X)及沿途泄流量Q(i=S,B,X)均已知,且 S-B、B-X 1和B-X2管道两端存在明确压差，节点S、X 1及X2处气体组分已知。1352节能技术ENERGYSAVINGTECHNOLOGY上海节能多气源管网天然气发热量赋值计算方法研究节能技术SHANGHAIENERGYSAVING上游节点S上游节点S本节点B下游节点X下游节点XENERGYSAVINGTECHNOLOGYPsPsPCs:Qs:已知量：Cs.Os.Ps.CsOCaOnCxOxCrOx未知量：Cs当三支路管段的气体组分
17、不同时，三管段S-B、B-X 1和B-X2中气体流量及流向将由管段S-B,B-X1和B-X2压差及节点S、X 1及X2处途泄流量根据公式(4)或公式(2)和(3)进行判断 12 ,进而节点B处气体组分可由公式(5)计算而得：上游节点SPsCsQs已知量：CsOsPsCsOsPeuCxiOxiPxICarx1Px1Cx未知量：CCsQs上游节点SPsCsQsOx2Px2C-Ox2-PxrCB图2 单管段参数示意图CB=f(C,Q,P)=(qsC,+qxiCx1+qx2Cx2)/QB(6)其中qs、q x I 及qx2分别表示三管段S-B、B-X1和B-X2中气体流量，计算过程中需使s+qx1十q
18、x2=QB以保证质量守恒。三支路管段参数示意图见图3。Cx1Qx1本节点BPx1PB下游节点X1下游节点X2CCx2Qx2CxQxPx1下游节点X1下游节点X2Cxx:Cx2Qx2图3 三支路管段参数示意图表示站点；Nnm_p为组分计算值。1.3天然气组分分析从图4 中可以看出，天然气各气体组分的计算天然气由甲烷、乙烷、丙烷、正戊烷、异戊烷、正值与测量值趋势相同，并且峰值突变点所在位置的丁烷、异丁烷、氮气、二氧化碳（CO2)和C6+等气体吻合度也较好。经计算，组分的赋值偏差在0.1%以组成 13 ,其中甲烷含量最多。内 14 。综上所述，通过拟合计算可以准确获得气体选取某站场在某一时间段的数据
19、，拟合天然气组分变化情况，从而能够进一步计算天然气热值。组分变化情况。如图4，根据公式(2)计算天然气各1.4多气源管网的天然气热值分析组分含量的百分比，并将测量值与计算值进行对比，其中Nnm表示组分实际测量值，n表示气体，m以浙江省天然气站场某三个站为测试站点，2023年第0 9期SHANGHAIENERGY SAVING1353上海节能SHANGHAIENERGYSAVING100%99%98%.97%96%95%94%93%0No.0920234.0%0.08%N12N12P20406080100120140160180(a）甲烷计算值与实际值3.5%3.0%2.5%2.0%1.5%1.
20、0%0.5%0020406080100 120140160180)（b）乙烷计算值与实际值图4 天然气各组分含量占百分比0.07%0.06%0.05%0.04%0.03%0.02%N220.01%N22P0N42N42P20406080100120140 160180(c）异丁烷计算值与实际值4x10%4.2x10*#4-1033+水-10 7 34.2x10*(/054.1x104.0 x10*4.0 x10(a）A 站热值测量值与计算值调取的历史某一周数据包括站点及相邻站点的压力、流量和组分，在相同的时间段对站点内天然气的实际热值与采用不同转换系数的计算值进行对比分析。转换系数k指热值转换
21、关系为 15：1Btu=1.055kJ。即k=1.055,但由于浙江省管网中的天然气为干气，需修正热值，干气修正系数为y=1.017 l16,，即修正后的转换系数k=y1.055=1.073。如图5所示，采用转换参数k=1.055和k=1.073的计算热值与测量值进行对比。燃烧热值的计算值按照公式(7)计算：C,=kEQun;式中：C一一天然气总的燃烧热值；Qu表示每种气体的燃烧热值,MJ/m；n；一每种气体所占天然气的摩尔百分比。能量计量系统的最大允许误差分为A、B、C 三个等级，其中A级计量系统的离线/赋值发热量最大允许误差为 0.6%17 。通过图5的三个站点进行对比，即采用转换系数k=
22、1.055和k=1.073计算热值与测量热值比较节能技术1354ENERGYSAVINGTECHNOLOGYBA410410410020404.2x10t4.2x10*(/D054.1x10*#1.05S4.0 x10+1.0732040606080100120140160180(h)美线k-1.055针年位k-1:073801001201401601800Ch)(b）B 站热值测量值与计算值图5各站热值测量值与计算值发现，计算值与测量值的趋势相同。经过三个典型站场的对比，当k=1.055时，计算值与测量值存在一定差距；当修正后的转换系数k=1.073时,计算值与实际测量值吻合度最佳，计算值误
23、差在0.2 3%左右 0.6%，满足多气源天然气输配管网的能量计量方法表1中 A级计量系统的误差范围”18 1。分别取了春季、夏季和冬季的某一周时间段进行计算，对于不同季节，发热赋值最大偏差均在0.6%以内，因此可以利用本赋值算法准确拟合出天然气热值，能够保障浙江省天然气管网在色谱仪损坏或缺失的情况下进行有效的能量计量贸易交接。(7)2结论本文以待测天然气发热量站点上下游的已知数据作为基础，以不同管网结构为依据，研究了天然气静态发热量可变赋值算法，解决站场内在线气相色谱仪缺陷的情况下无法进行能量计量贸易交接的情况，主要研究内容总结如下：(1)拟合管段压力和管段流量之间的经验公式，建立了站点相连
24、管段流量与压差之间的关系以及站C4.0 x10204060(c)C站热值测量值与计算值100120140160 180上海节能多气源管网天然气发热量赋值计算方法研究SHANGHAIENERGY SAVING点与相邻站点气体组分之间的关系，在多气源环状统技术要求：GB/T18603-2014S.5王春梅.浙江省省级天然气管网能量计量的可行性 J.煤气与热力，管网中，实现了对站点天然气热值的实时赋值，作为2018,38(6):44-46.色谱仪缺失或损坏情况下的贸易交接手段。6 Dorr,Holger,Koturbash T,et al.Review of impacts of gas quali
25、ties(2)通过组分分析发现，天然气中实际各气体with regard to quality determination and energy metering of natural gas组分随时间的变化情况与计算值吻合度较好且误J.Measurement Science&Technology,2018.7李克，潘春锋，张宇,等.天然气发热量直接测量及赋值技术 J.石油差仅在0.2%左右，因此通过拟合计算可以准确获得与天然气化工,2 0 13,4 2(3):2 97-3 0 1.气体组分变化情况，可用于下一步进行实时计算天8陈勇，李克，王晓琴.天然气发热量测定方式比较 J.工业计量，然气热
26、值。2020,30(5):28-30+45.(3)通过选取浙江省3 个典型站场进行热值计9 Joohyun Lee,Suyong Kwon,Wukchul Joung,et al.Measurement ofthe Calorific Value of Methane by Calorimetry Using Metal Burner算发现，转换系数为k=1.073时，计算值与实际测量J.International Journal of Thermophysics,2017,38(11).值吻合度最佳，误差为0.2 3%0.6%，因此本赋值算10 Review of calculation o
27、f calorific value and dew point of natural gas,法能够准确实时拟合出天然气高位热值，符合A级and estimating uncertaintiesJ.Revista ION,2016,29(2).计量系统的误差要求。11陈良.对天然气能量计量溯源性的若干认识 .石油与天然气化工,2 0 0 7(2):16 2-16 8+8 8.本文考虑到待测站点的天然气发热量进行实12】油气田及管道建设设计专业标准化委员会.输气管道工程设计规时赋值将更为合理，为实现天然气发热量实时赋范：GB50251-2003M.中国计划出版社,2 0 0 3.值，后续需结合时
28、间变量与空间变量两方面对天然13陈良.论天然气组成分析的溯源性 J.石油与天然气化工，2 0 0 8气发热量赋值计算方法进行进一步研究与改进。(3):243-248+258+175.14国家市场监督管理总局.天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数参考文献的计算方法：GB/T11062-2020S.15】曾文平，王伟杰，王晓琴,等.天然气中C6*组成不同定量方式对发热1陈良.天然气能量计量的技术进展 J.石油与天然气化工,2 0 15,量计算结果的影响 J.石油与天然气化工,2 0 2 0,4 9(4):95-10 0.44(1):1-7.16DouglasE.Dodds,潘兆柏，许宪儒.天然气
29、计量由容积单位转换为能2 Caldwell B J.Fuel gas energy metering:transmission measurement量单位 J.国外油田工程，1996(7):3 9-4 0+4 mittee report No.5(revised)J.1981.17黄黎明,陈良，张福元,等.天然气能量计量理论与实践 M.石油3】常宏岗，段继芹.中国天然气计量技术及展望 J.天然气工业，2 0 2 0,工业出版社,2 0 10.40(1):110-118.18】徐孝轩，李奇，荆栋.多气源天然气输配管网的能量计量方法 J.天【4】国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.天然气计量系节能技术ENERGYSAVINGTECHNOLOGY然气工业,2 0 18,3 8(1):116-12 2.2023年第0 9 期SHANGHAIENERGYSAVING1355
