我国天然气能量计量的现状与发展趋势
0 前言
天然气作为一种不可再生的重要能源，对我国经济的发展和人民生活水平的提高起着举足轻重的作用。
目前我国对天然气需求量与日俱增，使得天然气的供需缺口越来越大。
据专家预计到2021年，我国的天然气需求量将达到2400亿立方米，同期国内的供给量只能达到1800亿立方米，缺口约600亿立方米，需要大量引进国外天然气。
天然气资源的短缺，如何充分利用有限的资源，引发了我们对天然气计量方式的深刻思考。
三大石油公司就此做了大量的工作和研究，起草编制了GB/T *****-2008《天然气能量的测定》国家标准，这部标准于2021年8月1日正式实施，标志着我国天然气的计量方式将由体积计量向能量计量转变。
能量计量有利于更好地利用和保护天然气资源，是实现能源资源节约、能源科学管理、节能降耗的重要手段。
1 我国天然气计量的现状
商品天然气作为贸易结算依据的方式有能量计量和体积计量两种。
在大规模的贸易交接计量中，国际上通行的方式是以能量计量为主，体积计量为辅，能量计量在体积计量的基础上，增加发热量的测定，即天然气的标准体积流量与标准体积热值的乘积。
但是在我国却普遍采用传统的体积计量方式，目前只有中海油输香港中华电力的天然气，以及已经投产的广东和福建LNG项目使用了能量计量方式。
在北京地区，位于郊区的采育、西郊、通州、次渠等各个大的天然气门站，均配置了在线色谱仪和流量计算机，虽然目前尚未采用能量计量方式，但已具备了能量计量的必要技术条件[1，2]。
天然气是一种含有多种混合物的气体，除烷烃以外还含有少量、等非烃类物质，这部分物质燃烧时并不能产生热量。
所以，天然气体积计量的方式并不能真正地体现出作为燃料和能源的内在价值。
在贸易交接结算中，按体积计量的方式也不符合按质论价、优质优价的商
品交易原则，不利于科学合理地利用有限且又宝贵的天然气资源，对供需双方都不合理，还有可能对天然气贸易交接的顺利进行和实施造成阻碍。
2 我国天然气能量计量与国外的差距
虽然我国在天然气能量计量的各种软硬件设施方面，近几年取得较快的发展，但与国外的发达国家之间还存在着一定的差距。
2.1 法律法规
由于我国还没有大范围实施能量计量，所以国家还没有出台天然气能量计量的相关法规及配套的产业政策作为支持，由此造成用户还不能直观地对不同类型的的能源进行比较，做出择优配置。
而欧美等一些发达国家都制定有相关的法令、法规、能源政策和价格政策，如美国天然气加工者协会（NGPA）早在1980年，针对美国联邦委员会的《天然气政策法令》中的价格条款，提出了天然气以发热量进行交接计量和贸易结算的准则。
我国应学习研究美国发布的《天然气政策法令》中的价格条款（包括最高法定价格），结合其价格条款的实施经验，尽早制定出天然气以热值定价的价格政策，并做好价格的衔接工作，避免引起不必要的纠纷。
2.2 价格体制
目前，国外天然气价格制定机制与市场结构有关，定价时，不但要考虑油、电、煤等可替代能源的价格，同时也考虑用户类型和用气量等因素。
而我国天然气价格决定权在国家发展与改革委员会，定价时只考虑不同用户类型的价差，没有考虑可替代能源的价格，也没有建立价格和用气量关系体系。
2.3 流量计量
流量计量包括流量计、二次仪表和辅助设施。
国外主流流量计是孔板流量计、涡轮流量计和超声流量计等3种，大流量用户还配置了双流量计进行核查。
二次仪表中的温度、压力、差压测量设备大多使用变送器，流量积算设备大多为专用流量计算机，大型计量系统都具
有计量结果现场打印和上传到SCADA系统的功能。
在国内，孔板流量计仍占主导地位，超声流量计使用的数量逐年递增，已经有上百台用于气体贸易计量，一体化微功耗智能式涡轮、旋进漩涡和涡街等流量计在小流量和民用方面也有所应用。
2.4 天然气组成分析
国外大型天然气计量站都是用在线色谱仪进行组成分析，中小计量站则从附近大流量计量站获取天然气组成数据或采用实验室色谱仪进行离线分析。
我国都采用实验室色谱仪进行离线分析，虽然不少大流量用户配备有在线色谱仪，但分析结果都没有直接送到流量计算机参加实时计算。
2.5 天然气能量计量的原理
2.5.1 能量计量的一般原理
根据我国新近颁布的能量计量国家标准GB/T *****-2008《天然气能量的测定》，可知天然气计量的一般的原理是：一定气体所含能量为气体量与对应发热量的乘积。
其通用公式为：
（1）
式中：：一段时间内天然气的能量，；：一段时间内天然气标准状态的体积或质量流量，或；：天然气高位发热量，。
2.5.2 能量计量系统的组成
参照欧美国家的实践经验，能量计量系统实质上是气体体积计量系统与天然气发热量测定系统的结合，如图1所示。
天然气数据采集器工作时，可实现以下功能：
1）正确接收色谱仪直接传输过来的或网络发布的气质数据并计算密度、发热量等参数；
2）现场采集的流量、温度、压力等信号通过模/数转换、通讯接口或网络实现传输；
3）以上数据通过网络发送到中心服务器，中心服务器的能量计量软件实现不同时间段发热量平均值的计算及相关参数的计算。
4）流量积算仪应用组分、发热量等参数修正流量示值并计算能量。
能量计量配套技术包含天然气的体积测量、发热量和密度等物性参数测定和组成分析等技术。
在能量计量中，又分气化前和气化后的计量方式。
天然气液化状态的计量，国外一般采用液位计量、液相与气相温度测量、储罐容积标定和样品采样等方式。
气化状态的计量，则与管道输送天然气的计量方式相同。
3 发热量的测定方法
发热量的测量系统由取样系统和热值测量系统（直接测量设备或间接测量设备）组合构成。
发热量的测定是天然气能量计量中至关重要的环节，而确定发热量的方法有直接测定法和间接测定法。
天然气经营商应该在计量系统投入运行之前有必要对这两种方法进行比较，选择合理的测定方法，以达到节能降耗、提高企业经济效益目的。
3.1 直接燃烧测定法——热量计法
直接燃烧测定法（见图2）是以恒定流速流动的天然气在过量的空气中燃烧，所释放的能量被传递到热交换介质，并使其温度升高。
气体的发热量与升高的温度直接相关。
燃烧法测定天然气发热量使用的设备较复杂，我国迄今仅发布过GB *****-1990《城市燃气热值测定方法》这一项国家标准，主要介绍了水流式燃气热量计，测定结果的不确定度为1%。
此法测量天然气发热量属化学测量中的物理化学测量，其量值溯源过程是采用逐级（向下）传递。
国际标准ISO *****-1《天然气性质测定》对热量计的准
3.2 间接测定方法——计算法
计算法（见图3）是依据GB/T *****《天然气标准状态下的发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算》，利用气相色谱仪分析天然气得到组分数据进行计算的方法。
国外普遍采用这种方法，计算法又分离线（实验室）分析和在线分析计算方法。
离线分析方法是在场分析人员按GB/T *****《天然气取样导则》规定的天然气的取样方法从管道气中周期定点取样，然后再实验室内利用气相色谱仪完成天然气
组成的分析（GB/T *****《天然气组成分析气相色谱法》）。
在线分析法是利用与气象色谱仪配套的仪器和设备，在预先设定好的时间间隔内自动完成天然气的采样、组分分析、计算出天然气的压缩因子、相对密度和发热量等物性参数，最后主机系统的数据库再利用传输过来的参数，进行能量计量。
在线分析法分析速度快、实时性好，没有人为因素的干扰，但也存在分析精度不够高的缺点，且必须以直接法或离线分析方法为依据，定期进行校准，以确保天然气能量计量的准确性。
由于天然气的组成复杂，除含有烷烃外，还存在部分不可燃物质。
所以，直接法的但其测定原理与供出能量原则（天然气燃烧时实际供给系统的能量）完全相符合，且在线测定的响应时间短，也基本排除了水分的影响，可直观地反映出实际供出的能量。
计算法是目前现场在线测定中普遍使用的方法（尤其在西欧地区），但必须与直接法在相同工况条件下进行全面校核后，才能准确地计算出外供天然气的实际发热量。
因为天然气中水分和重烃类等组份会对计量法的测定结果产生不容忽视的影响。
4 计量系统的溯源及其不确定度
计量的核心是通过量值溯源，出具可靠准确的计量数据，即要保证计量系统的准确度，为企业的生产经营提供技术保障，实现节能降耗，提高企业竞争力。
4.1 天然气能量计量系统的溯源
在计量学上有两种溯源方法：标准物质法和谱系学法，前者大多应用于化学计量的量值溯源，后则主要应用于物理计量。
天然气的能量计量涉及体积计量、发热量的直接测定和间接测定（气相色谱法）三个计量学领域。
由于三个领域计量范畴截然不同，故使用的量值溯源方式也完全不同，如表2所示[7，10]。
4.2 天然气能量计量系统的不确定度
能量计量的不确定度。