敲黑板：天然氣計量的知識，你都get到了嗎？

天然氣是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量乙烷、丙烷、丁烷，以及少量氮氣、二氧化碳等非烴類氣體，燃燒后幾乎無粉塵、疏化物等產(chǎn)生，相較煤炭、石油等能源有使用安全、熱值高、潔凈等優(yōu)勢。
目前，我國經(jīng)濟(jì)和石油與天然氣行業(yè)的強(qiáng)力發(fā)展，天然氣儲運計量也日益重要。當(dāng)前我國進(jìn)口天然氣管道陸續(xù)投產(chǎn)，全國天然氣骨干管網(wǎng)已基本形成，部分區(qū)域性天然氣管網(wǎng)逐步完善，非常規(guī)天然氣管道蓬勃發(fā)展，“西氣東輸、北氣南下、海氣登陸、就近外供”的供氣格局已經(jīng)形成。
而且我國天然氣消費量巨大，平均每天有超過5億立方米天然氣，通過國家天然氣骨干管網(wǎng)輸往全國各地，已形成國產(chǎn)常規(guī)氣、非常規(guī)氣（頁巖氣、致密砂巖氣、煤層氣等)、煤制天然氣、進(jìn)口液化天然氣、進(jìn)口管道氣等多元化的供銷格局。
2021年，我國天然氣消費量占一次能源消費總量比重達(dá)8.9%，較上年提升0.5個百分點，主干天然氣管道總里程達(dá)到11.6萬公里。從消費結(jié)構(gòu)看，工業(yè)用氣、城市燃?xì)?、發(fā)電用氣、化工化肥用氣分別占天然氣消費總量的40%、32%、18%、10%。
然而，我國在天然氣計量方面仍處于落后階段，如何提高天然氣計量的準(zhǔn)確性，是當(dāng)前面臨的重要問題。
天然氣計量單位的不統(tǒng)一，不僅影響我國天然氣市場化進(jìn)程，也不利于油氣管道基礎(chǔ)設(shè)施第三方準(zhǔn)入的實施。因此，過去粗放的體積計量方式已不能適應(yīng)我國天然氣高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需求，為適應(yīng)當(dāng)前我國天然氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要，天然氣計量改革刻不容緩。
我國作為WTO成員國，為盡快實現(xiàn)天然氣貿(mào)易計量與國際接軌，近年來針對能量計量開展了大量的研究工作，同時頒布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)章制度等。特別是2019年5月24日，國家發(fā)改委等四部門聯(lián)合發(fā)布了《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》，其中第13條明確提出要求：國家推行天然氣能量計量計價，于本辦法施行之日起24個月內(nèi)建立天然氣能量計量計價體系。
根據(jù)GB／T22723－2008《天然氣能量的測定》的規(guī)定，一定量氣體所含能量（E）為氣體量（Q）與對應(yīng)發(fā)熱量（ H ）的乘積。準(zhǔn)確測定發(fā)熱量，是確保天然氣能量計量高質(zhì)量實施的前提和保障。由此可見，發(fā)熱量測定在天然氣能量計量過程中的重要性程度。
什么是天然氣熱值
天然氣計量是天然氣生產(chǎn)、貿(mào)易、使用不可回避的問題
目前，天然氣計量包括體積計量、質(zhì)量計量和熱值(能量)計量三種方式。
體積計量和質(zhì)量計量，顧名思義就是計量天然氣的體積和質(zhì)量。我國因過去天然氣產(chǎn)量低、規(guī)模小，管理上也較為粗糙，一直采用相對較為粗放的體積計量方式。但這種計量方式無法體現(xiàn)天然氣的真實價值，“不同質(zhì)卻同價”在現(xiàn)實操作中帶來了一系列問題，同時受到溫度、壓力、流速等諸多因素的影響，都會造成計量的偏差。
以西氣東輸陜京一線和陜京二線為例，前者體積發(fā)熱值可達(dá)8500千卡，而后者為7900千卡，體積發(fā)熱值相差600千卡，使用體積計量方式易導(dǎo)致用戶使用燃?xì)獾馁|(zhì)量存在較大差異。
顯然一種合理的能夠被大眾所認(rèn)同的計量方式在天然氣貿(mào)易中是非常被需要的，而熱值計量正是這樣一種計量方式。
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什么是天然氣能量計量？
熱值計量也叫能量計量，是在體積計量的基礎(chǔ)上，再測量天然氣發(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。
換句話說，天然氣能量計量體系主要由體積流量測量Q和發(fā)熱量測量Hs兩部分組成。
熱值計量反映的是天然氣燃燒后所釋放的熱能，它是一種科學(xué)合理的計量方法，可以最好地反映天然氣作為燃料的特性。
熱值的理解：熱值是燃料本身的一種特性，表示燃料完全燃燒時放熱本領(lǐng)的大小，取決于燃料本身的化學(xué)成分，與燃料的質(zhì)量、燃料燃燒是否完全、燃燒快慢等無關(guān)。
因此，從科學(xué)公平計量的角度看，天然氣計量采用能量計量比體積計量更加合理，有利于準(zhǔn)確計量、體現(xiàn)公平、減少結(jié)算糾紛和天然氣行業(yè)的健康發(fā)展。
目前，在國際天然氣計量中，有三種計量方式比較常見，分別是應(yīng)用較少的質(zhì)量計量，在中國、俄羅斯、中亞比較通用的體積計量以及在歐美、日本和國際天然氣貿(mào)易市場上占主流地位的能量計量。
實施天然氣熱值計量的必要性與優(yōu)點
實施天然氣熱值計量的必要性：
01國際天然氣貿(mào)易對外接軌的需要；
02不同氣質(zhì)和發(fā)熱量的天然氣以同樣的體積為基礎(chǔ)進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，不能體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的公平交易原則；
03采用熱值計量、計價和結(jié)算，有利于提高天然氣資源利用效率、管輸效率；
04采用熱值計量的天然氣和采用體積計量的天然氣，已經(jīng)出現(xiàn)在同一管網(wǎng)內(nèi)混輸?shù)那闆r，造成結(jié)算困難；
由于世界各地天然氣的熱值是不同的，所以天然氣的價格也是不同的，為了實現(xiàn)公平貿(mào)易，必須要考慮熱值計量因素，同時，熱值計量的重要性與優(yōu)點也是不言而喻的：?
▲ 按質(zhì)論價、計量公平、買賣合理；
▲ 節(jié)能減排、降本增效、有利環(huán)保；
▲ 促進(jìn)國家能源計量的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化；
▲ 促進(jìn)氣源管理，提升高質(zhì)量燃?xì)馍a(chǎn)的有效管理；
▲ 消除不完全燃燒、保證安全用氣，保護(hù)環(huán)境；
▲ 實現(xiàn)能量數(shù)據(jù)化，為進(jìn)行能源分析、優(yōu)化提供手段；
如何分析計量天然氣熱值
目前國內(nèi)外天然氣成分熱值分析普遍使用的方法較多，有氣相色譜法、熱導(dǎo)式熱量儀、NDIR非分光紅外光譜法、多傳感器集成式熱值分析儀、激光拉曼光譜法和可調(diào)濾波紅外光譜法。
但是，這些熱值分析技術(shù)均存在一定的局限性，如氣相色譜法需要定期標(biāo)定、需要消耗載氣、成本較高、操作復(fù)雜等，NDIR非分光紅外光譜法總體精度/重復(fù)性較差、需要頻繁標(biāo)定、受環(huán)境因素影響較大等。
除了以上的分析計量方法，聲光關(guān)聯(lián)測定法是目前發(fā)展較多的測定方法，其技術(shù)優(yōu)勢在于：
● 測定速度快，1s內(nèi)可獲得多個數(shù)據(jù)（包括聲速數(shù)據(jù)）；
● 與超聲流量計測量流速基本實現(xiàn)同步；
● 能有效地避免CO2 、N2 等不貢獻(xiàn)發(fā)熱量的組分對測定的干擾；
● 現(xiàn)場不需要載氣；
● 相對氣相色譜儀及熱量計維護(hù)保養(yǎng)成本較低；
● 對環(huán)境要求不高；
● 能有效測定H2含量較高的氣體；
● 可實現(xiàn)在線、便攜和離線檢測；
● 適用于天然氣、煤制合成氣、摻氫天然氣、生物質(zhì)氣、煉廠氣及液化天然氣等；
目前，日本各大燃?xì)夤?、生物質(zhì)氣廠、天然氣發(fā)電廠、乙烯加工廠和燃?xì)庥脩舻葟V泛使用的利用聲速和可見光光譜關(guān)聯(lián)測定天然氣發(fā)熱量的方法及相應(yīng)設(shè)備。
理研計器的OHC-800型熱值儀，就是一款聲光關(guān)聯(lián)法能量測定設(shè)備。
理研計器OHC-800型熱值儀主要應(yīng)用于可燃?xì)怏w的貿(mào)易計量、質(zhì)量管理、生產(chǎn)調(diào)控和工業(yè)生產(chǎn)的燃燒控制，可以精確測量氣體的熱值，還具有快速響應(yīng)時間，這有助于實時監(jiān)控生產(chǎn)過程。
▲這是一款伴隨了理研公司近90年的傳感器
在OHC-800內(nèi)部有兩種傳感器：一種是?光學(xué)傳感器?，另一種是聲波傳感器。
通過使用理研計器自己的Op-Sonic計算方法，OHC-800可以獲得H2、CO2和CH4的濃度以及混合氣體的熱值。
聲光關(guān)聯(lián)法原理
聲
“聲”指的是聲速傳感器，利用碳?xì)漕悮怏w的聲音傳播速度與能量成正比的特性檢測混合物的可燃性氣體的能量；
光
“光”指的是光波干涉?zhèn)鞲衅?，主要利用的是碳?xì)漕悮怏w的光學(xué)折射率和熱值成正比的原理；
聲光關(guān)聯(lián)的組合技術(shù)的特點是，普遍的可燃?xì)怏w是混合物，其中難免或者肯定含有不含能量的氣體成分，這些成分對聲速傳感器的檢測結(jié)果會造成影響，同樣對光波干涉?zhèn)鞲衅饕嗳?，但是兩款傳感器在檢測同樣的可燃?xì)怏w時，這些不含能量的氣體成分對兩款傳感器造成的影響程度有固定倍數(shù)關(guān)系。
我們發(fā)現(xiàn)了這個規(guī)律后，通過數(shù)學(xué)計算即可除去干擾因素，得到準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，并且是實時在線的檢測結(jié)果。
● 我國已于2020年7月發(fā)布了中國計量協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)T／CMAYJ044—2020《天然氣熱值聲光測量儀》。
● 國家能源局在2021年9月30日下發(fā)了文件“國家能源局綜合司關(guān)于下達(dá)2021年能源領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂及外文版翻譯計劃的通知”（國能綜通科技［2021］92 號），由全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會負(fù)責(zé)組織制定能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（計劃號能源20210073）《天然氣發(fā)熱量的測定可見光光譜-超聲波關(guān)聯(lián)法》。
自2012年理研計器的OHC-800型熱值儀進(jìn)入中國市場以來，廣泛應(yīng)用于天然氣生產(chǎn)時的質(zhì)量管控領(lǐng)域、天然氣混合的過程管理領(lǐng)域、天然氣輸送的質(zhì)量監(jiān)控領(lǐng)域、天然氣能量計量的體積修正領(lǐng)域、天然氣應(yīng)用的空燃比調(diào)控領(lǐng)域。
除了在天然氣領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱以外，OHC-800型熱值儀還廣泛分布于：
01鋼鐵領(lǐng)域：如高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和發(fā)生爐煤氣等；
02石化領(lǐng)域：在原油裂解生產(chǎn)各種油品過程中會產(chǎn)生生產(chǎn)尾氣，又稱作煉廠干氣，干氣的主要成分是CnHm和H2、CO2、O2；
03天然氣發(fā)電領(lǐng)域：在燃燒中我們快速提供熱值參數(shù)、在比重控制中我們快速在線提供CO2參數(shù)、在氮氧化物管理中我們快速在線提供N2參數(shù)、在天然氣品質(zhì)管理中我們快速在線提供CH4參數(shù)。
04其他領(lǐng)域：在生物質(zhì)氣、沼氣、煤制天然氣、煤層氣、頁巖氣等領(lǐng)域，都有我們聲光關(guān)聯(lián)法熱值檢測設(shè)備的業(yè)績，為城市環(huán)保、能源的有效利用，我們一直在做出貢獻(xiàn)。與此同時，我們還在為LNG發(fā)動機(jī)提供著甲烷值、在為5～7MJ熱值發(fā)電輪機(jī)提供著調(diào)控參數(shù)等。
結(jié)語
理研計器熱值儀在中國的成功應(yīng)用，為各種爐窯溫度的自動控制及氣柜各煤氣配比的自動調(diào)節(jié)提供了精準(zhǔn)的熱值數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有效地節(jié)約了煤氣能源、提高了產(chǎn)品質(zhì)量、保證了工藝操作準(zhǔn)確性。
安全生產(chǎn)是關(guān)系人民群眾生命財產(chǎn)安全的大事，是經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展的標(biāo)志。在生產(chǎn)過程中，通過安裝氣體檢測報警裝置，時刻檢測有毒有害氣體泄漏濃度，將風(fēng)險隱患控制在源頭。
理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器。未來，我們?nèi)詫⒉粩嚅_發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項新功能，使得氣體檢測儀在應(yīng)用上更先進(jìn)、更適合日新月異的市場環(huán)境，致力于為用戶提供一個最可靠、最準(zhǔn)確、最安全的氣體檢測方案。
理研計器必將在未來氣體產(chǎn)業(yè)的生命安全畫卷中，添上濃墨重彩的一筆，守護(hù)人們的幸福生活，為生產(chǎn)和生活不斷創(chuàng)造新價值！為用戶選配適合原理的檢測儀，用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。