天然气长输管道能量计量赋值方法及应用

引言：

天然气作为清洁高效能源，其能量计量是贸易结算、管网调度及安全管理的关键。传统体积计量方式已难以满足多气源混合、气质波动场景下的精准计量需求，而能量计量借助综合天然气组分、发热量等物性参数，可实现“按质计价”的能效评估，成为行业技术升级的必然趋势。我国现行国家标准（GB/T 22723-2008《天然气能量的测定》）明确能量计量以高位发热量为核心参数，需基于天然气组分分析结果计算获得[1]。然而，长输管道沿线气质受气源产地、处理工艺及输送条件影响存在差异，如何利用可靠的赋值方法实现全流程能量计量的准确性、一致性，成为工程实践中的关键问题。

1 天然气物性参数赋值计算分析

为满足某工程关于长输管道气体质量管理工作要求、全面推行能量计量，在 HD 增压站、Z 南山站等 7 个站点实施的气体定量分析小屋项目，利用在线监测系统，了解每个站点的相关物性参数以及单位发热量。如图 1 所示，为 HD增压站在线监测系统布设情况。

1. 前直管段 2. 涡轮流量计 3. 后直管段 4. 温度变送器 5. 压力变送器6. 现场压力变送器

在以上在线系统布设完毕的基础上，以 HD 增压站为例，对天然气的压缩因子、发热量进行计算。

1.1 天然气压缩因子

根据现行《天然气压缩因子的计算》（GB/T17747.2-2011），使用 AGA8-92DC 方法计算天然气压缩因子 [2]。AGA8-92DC 方法是美国气体协会（AGA）提出的用于计算高压天然气压缩因子（Z）的标准方法，适用于以烃类为主（可含少量 N₂ 、 C0₂ 、 H₂S ）、温度 110–760 K、压力 ⩽70 MPa 的气体混合物。其核心公式基于改进的状态方程，具体计算步骤如下：

第一步，压缩因子 Z 的计算公式为：

式（1）中：P  为绝对压力（Pa）；V  为气体体积 为物质的量（mol）；R  为通用气体常数（8.314 J/(mol⋅K) ）；T  为绝对温度（K）；ρ 为气体密度（ ⟨mol/m³ ）。

第二步，修正项计算，AGA8-92DC 引入了高阶修正项以提高精度，公式为：

式（2）中： 为对比摩尔体积（ (m³/mol) ）B、C、D、c、γ 为与组分相关的常数，通过实验拟合确定。

1.2 天然气发热量

根据《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》（GB/T11062-2014）计算天然气发热量，天然气发热量计算需基于其组分构成 [3]。该标准借助确定各组分的摩尔分数（ ⟨x_j⟩ ），结合各组分在特定状态下的高位发热量（ H_j⁰ ），利用以下公式进行求和计算 ：

式（3）中： H₀[t₁,V(t₂,p₂)] 表示在温度 Ω_u1 及与 t₂,p₂ 相关体积条件下，天然气的高位发热量。 Δ_Xi 表示第 j 种天然气组分的摩尔分数（或体积分数）。

此方法科学整合了天然气中各成分的能量贡献，确保发热量计算的准确性、规范性。在天然气贸易、加工及应用中，该标准为能量计量提供了统一依据，有助于保障计量的科学性。

2 天然气长输管道能量计量赋值方法的应用

2.1 天然气长输管道能量分析

天然气长输管道系统是由气源点、增压站、分输站及管道网络构成的复杂流体输送系统，其能量计量的核心是基于天然气组分、状态参数（压力、温度）的综合计算。在长距离输送过程中，天然气的物理状态受压缩机做功、环境温度变化及管道沿线压降影响显著，导致不同站点的热力学参数呈现动态变化特征[4]。以某工程为例，其管网覆盖J 城等区域，包含7 个气体质量分析小屋站点，各站点间距 50—80 km ，设计压力 6.3—10 MPa，输送温度 25—50℃。根据能量守恒定律，管道某截面的能量流量表达式为：

E=Q⋅H_HV⋅Z

式（4）中：E 为能量流量（MJ/h）； Q 为标准状态下体积流量 (m³/h) ）； H_HV 为高位发热量（ MJ/m³ ）；Z 为压缩因子（无量纲）。

2.2 计算结果

2.2.1 数据采集

选取 HD 增压站（气源为煤层气）、Z 南山站（气源为页岩气）2024 年 10月15 日起为期一周的日实时监测数据平均数进行计算，具体参数见表 1。

2.2.2 压缩因子计算

根据 AGA8-92DC 方法，压缩因子 Z 的计算需先确定天然气混合物的虚拟临界参数。对于 HD 增压站（煤层气）和 Z 南山站（页岩气），其组分主要为 CH₄. 、C₂H₆ 和 N₂ ，各组分临界参数如下：

CH₄ ：临界温度T（c， CH₄)=190.56K ，临界压力P（c，

C₂H₆ ：临界温度 T（c， ，临界压力 P（c， C₂H₆)=4.872 MPaN₂ ：临界温度T（c， N₂ ） =126.2K ，临界压力P（c， N₂^∙∙ ） =3 .394 MPa混合物虚拟临界温度 T_cm 和临界压力 P_cm 采用摩尔分数加权平均计算：

（5）以HD 增压站10 月15 日数据为例：T Π_cm^,=0.942×190.56+02008×305.32+0.050×126.2=186.3K P_cm=0.942×4.604+0.008×4.872+0.050×3.394=4.487MPa

对比温度 ，对比压力 ，代入 AGA8-92DC 状态方程，迭代求解得Z=0.932。同理计算其他日期数据，结果见表2。

2.2.3 高位发热量计算根据公式（3）计算可得表3 所示高位发热量

2.3 结果讨论

2.3.1 压缩因子影响因素分析

HD 增压站压缩因子（ ）略高于 Z 南山站（ ⋅916^～0.922 ），主要原因是：

（1）压力差异：Z 南山站平均压力（ 2.09MPa ）高于 HD 增压站（ .1.85MPa, ），而AGA8-92DC 方法中高压会导致压缩因子下降（分子间相互作用增强）。

（2） 组 分 差 异：HD 增 压 站 氮 气 含 量（5. 0%^～5 .4%） 高 于 Z 南 山 站（2. 7%3 .3%），氮气临界参数低，提高混合物虚拟临界温度，使对比温度升高，压缩因子趋近于1。

2.3.2 高位发热量波动原因

两站点发热量均在37. 0^～37.7MJ/m³ 区间波动，主要受以下因素影响：

（1）甲烷含量主导：HD 增压站甲烷平均含量（94. 1% ）高于 Z 南山站（91.6%），但后者乙烷含量（1.5%）是前者（0.8%）的近 2 倍，乙烷高热值部分补偿了甲烷差异，导致两者发热量接近。

（2）氮气稀释效应：HD 增压站氮气含量更高，直接稀释了可燃组分浓度，若氮气含量每升高 1% ，发热量约下降 0.4MJ/m³ 。

2.3.3 能量流量对比

根据公式（4），能量流量 E=Q⋅H_HV. （假设标准体系流量Q 相同）：HD 增压站平均：

Z 南山站平均

HD 增压站能量流量高 2.3% ，反映出煤层气（HD）较页岩气（Z）在相同工况下输送能量略优。

3 天然气长输管道能量计量赋值结果检验

3.1 发热量赋值精度要求

GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》（2023 版）中规定的“赋值发热量最大允许误差值（MPEV，Maximum Permissible Error Value）”依据计量系统分级划分，具体要求如表4 所示：

3.2 结果验证分析

选取两站点 10 月 15 日样品进行实验室离线色谱分析，与在线监测数据进行对比，结果见表5。

表5 在线监测与实验室分析对比

在线监测与实验室结果偏差均小于 0.5% ，满足 GB/T 22723-2008 精度要求。

3.3 误差判定及改进

3.3.1 误差来源分析

（1）设备误差：温度变送器（精度 ）和压力变送器（精度±0 .1%FS）引入的状态参数误差，经传递计算对压缩因子影响约 0.2% 。

（2）组分分析延迟：色谱仪周期为 15 分钟，若气质突发波动（如气源切换），可能导致10 分钟内数据滞后，影响实时计量。

（3）模型简化：AGA8-92DC 方法假设气体为理想混合物，忽略高阶组分（如H2S、 C0₂ ）影响，在多气源复杂工况下可能引入 0.3%～0.5% 误差。

3.3.2 改进措施

（1）设备校准：建立季度校准机制，使用标准气样对色谱仪进行漂移修正，压力/ 温度传感器引入冗余配置（双传感器取均值）[5]。

（2）动态补偿：在 SCADA 系统中嵌入气质波动预测模型，当组分变化速率超过1%/h 时，自动触发加密采样（周期缩短至5 分钟）[6]。

（3）模型优化：针对页岩气中可能含有的微量 H2S（ ≤20mg/m³ ），在计算中增加修正项，参考GB/T11060.10-2021《天然气含硫化合物的测定》。

结论:

（1）基于 AGA8-92DC 和 GB/T11062-2014 的物性参数赋值方法，在煤层气、页岩气长输管道计量中表现出良好的精度（发热量偏差 ⩽0.5% ，压缩因子偏差⩽0.32% ），满足国家标准要求。

（2）气源组分差异（如甲烷 / 乙烷含量、氮气稀释效应）和状态参数（压力、温度）波动是影响能量计量的关键因素，需通过在线监测系统实时跟踪并动态修正。

（3）误差检验表明，设备校准、动态补偿和模型优化可进一步提升计量可靠性，建议在多气源混合输送场景中推广“在线监测 + 智能算法”的联合赋值模式。

参考文献：

[1] 全国天然气标准化技术委员会 (SAC/TC 244). 天然气能量的测定 :GB/T 22723-2008[S]. 中国标准出版社 ,2008.

[2]GB/T 17747.2-2011，天然气压缩因子的计算 [S]. 北京 : 国标准出版社，2009

[3]GB/T 11062-2014，天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法 [S]. 北京 : 国标准出版社，2015

[4] 刘婉莹 , 刘志嫱 , 艾素萍 , 等 . 多气源管网天然气发热量赋值计算方法研究 [J]. 节能 ,2023(9):1350-1355.

[5] 吴岩 , 李海川 , 宋超凡 , 等 . 天然气能量计量关键技术的探讨 [J]. 中国测试 ,2023,49(S1):18-23.

[6] 刘婷婷 . 我国天然气长输管道定价机制改革研究 [J]. 质量与市场 ,2021(9):143-145.

作者简介：吕佼：1987.03，本科，武汉理工大学，工程师。