度量衡的專題新知

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在環保節能的國際潮流之下,能源進口占比超過99 %的台灣,以提高低碳與再生能源的使用比例,減少對傳統石化能源之依賴作為主要的因應方針,其中代表之一便是天然氣。天然氣為一低碳之能源,其主要組成為甲烷,燃燒時沒有硫氧化物(SOx)產生,而產生之氮氧化物(NOx)為煤炭的20 %~40 %,二氧化碳(CO2)為煤炭的50 %~60 %,實爲一優質能源與化工原料。

 

根據資料顯示,1999年全球天然氣消費量為84兆立方呎,約占全球總能源消費量的23 %,估計1999年至2020年間,天然氣總消費量將以年平均3.2 %成長率穩定成長,在2020年天然氣消費量將達到162兆立方呎,占全球總能源消費量的28 %。國內天然氣用量每年均穩定成長,至民國98年,全年使用量已超過1000萬公噸,交易金額超過1700億,其中約八成的使用量用於發電,並預期未來天然氣在發電量的能源組合中的占比由原本約22 %提高至25 %。此外,能源局近日完成電價公式之檢討,確定會把燃煤、燃氣與燃油三種原料納入浮動電價公式內。浮動電價是以每季檢討燃料成本,並反映到電價上進行收費,由於燃氣占電價公式比重最大,若天然氣成本提高,將牽動浮動電價喊漲,形成雙漲效應。而電廠用氣計量的準確度將直接影響計費,因此計量用之流量計的準確與公正必須為買賣雙方認可。

 

歐美先進國家對天然氣計量技術的研究起步甚早,也投入相當多的科技人力及經費。流量計型式的選用上,歐洲主要使用渦輪式 (turbine) 和正位式 (Positive Displacement) 流量計,在加拿大則有九成是使用渦輪流量計,而美國則以使用孔板型 (Orifice Plate) 差壓式流量計爲主。從流量計的使用歷程來看,70年代為孔板型差壓式的使用高峰,80年代則為渦輪式,到了90年代中後期則為超音波式 (ultrasonic) 流量計的發展及使用熱潮。我國自60年代開始發展石化工業,相關產業技術主要源自美國,因此在石化產品的流量量測也是以孔板型流量計爲主,天然氣傳輸和交易計量使用的流量計亦然。但近10年來,超音波式流量計使用於交易計量出現顯著成長,其擁有的優點包括可自我診斷、沒有可動件且結構簡單,因而可大幅降低壓損問題及維護成本等。在天然氣計量領域,超音波式流量計已漸漸取代中油公司各配氣站原有的流量計,且不論小流量或大流量,皆提供令人滿意的表現。

 

為了確保天然氣計量的準確度,國際流量研究機構自數十年前即開始並持續付出心力和時間,針對天然氣的物化性質以及適用之流量計,進行實驗及資料分析,因而得以建立具有代表性的標準,例如天然氣流量標準孔板計量標準 (AGA No. 3)、氣體渦輪式流量計標準 (AGA No. 7 和ISO 9951)、天然氣及其他烴類氣體的壓縮性和超壓縮性標準( AGA No. 8)、多軌型超音波式流量計之天然氣計量標準 (AGA No. 9)、差壓裝置測量流體流量標準 (ISO 5167)、氣體超音波式流量計標準 (ISO/TR 12765)以及天然氣壓縮因數計算標準 (ISO/DIS 12213)等,這些標準規範是為天然氣計量的重要參考依據。

 

台灣中油公司為提升燃氣電廠的天然氣計量準確度,於2005年透過本實驗室的協助,在煉製研究所建置完成氣體大流量校正實驗室 (如圖一),並於隔年9月取得全國認證基金會 (TAF) 認證。實驗室採用的校正方法為標準流量計法,係直接以單一或並聯之標準流量計和待校流量計進行量測值比對。所使用的標準件是150 mm口徑的超音波式流量計,藉由定期送至國家度量衡標準實驗室的高壓氣體流量標準系統進行校正,完成準確度確認以及標準追溯。氣體大流量校正實驗室之循環式高壓氣體流量校正設備,其校正能量可涵蓋目前台灣天然氣輸送管線上、中、下游所安裝之400 mm以下口徑的各尺寸氣量計,另外還可提供中油公司煉製和石化事業部以及國內其他單位之各尺寸氣量計校正服務。此流量校正設備的建置,除了可以確保台灣天然氣計量準確度以減少交易糾紛,同時可協助提昇台灣氣體流量校正的能量。

 

目前中油公司在各燃氣火力發電廠計量站以及配氣站都配置有500 mm(20英吋)以上的大口徑天然氣輸送管路,管路上安裝之流量計因牽涉的交易金額相當多,加上校正設備的限制,使得這些線上流量計無法接受校正以確認其量測準確度。因此,如何針對大口徑流量計實施校驗以維持交易公正性,成為一個相當重要的議題。以大潭電廠為例,每年電能的輸出約13,245千瓦小時,並持續增加中,由於如此運轉條件之用氣量十分龐大,台電及中油公司對天然氣計量的準確性均極為重視。假使天然氣計量器差達到1 %,每年天然氣交易計量的差異便會超過新台幣六千萬,因此,台電及中油公司要求相關計量設備的校正作業需委請具有高壓氣體流量校正經驗的第三公證獨立單位審核及執行,2010年初遂被委託擔此重任。

 

在涉及交易計量之大口徑管路的天然氣計量量測上,由於拆卸流量計有實務上的困擾,而且一般校正實驗室並不具備大口徑流量計的校正能力。所以,通常採用線上實流方式進行校正,而且必須在大口徑管路上串接數支較小尺寸的並聯旁通管路,再安裝經過校正之較小口徑的標準流量計,以並聯方式執行校正。同樣舉大潭電廠為例,大潭計量設備使用之流量計為六部600 mm口徑的超音波式流量計,其準確性由同樣位於大潭計量站之四部300 mm口徑之超音波式流量計來確保。如圖二所示,此四部300 mm口徑之超音波式流量計會每年定期拆卸送至煉製研究所的氣體大流量校正實驗室進行校正,再透過前述的150 mm口徑標準件追溯至國家度量衡標準實驗室的原級高壓氣體流量標準系統。

 

天然氣除了提供發電外,約兩成比例則透過中油及全國其他24家公用天然氣事業公司提供給終端280餘萬家庭、商業、服務業及部分工業用戶。由於牽涉到大量的民間用戶與交易金額,此部分屬於法定計量的範疇,由政府訂定標準與法規以規範相關氣量計的型式認證與檢定檢查,並由經濟部標準檢驗局及相關核可單位負責施行,以確保公用天然氣交易的公平計價。國家度量衡標準實驗室同樣扮演著提供具國際等同的計量標準以滿足各型氣量計的認證與每年近30萬個瓦斯表檢定檢查之標準追溯需求的重要角色。圖三為流量與能源研究室因應廠商需求所研製開發之膜式氣量計檢測系統,該系統的核心係為以音速噴嘴為工作標準的全自動器差、壓損、洩漏all in one檢測機台,具有多通道、可程控、具資料庫管理系統、可自動產生報表等特色。配合國內相關法規的修訂與功能的提升,目前已開發至第四代,並先後移轉共22套設備給瓦斯表廠商及標檢局,不僅確保了法規的施行及公平交易,也提升了計量儀器產業的能力與品質,創造產業與社會的複合效益。

 

天然氣不僅是重要的民生與工業物資,更在國家須同時滿足用電需求與推動節能減碳的矛盾中扮演關鍵策略性的角色。藉由完整校正追溯體系的建立與維持,國家度量衡標準實驗室不僅確保各級用戶交易公平的機制,在氣電的買賣過程中為全民的荷包把關,更創造了減少糾紛,穩定社會人心的無形價值。

 

NML天然氣1

圖一:氣體大流量校正實驗室                                          圖二:膜式氣量計檢定系統

NML天然氣2

圖三:大潭電廠線上天然氣計量用流量計校正示意圖

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