敲黑板：天然氣計(jì)量的知識(shí)，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?dú)?、二氧化碳等非烴類氣體，燃燒后幾乎無(wú)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(shì)。
目前，我國(guó)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(chǔ)運(yùn)計(jì)量也日益重要。當(dāng)前我國(guó)進(jìn)口天然氣管道陸續(xù)投產(chǎn)，全國(guó)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(guó)天然氣消費(fèi)量巨大，平均每天有超過(guò)5億立方米天然氣，通過(guò)國(guó)家天然氣骨干管網(wǎng)輸往全國(guó)各地，已形成國(guó)產(chǎn)常規(guī)氣、非常規(guī)氣（頁(yè)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(guó)天然氣消費(fèi)量占一次能源消費(fèi)總量比重達(dá)8.9%，較上年提升0.5個(gè)百分點(diǎn)，主干天然氣管道總里程達(dá)到11.6萬(wàn)公里。從消費(fèi)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(fèi)總量的40%、32%、18%、10%。
然而，我國(guó)在天然氣計(jì)量方面仍處于落后階段，如何提高天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確性，是當(dāng)前面臨的重要問(wèn)題。
天然氣計(jì)量單位的不統(tǒng)一，不僅影響我國(guó)天然氣市場(chǎng)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(shí)施。因此，過(guò)去粗放的體積計(jì)量方式已不能適應(yīng)我國(guó)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(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要，天然氣計(jì)量改革刻不容緩。
我國(guó)作為WTO成員國(guó)，為盡快實(shí)現(xiàn)天然氣貿(mào)易計(jì)量與國(guó)際接軌，近年來(lái)針對(duì)能量計(jì)量開(kāi)展了大量的研究工作，同時(shí)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(guó)家發(fā)改委等四部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開(kāi)放監(jiān)管辦法》，其中第13條明確提出要求：國(guó)家推行天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)，于本辦法施行之日起24個(gè)月內(nèi)建立天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系。
根據(jù)GB／T22723－2008《天然氣能量的測(cè)定》的規(guī)定，一定量氣體所含能量（E）為氣體量（Q）與對(duì)應(yīng)發(fā)熱量（ H ）的乘積。準(zhǔn)確測(cè)定發(fā)熱量，是確保天然氣能量計(jì)量高質(zhì)量實(shí)施的前提和保障。由此可見(jiàn)，發(fā)熱量測(cè)定在天然氣能量計(jì)量過(guò)程中的重要性程度。
什么是天然氣熱值
天然氣計(jì)量是天然氣生產(chǎn)、貿(mào)易、使用不可回避的問(wèn)題
目前，天然氣計(jì)量包括體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和熱值(能量)計(jì)量三種方式。
體積計(jì)量和質(zhì)量計(jì)量，顧名思義就是計(jì)量天然氣的體積和質(zhì)量。我國(guó)因過(guò)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(duì)較為粗放的體積計(jì)量方式。但這種計(jì)量方式無(wú)法體現(xiàn)天然氣的真實(shí)價(jià)值，“不同質(zhì)卻同價(jià)”在現(xiàn)實(shí)操作中帶來(lái)了一系列問(wèn)題，同時(shí)受到溫度、壓力、流速等諸多因素的影響，都會(huì)造成計(jì)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(jì)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(jì)量方式在天然氣貿(mào)易中是非常被需要的，而熱值計(jì)量正是這樣一種計(jì)量方式。
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什么是天然氣能量計(jì)量？
熱值計(jì)量也叫能量計(jì)量，是在體積計(jì)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。
換句話說(shuō)，天然氣能量計(jì)量體系主要由體積流量測(cè)量Q和發(fā)熱量測(cè)量Hs兩部分組成。
熱值計(jì)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(jì)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(shí)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(wú)關(guān)。
因此，從科學(xué)公平計(jì)量的角度看，天然氣計(jì)量采用能量計(jì)量比體積計(jì)量更加合理，有利于準(zhǔn)確計(jì)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(guó)際天然氣計(jì)量中，有三種計(jì)量方式比較常見(jiàn)，分別是應(yīng)用較少的質(zhì)量計(jì)量，在中國(guó)、俄羅斯、中亞比較通用的體積計(jì)量以及在歐美、日本和國(guó)際天然氣貿(mào)易市場(chǎng)上占主流地位的能量計(jì)量。
實(shí)施天然氣熱值計(jì)量的必要性與優(yōu)點(diǎn)
實(shí)施天然氣熱值計(jì)量的必要性：
01國(guó)際天然氣貿(mào)易對(duì)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(jià)的公平交易原則；
03采用熱值計(jì)量、計(jì)價(jià)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(jì)量的天然氣和采用體積計(jì)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(jià)格也是不同的，為了實(shí)現(xiàn)公平貿(mào)易，必須要考慮熱值計(jì)量因素，同時(shí)，熱值計(jì)量的重要性與優(yōu)點(diǎn)也是不言而喻的：?
▲ 按質(zhì)論價(jià)、計(jì)量公平、買(mǎi)賣(mài)合理；
▲ 節(jié)能減排、降本增效、有利環(huán)保；
▲ 促進(jìn)國(guó)家能源計(jì)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(shí)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(jì)量天然氣熱值
目前國(guó)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?jī)x、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(jì)量方法，聲光關(guān)聯(lián)測(cè)定法是目前發(fā)展較多的測(cè)定方法，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：
● 測(cè)定速度快，1s內(nèi)可獲得多個(gè)數(shù)據(jù)（包括聲速數(shù)據(jù)）；
● 與超聲流量計(jì)測(cè)量流速基本實(shí)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(duì)測(cè)定的干擾；
● 現(xiàn)場(chǎng)不需要載氣；
● 相對(duì)氣相色譜儀及熱量計(jì)維護(hù)保養(yǎng)成本較低；
● 對(duì)環(huán)境要求不高；
● 能有效測(cè)定H2含量較高的氣體；
● 可實(shí)現(xiàn)在線、便攜和離線檢測(cè)；
● 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(jiàn)光光譜關(guān)聯(lián)測(cè)定天然氣發(fā)熱量的方法及相應(yīng)設(shè)備。
理研計(jì)器的OHC-800型熱值儀，就是一款聲光關(guān)聯(lián)法能量測(cè)定設(shè)備。
理研計(jì)器OHC-800型熱值儀主要應(yīng)用于可燃?xì)怏w的貿(mào)易計(jì)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(cè)量氣體的熱值，還具有快速響應(yīng)時(shí)間，這有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)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(guò)使用理研計(jì)器自己的Op-Sonic計(jì)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(cè)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(diǎn)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(duì)聲速傳感器的檢測(cè)結(jié)果會(huì)造成影響，同樣對(duì)光波干涉?zhèn)鞲衅饕嗳?，但是兩款傳感器在檢測(cè)同樣的可燃?xì)怏w時(shí)，這些不含能量的氣體成分對(duì)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(gè)規(guī)律后，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算即可除去干擾因素，得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，并且是實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)結(jié)果。
● 我國(guó)已于2020年7月發(fā)布了中國(guó)計(jì)量協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T／CMAYJ044—2020《天然氣熱值聲光測(cè)量?jī)x》。
● 國(guó)家能源局在2021年9月30日下發(fā)了文件“國(guó)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(jì)劃的通知”（國(guó)能綜通科技［2021］92 號(hào)），由全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)組織制定能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（計(jì)劃號(hào)能源20210073）《天然氣發(fā)熱量的測(cè)定可見(jiàn)光光譜-超聲波關(guān)聯(lián)法》。
自2012年理研計(jì)器的OHC-800型熱值儀進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，廣泛應(yīng)用于天然氣生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量管控領(lǐng)域、天然氣混合的過(guò)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(jì)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(guò)程中會(huì)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(yè)巖氣等領(lǐng)域，都有我們聲光關(guān)聯(lián)法熱值檢測(cè)設(shè)備的業(yè)績(jī)，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(shí)，我們還在為L(zhǎng)NG發(fā)動(dòng)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(yǔ)
理研計(jì)器熱值儀在中國(guó)的成功應(yīng)用，為各種爐窯溫度的自動(dòng)控制及氣柜各煤氣配比的自動(dòng)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(cái)產(chǎn)安全的大事，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的標(biāo)志。在生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)安裝氣體檢測(cè)報(bào)警裝置，時(shí)刻檢測(cè)有毒有害氣體泄漏濃度，將風(fēng)險(xiǎn)隱患控制在源頭。
理研計(jì)器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測(cè)器。未來(lái)，我們?nèi)詫⒉粩嚅_(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項(xiàng)新功能，使得氣體檢測(cè)儀在應(yīng)用上更先進(jìn)、更適合日新月異的市場(chǎng)環(huán)境，致力于為用戶提供一個(gè)最可靠、最準(zhǔn)確、最安全的氣體檢測(cè)方案。
理研計(jì)器必將在未來(lái)氣體產(chǎn)業(yè)的生命安全畫(huà)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(jià)值！為用戶選配適合原理的檢測(cè)儀，用成熟的工藝完善氣體檢測(cè)系統(tǒng)。