天然氣能量計量的溯源性與不確定度評定

陳賡良

全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書處

分析計量與標(biāo)準(zhǔn)化

天然氣能量計量的溯源性與不確定度評定

陳賡良

全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書處

扼要介紹了天然氣能量計量涉及的3種不同類型計量方式。由于它們的量傳與溯源方式有明顯區(qū)別，故其測定結(jié)果的不確定度評定方法及其適用標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。并指出我國目前已經(jīng)在能量計量技術(shù)開發(fā)方面取得了長足的進(jìn)步，但在溯源性架構(gòu)、獲得及應(yīng)用方面仍與國外先進(jìn)水平存在相當(dāng)大的差距。鑒此，對今后的研發(fā)工作提出以下建議：①盡快制定并發(fā)布天然氣分析溯源準(zhǔn)則國家標(biāo)準(zhǔn)；②加快相對擴展不確定度(U)優(yōu)于0.3%(k=2)0級熱量計的建設(shè)；③作好蒙特卡洛模擬法評定天然氣管網(wǎng)能量計量系統(tǒng)不確定度的技術(shù)準(zhǔn)備。

天然氣 能量計量 溯源性 天然氣組成分析 0級熱量計 蒙特卡洛模擬

1 溯源性(鏈)是能量計量不確定度評定的基礎(chǔ)

溯源性是同一性與準(zhǔn)確性的技術(shù)歸宗，屬計量學(xué)基本原理。具有溯源性的數(shù)據(jù)即使(與科技發(fā)展水平密切有關(guān)的)準(zhǔn)確性較差，也仍有實用價值,但不具有溯源性的數(shù)據(jù)則無意義。因此，按計量學(xué)原理建立溯源性(鏈)的最終目的是將其量化后應(yīng)用于不確定度評定。對天然氣能量計量而言，架構(gòu)、獲得、量化各有關(guān)測量項目的溯源鏈，并將其應(yīng)用于不確定度評定，是一項既涉及巨大經(jīng)濟利益又具有相當(dāng)實施難度的計量學(xué)課題，迄今尚在不斷發(fā)展與完善之中。

根據(jù)GB/T 22723-2008《天然氣能量的測定》的規(guī)定，可以導(dǎo)出天然氣能量計量不確定度評定的計算式,見式(1)和式(2)。

E=HQ

(1)

式中：E為能量；H為天然氣的發(fā)熱量；Q為天然氣的流量(體積或質(zhì)量)。

(2)

式中：u(E)為能量計量系統(tǒng)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；uH為發(fā)熱量值的相對不確定度；uQ為氣體流量的相對不確定度。

式(2)表明，能量計量的不確定度是發(fā)熱量測定不確定度(uH)和體積流量測定不確定度(uQ)的方和根。天然氣流量計量屬力學(xué)計量范疇，是典型的物理計量。但天然氣發(fā)熱量有直接法和間接法兩大類測定方法，前者以氣體熱量計直接測定，屬化學(xué)計量中的物理化學(xué)計量；后者則利用氣相色譜法測定天然氣組成后進(jìn)行計算，屬化學(xué)計量中的分析化學(xué)計量。由此可見，天然氣能量計量涉及3種不同類型的計量方式，它們的量傳與溯源方式也有所區(qū)別，故不確定度評定方法及其適用標(biāo)準(zhǔn)也各不相同(見表1)。

表1 量傳和溯源方式與不確定度評定的關(guān)系[1]Table1 Relationshipbetweenmasstransmitting,tracingmodesanduncertaintyestimation計量類型體積流量測量(物理計量)發(fā)熱量(直接)測定(物理化學(xué)計量)氣相色譜分析(分析化學(xué)計量)適用規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)JJF1059.1GB/T18603ISO15971ISO/TR24094JJF1135GB/T13610量值傳遞與溯源方式實物標(biāo)準(zhǔn)逐級傳遞以0級熱量計向SI制單位溯源,水流式熱量計以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)5個9的純甲烷進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物(RGM)溯源溯源基準(zhǔn)SI制測量單位SI制測量單位基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)氣混合物(PSM)的公議值溯源鏈結(jié)構(gòu)原級-次級-工作級不存在類似體積流量測量和氣相色譜分析那樣的溯源鏈結(jié)構(gòu),以ISO/TR24094規(guī)定方法驗證PSM的公議值PSM-CRM①-WRM②基準(zhǔn)級-認(rèn)證級-工作級A類不確定度評定對觀測列進(jìn)行統(tǒng)計分析,確定數(shù)據(jù)分散性對觀測列進(jìn)行統(tǒng)計分析,確定數(shù)據(jù)分散性規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)方法的精密度(ISO10723)B類不確定度評定根據(jù)現(xiàn)有信息,采用非統(tǒng)計方法(GUM)評定(JJF1059.1)根據(jù)現(xiàn)有信息,采用非統(tǒng)計方法評定按ISO14111規(guī)定利用RGM溯源 注:①CRM為認(rèn)證級標(biāo)準(zhǔn)氣混合物;②WRM為工作級標(biāo)準(zhǔn)氣混合物。

中國石油根據(jù)我國輸氣規(guī)模、管理模式和技術(shù)要求，選擇了適合我國國情的m-t法原級和音速噴嘴次級流量計量基(標(biāo))準(zhǔn)裝置，其擴展不確定度(U)分別達(dá)到0.10%和0.25%的國際先進(jìn)水平，并建立了較完善的溯源體系。圖1所示為2007年建成的中國石油西氣東輸管道公司南京計量中心的量傳模式[2]。

在間接法測定天然氣發(fā)熱量領(lǐng)域中，中國石油西南油氣田公司天然氣研究院(以下簡稱天然氣研究院)已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)方法與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究方面取得一系列成果。但由于我國當(dāng)前化學(xué)測量不確定評定的標(biāo)準(zhǔn)化相對滯后，迄今尚未發(fā)布天然氣分析溯源準(zhǔn)則國家標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用于能量計量的、準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%的十元標(biāo)準(zhǔn)氣混合物(RGM)尚需依賴進(jìn)口。從計量溯源性角度考慮，準(zhǔn)確度至少能滿足能量計量要求的發(fā)熱量測定基準(zhǔn)裝置(0級熱量計)迄今尚在計劃之中。由于沒有0級熱量計，故即使制得了高準(zhǔn)確度的RGM也無法在國內(nèi)定值。

2 制定天然氣分析溯源準(zhǔn)則國家標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)務(wù)之急

ISO/TC 193于1997年發(fā)布的ISO 14111《天然氣分析溯源準(zhǔn)則》是全球第一個就特定物質(zhì)發(fā)布的化學(xué)測量溯源準(zhǔn)則，也是迄今為止唯一的一個，故其在確保能量計量過程中量值傳遞與測量準(zhǔn)確性方面具有重要意義。

由于天然氣組成極其復(fù)雜，且商品天然氣中甲烷、乙烷等主要組分的濃度變化范圍大，加之大多數(shù)場合采用物質(zhì)的量比的形式表示計量結(jié)果，而目前技術(shù)條件下尚無法直接溯源至SI制基本單位mol。因此，在以氣相色譜法分析天然氣組成時很難實現(xiàn)實物標(biāo)準(zhǔn)逐級傳遞(或溯源)。

圖2所示為ISO 14111建議的天然氣分析溯源鏈[3]。從計量學(xué)角度審視其實質(zhì)是將樣品分析結(jié)果的溯源性還原為RGM的溯源性，通過制備不同測量不確定度的RGM以完成從基準(zhǔn)級→認(rèn)證級→工作級等各個層級間量傳(或溯源)。由于ISO 14111是國際標(biāo)準(zhǔn)，故沒有具體規(guī)定每個層級RGM的不確定度。但按國際慣例，PSM的擴展不確定度(U)應(yīng)優(yōu)于0.1%(k=2)；與能量計量要求準(zhǔn)確度配套的CRM的U應(yīng)優(yōu)于0.5%(k=2)；WRM的U為2%～3%(k=2)。據(jù)此原則，有些國家還自行規(guī)定了氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溯源鏈層次及不確定度范圍(見表2)。

表2 英國氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溯源鏈Table2 TraceabilitychainofreferencegasinUK名稱代號不確定度范圍基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)氣混合物PSM±0.02%～±0.10%基準(zhǔn)參比氣體混合物PRGM±0.2%～±0.3%二級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)SGS±0.5%～±1.0%認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)氣混合物CRM±1%～±3%

在VAMGAS研究項目中，由荷蘭國家計量院(NMI)制備的兩種PSM級RGM分別代表北海氣田(H組)和格羅寧根氣田(L組)生產(chǎn)的天然氣。每種RGM均包括8個組分，其中濃度最高的甲烷組分的相對不確定度達(dá)到0.001%的水平，不確定度水平最差的戊烷組分也達(dá)到0.025%(見表3)。

表3 PSM級RGM中有關(guān)組分的相對不確定度(u)Table3 Relativeexpendeduncertainty(u)forrelevantcomponentsinPSM%組分應(yīng)用于H組天然氣應(yīng)用于L組天然氣甲烷0.0010.001乙烷0.0060.009丙烷0.0110.010正丁烷0.0120.010異丁烷0.0120.011正戊烷0.025-二氧化碳0.0050.006氮0.0140.005

綜上所述可以看出，通過標(biāo)氣制備獲得的溯源性是必須標(biāo)示出各個層級的不確定度，并由適當(dāng)?shù)囊?guī)范或標(biāo)準(zhǔn)加以明確，從而為質(zhì)量控制提供保證。但因我國迄今尚未發(fā)布天然氣分析溯源準(zhǔn)則，不僅在技術(shù)文獻(xiàn)與報告中出現(xiàn)杜撰溯源鏈結(jié)構(gòu)，曲解不確定度評定含義的現(xiàn)象。而且在術(shù)語的應(yīng)用方面相當(dāng)混亂，如不糾正，將會影響校準(zhǔn)實驗室之間的國際互認(rèn)。例如，GB/T 20604《天然氣詞匯》對一級標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物(PSM)的定義為：其組分量水平被最準(zhǔn)確地測定過的氣體混合物，可作為測定其他氣體混合物中組分量水平的標(biāo)準(zhǔn)氣體。目前，德國BAM、英國NPL、荷蘭NMI及美國NIST制備的天然氣分析用PSM的相對擴展不確定度均達(dá)到優(yōu)于0.1%(k=2)的水平。但按我國1987年7月發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法規(guī)定的命名原則，天然氣研究院已制備了認(rèn)證編號為GBW06306～GBW06308的3種一級標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物，而它們的相對不確定度僅為1.0%，只達(dá)到WRM級的水平。

3 0級熱量計是法制計量要求的基準(zhǔn)測量儀器

RGM雖然在架構(gòu)天然氣組成分析結(jié)果的溯源性起了關(guān)鍵作用，但其不同層級所標(biāo)示的不確定度僅是通過室間循環(huán)比對試驗(round robin test)得到的“公議值” (即各實驗室之間的測量偏差)，并未溯源至SI制單位(溯源鏈的頂層)，故在量值溯源方面存在缺陷。鑒此，ISO/TC 193于2001年組織了有德國、英國、荷蘭、法國等9個歐洲國家的18個具備資質(zhì)的實驗室參與的VAMGAS研究項目。根據(jù)該項目的研究成果，ISO/TC 193于2006年發(fā)布技術(shù)報告ISO/TR 24094 《氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的驗證》，確認(rèn)了稱量法制備的多元RGM可通過與0級(參比)熱量計比較而溯源至SI制單位，從而奠定了它為多元RGM定值的理論基礎(chǔ)[4]。

應(yīng)用于實驗室間歇測定的熱量計種類很多，大致可分為氧彈式、水流式和等環(huán)境(isoperibplic)式3大類。氧彈式熱量計是測定固體或液體燃料發(fā)熱量的基(標(biāo))準(zhǔn)儀器，而等環(huán)境式0級熱量計是測定氣體燃料發(fā)熱量的基準(zhǔn)儀器[5]。建于德國聯(lián)邦技術(shù)物理研究院(PTB)和法國國家計量實驗室(LNE)的兩臺0級熱量計，用于測定純甲烷高位發(fā)熱量時的測量不確定度(u)均可達(dá)到優(yōu)于0.05%的水平，從而確認(rèn)了ISO 6976中給出的純甲烷高位發(fā)熱量的擴展不確定度(U)達(dá)到了優(yōu)于0.1%(k=2)的水平；同時也驗證了0級熱量計給多元RGM定值的可靠性。

按ISO 15971的規(guī)定，0級熱量計應(yīng)具有以下技術(shù)特點：

(1) 所有操作皆應(yīng)嚴(yán)格地按照最佳計量學(xué)實踐方式進(jìn)行，且所有相關(guān)物理測量皆可通過不間斷的比較鏈溯源至SI制單位。

(2) 當(dāng)前世界上正在運行的3臺0級熱量計都是“直接”測量質(zhì)量(m)和溫升(Δt)這兩個參數(shù)。

(3) 測量結(jié)果必須表示為質(zhì)量基發(fā)熱量，即kJ/g或MJ/kg。

(4) 熱量計基本結(jié)構(gòu)形式皆根據(jù)20世紀(jì)30年代美國國家標(biāo)準(zhǔn)局研制成功的Rossini型等環(huán)境雙體式熱量計為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(見圖3)。

如圖3所示，0級熱量計組合件置于帶有攪拌器的恒溫水浴中，在高于參比溫度約2 K的條件下，恒溫水浴的溫度控制精度可以達(dá)到10 mK。組合件由兩個同軸的銅/黃銅(筒形)容器組成，燃燒器、換熱器、攪拌器、測溫設(shè)備及溫度傳感器等均安裝在內(nèi)筒中。內(nèi)、外筒之間的空隙充有空氣，兩者相對的金屬表面均高度拋光并鍍金，以防止通過輻射轉(zhuǎn)移熱量。內(nèi)筒中充滿換熱介質(zhì)(通常為水)，并密封以防止換熱介質(zhì)的質(zhì)量發(fā)生變化，從而影響測得的熱當(dāng)量。

VAMGAS研究項目中按焦耳定律對0級熱量計進(jìn)行電學(xué)校準(zhǔn)時，將纏繞在熱量計上的50 Ω電阻加熱器通過一個Tinsley 1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻連接到穩(wěn)定的50 V電源。用Solatron 7056型帶微處理器的伏特計每隔3 s測定一次加熱器與1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻之間的電壓，從而確定電路中的電流。加熱周期的時間是由2A型石英鐘向Malden 8816型脈沖計數(shù)器供入的Dartinton頻率標(biāo)準(zhǔn)信號得到；石英鐘給出的10 MHz信號相當(dāng)于BBC廣播公司4套節(jié)目發(fā)出的198 kHz標(biāo)準(zhǔn)信號[6]。

表4 天然氣(發(fā)熱量直接測定式)熱量計的分級建議Table4 Asuggestionforclassificationofdirectmeasurementcalorimeter等級測量不確定度(k=2)/%準(zhǔn)確度等級測量誤差①/(MJ·m-3)備注0≤0.100.2可以作為量值傳遞或溯源的基準(zhǔn)儀器。GREG②新建參比熱量計測量純甲烷時不確定度可以達(dá)到優(yōu)于0.05%(k=2)1≤0.250.5≤±0.1供現(xiàn)場使用的準(zhǔn)確度等級最高的熱量計。Cutler-Hammer熱量計即為屬此類型的連續(xù)式測定儀,1990年代中期前曾廣泛應(yīng)用美國能量計量現(xiàn)場,現(xiàn)為氣相色譜取代2≤0.501.0≤±0.2測量不確定度不符合能量計量要求,天然氣工業(yè)不使用3≤1.02.0≤±0.4測量不確定度不符合能量計量要求,天然氣工業(yè)不使用 注:①假定樣品天然氣的高位體積發(fā)熱量為40MJ/m3;②GREG為歐洲天然氣研究集團。

雖然ISO 15971中對天然氣熱量計提出了一個按其測量準(zhǔn)確度進(jìn)行分級的建議(見表4)，但與ISO 14111規(guī)定的RGM應(yīng)架構(gòu)為基準(zhǔn)級→認(rèn)證級→工作級3個級別的溯源鏈完全不同。必須強調(diào)指出，各種型式的水流式熱量計和連續(xù)記錄式熱量計都是以純度達(dá)到99.999%的純甲烷進(jìn)行校準(zhǔn)，故它們與0級熱量計之間均不存在量傳或溯源關(guān)系。

4 GUM法評定能量計量系統(tǒng)不確定度示例

根據(jù)表1所列規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，下文介紹了一個新建天然氣分輸站在投產(chǎn)前對其能量計量系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評定的實例。本示例執(zhí)行ISO 5168有關(guān)規(guī)定，分別計算系統(tǒng)的A類和B類不確定度，然后由兩者合成而得到整個能量計量系統(tǒng)(在特定裝備和操作條件的)不確定度估計值。示例系統(tǒng)主要技術(shù)條件參見文獻(xiàn)[1]。

4.1 A類不確定度評定

本示例中能量計量系統(tǒng)的A類不確定度主要有5個來源：

(1) 氣體流量校準(zhǔn)的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(S1)：在大多數(shù)此類校準(zhǔn)中，隨機誤差可以控制在±0.2%以內(nèi)，故取S1=0.1%。

(2) 壓力校準(zhǔn)的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(S2)：按制造廠家提供的數(shù)據(jù)，在壓力變送器經(jīng)校準(zhǔn)的量程范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對準(zhǔn)確度的影響為±0.15%，故取S2=0.15%。

(3) 溫度校準(zhǔn)的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(S3)：按制造廠家提供的數(shù)據(jù)，溫度變送器在0～100 ℃量程范圍內(nèi)，模擬信號的隨機誤差為±0.1%，故取S3=0.1%。

(4) 天然氣樣品分析數(shù)據(jù)的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(S4)以連續(xù)5次進(jìn)樣標(biāo)準(zhǔn)氣混合物(RGM)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，S4=0.02%。

(5) 高位發(fā)熱量的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(S5)：高位發(fā)熱量是以氣相色譜儀獲得的氣體樣品組成數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算的；標(biāo)準(zhǔn)偏差源于上述5組典型的氣相色譜儀分析數(shù)據(jù)。預(yù)計來自基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不確定度貢獻(xiàn)值小于0.05%，來自計算方法偏差的貢獻(xiàn)值小于0.015%[7]。故取S5=0.05%。

4.2 B類不確定度評定

本示例中能量計量系統(tǒng)的B類不確定度也主要有5個來源。

(1) 流量校準(zhǔn)的不確定度(B1)：大多數(shù)氣體流量校準(zhǔn)實驗室的B類不確定度為0.23%；再加上超聲流量計有0.063 9%的典型零流速偏置。對8″(200 mm)天然氣流量計而言，當(dāng)氣體流速為17.4 m/s時，其流量校準(zhǔn)的B類不確定度可按式(3)計算：

B1=[(0.23)2+(0.063 9)2]1/2=0.238 7%

(3)

(2) 壓力測量的B類不確定度(B2)：用于校準(zhǔn)壓力變送器的設(shè)備有0.05%的B類不確定度，故取B2=0.05%。

(3) 溫度測量的B類不確定度(B3)： 用于校準(zhǔn)溫度變送器的設(shè)備有0.05%的B類不確定度，故取B3=0.05%。

(4) 由組分分析數(shù)據(jù)計算Z值導(dǎo)致的B類不確定度(B4)：樣品天然氣分析數(shù)據(jù)的B類不確定度是以連續(xù)5次進(jìn)樣分析標(biāo)準(zhǔn)氣混合物(RGM)為基準(zhǔn)計算的(實質(zhì)是按精密度估計的)。估計RGM的不確定度可能達(dá)到的最大值為0.2%，故取B4為0.2%。

(5) 高位發(fā)熱量測定的不確定度(B5)：根據(jù)天然氣分析溯源準(zhǔn)則，高位發(fā)熱量測量系統(tǒng)的B類不確定度可以按RGM的定值不確定度進(jìn)行估計。本示例現(xiàn)場使用的RGM可以溯源至美國國家標(biāo)準(zhǔn)工藝研究院(NIST)制備的基準(zhǔn)級RGM(PSM)，故取B5=0.2%。但是，當(dāng)RGM只能溯源至準(zhǔn)確度優(yōu)于0.3%認(rèn)證級RGM時，應(yīng)取B5=0.6%。此時，整個系統(tǒng)的合成不確定度將從0.568 8%上升至0.802 2%。

4．3 不確定度的合成(假定在最大流速工況下)

4．3．1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(隨機誤差)的貢獻(xiàn)值分別來源于超聲流量計、壓力、溫度、高位發(fā)熱量、標(biāo)況體積流量和能量流量的測量。標(biāo)況體積流量的合成A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度(SQ)和標(biāo)況能量流量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(SE)可分別按式(4)、式(5)計算。

SQ=[(S1)2+(S2)2+(S3)2+(S4)2]1/2=[0.01+0.022 5+0.01+0.000 4]1/2/100 =0.207 1%(擴展不確定度U=0.414 2%)

(4)

SE=[(SQ)2+(S5)2]1/2=[0.171 6+0.002 5]1/2/100 =0.417 2%

(5)

4．3．2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成

標(biāo)況體積流量的B類合成不確定度(BQ)和標(biāo)況能量流量的B類不確定度(BE)可分別按式(6)、式(7)計算。

BQ=[(B1)2+(B2)2+(B3)2+(B4)2]1/2/100 =[0.057 0+0.002 5+0.002 5+0.04]1/2/100 =0.319 4%

(6)

BE=[(BQ)2+(B5)2]1/2/100 =[0.01+0.04]1/2/100 =0.223 6%

(7)

本示例按式(1)所示，將能量計量系統(tǒng)的(總)不確定度分為流量測定和發(fā)熱量測定兩個部分分別計算，然后由兩者計算合成不確定度。此程序評定與GB/T 22723的規(guī)定稍有不同，但計算結(jié)果是一樣的(見表5)。

表5 數(shù)據(jù)匯總表Table5 Summarysheetofdata%A類不確定度B類不確定度合成不確定度流量測定部分流量計校準(zhǔn)偏差壓力校準(zhǔn)溫度校準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)(Z值)體積流量(合計)0.10.150.10.020.20710.4142(U)0.240.050.050.20.31940.31940.260.15810.11180.20100.38070.5231發(fā)熱量測定部分分析數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.050.1(U)0.2(0.6)0.2(0.6)0.2062(0.6021)0.2236(0.6083)整個系統(tǒng)合成不確定度0.42610.3768(0.6797)0.5688(0.8022) 注:帶()的6個數(shù)據(jù)為當(dāng)RGM不能溯源至PSM,而僅溯源至準(zhǔn)確度優(yōu)于0.3%的認(rèn)證級(CRM)時的計算數(shù)據(jù)。

5 蒙特卡洛(MCM)法評定能量計量系統(tǒng)不確定度

上文討論的GUM法是利用測量不確定度傳播公式進(jìn)行評定的方法，但MCM模擬法則是利用概率密度分布通過重復(fù)隨機取樣而實現(xiàn)分布傳播的不確定度評定方法。與GUM法利用線性化模型傳播不確定度的方式不同，MCM模擬是通過對輸入量(xi)的概率密度函數(shù)(PDF)進(jìn)行離散取樣，由測量模型傳播輸入量分布而計算得到輸出量(Y)的離散分布值，并由離散分布直接獲得其最佳估計值、標(biāo)準(zhǔn)不確定度及其包含區(qū)間。同時，最佳估計值、標(biāo)準(zhǔn)不確定度和包含區(qū)間的模擬計算質(zhì)量將隨PDF離散取樣量的增加而改善。通常取樣次數(shù)(N)應(yīng)至少大于1/(p-1)的104倍，其中p為數(shù)值容差(numerical tolerannce)。

根據(jù)ISO/IEC Guide 98-3/Suppl.1:2008《用蒙特卡洛法傳播概率分布》的有關(guān)規(guī)定，我國于2011年發(fā)布國家計量技術(shù)規(guī)范JJF 1059.2《用蒙特卡洛法評定測量不確定度技術(shù)規(guī)范》。此項計量技術(shù)規(guī)范專門應(yīng)用于測量模型不宜進(jìn)行線性近似的場合，因為在此場合下按JJF 1059.1規(guī)定的GUM法確定輸出量的估計值及其不確定度可能變得不可靠。同時，對于像我國這樣的每年天然氣表觀消費量已達(dá)到約1 800 ×108m3的國家，其輸配管網(wǎng)中涉及數(shù)量十分可觀的、用于發(fā)熱量間接測定的氣相色譜儀，如此巨大的樣本數(shù)量也難以用GUM法進(jìn)行測量不確定度評定。鑒于同樣原因，2012年發(fā)布的新版ISO 10723《天然氣 分析系統(tǒng)的操作性能評價》在操作性能評價的基礎(chǔ)上，同時還規(guī)定了以RGM取代試驗氣體(test gas)進(jìn)行MCM模擬法評定(整個輸氣管網(wǎng)中)利用氣相色譜分析系統(tǒng)，以間接法測定商品天然氣發(fā)熱量不確定度的方法及其程序[8]。新版ISO 10723：2012的發(fā)布首次以國際標(biāo)準(zhǔn)形式確認(rèn)了通過溯源性量化及MCM模擬評定天然氣管網(wǎng)能量計量系統(tǒng)的不確定度，在理論上是正確的，實踐上是可行的。

MCM模擬的基本原理為：可通過測量無窮多個、組成位于規(guī)定操作范圍內(nèi)的RGM，對由分析儀器引起的誤差和不確定度進(jìn)行完整評估。具體做法為：在預(yù)定的商品天然氣濃度范圍內(nèi)測量少量RGM，并據(jù)此確定商品天然氣中各組分響應(yīng)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。然后，用這些真實響應(yīng)函數(shù)、儀器數(shù)據(jù)系統(tǒng)假定的響應(yīng)函數(shù)及儀器所用工作校準(zhǔn)氣體混合物(WMS)的參考數(shù)據(jù)等模擬儀器的操作性能特征。再用試算方法對氣體混合物進(jìn)行大量的離線模擬測量，從而確定測量系統(tǒng)固有的性能基準(zhǔn)。根據(jù)分析系統(tǒng)的具體情況，以MCM模擬測量偏差及其不確定度(即偏差的分布范圍)評定大致需經(jīng)過以下5個步驟:①確定商品天然氣組成及其組分變化范圍；②在離線分析器上確定響應(yīng)函數(shù)類型；③確定校準(zhǔn)氣體混合物(WMS)組成及其不確定度；④進(jìn)行MCM模擬法的實驗設(shè)計；⑤計算測量結(jié)果的偏差及其分布(不確定度)。

具體試驗方案為構(gòu)建一個至少應(yīng)包括10 000個隨機樣品氣組成的數(shù)據(jù)集，其中各組分摩爾分?jǐn)?shù)皆應(yīng)位于整個輸氣管網(wǎng)所包括的全部計量站可能出現(xiàn)的天然氣組成范圍內(nèi)。嚴(yán)格地講，模擬中所選用的商品天然氣組成也并非完全是隨機的，而是根據(jù)長期工業(yè)經(jīng)驗得到的某種組分濃度與同類組分中相鄰組分濃度的已知關(guān)系確定的。由于采用了若干經(jīng)驗規(guī)則，實際樣品中不存在的非自然界生成的天然氣組分就不會出現(xiàn)于模擬樣品組成之中[9]。

文獻(xiàn)[8]給出了實例中天然氣組成及其濃度變化范圍(見表6)，MCM法評定平均誤差的結(jié)果見表7。由評定結(jié)果得到發(fā)熱量測定數(shù)據(jù)的平均誤差分布與最大允許偏差(MPB)的關(guān)系如圖4所示。表7數(shù)據(jù)表明，整個管網(wǎng)系統(tǒng)由氣相色譜儀間接法測定高位發(fā)熱量的最大允許誤差(MPE)能控制在0.1 MJ/m3以內(nèi)(包含概率95%，包含因子k=2)；符合英國及歐盟國家現(xiàn)行的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 天然氣組分及其濃度變化范圍Table6 Concentrationrangeofnaturalgascomponents %組分最低摩爾分?jǐn)?shù)最高摩爾分?jǐn)?shù)氮0.10012.00二氧化碳0.0508.00甲烷64.00098.00乙烷0.10014.00丙烷0.0508.00異丁烷0.0101.20正丁烷0.0101.20新戊烷0.0050.05異戊烷0.0050.35正戊烷0.0050.05正已烷0.0050.35

表7 典型組分在組成變化范圍內(nèi)的的平均誤差Table6 Averageerrorfortypicalcomponenetsintherangeofconcentrationvariation組分y(校準(zhǔn)氣體)/%組成范圍,y/%平均誤差E(x)氮氣4.49500.000～10.0000.015二氧化碳3.30800.000～7.0000.012甲烷80.493078.000～97.960-0.041乙烷6.97800.000～12.0000.013丙烷3.27900.000～6.8900.000異丁烷0.50190.000～1.0000.001正丁烷0.50120.000～1.0000.001新戊烷0.11070.000～0.030-0.001異戊烷0.10990.000～0.3500.000正戊烷0.10920.000～0.3500.000正己烷0.10990.000～0.3500.000發(fā)熱量/(MJ·m3)31.6～46.5-0.0061

圖4所示結(jié)果表明，商品天然氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)在78%～98%范圍內(nèi)變化時，平均誤差E(x)的不確定度絕大多數(shù)落在紅色區(qū)域(MPB帶)內(nèi)，由此估計最大平均誤差(MPE)的分布區(qū)間為-0.1～0.08 MJ/m3。同時，從圖4中模擬數(shù)據(jù)的分布可以確定被測量屬正態(tài)分布，故應(yīng)選取對應(yīng)的包含因子k=2，包含概率為0.95，MPE的分布區(qū)間即為其包含區(qū)間[10]。

隨著我國生產(chǎn)的頁巖氣、煤層氣與煤制氣等多種燃料氣越來越多地進(jìn)入長輸管道，輸配系統(tǒng)中商品天然氣的組成及其氣質(zhì)控制日益復(fù)雜，故應(yīng)該考慮逐步由組分濃度控制轉(zhuǎn)向燃?xì)獍l(fā)熱量控制，從而保證高位發(fā)熱量測定的準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1 MJ/m3。例如，英國及很多歐盟國家的法規(guī)均規(guī)定：用戶得到的天然發(fā)熱量應(yīng)與供氣公司的聲明值相一致；所有商品天然氣必須達(dá)到規(guī)定發(fā)熱量才能進(jìn)入輸氣管道。由此可見，以MCM模擬評定間接法測定高位發(fā)熱量的不確定度具有重要的理論與實用價值。同時，根據(jù)我國輸氣管網(wǎng)氣質(zhì)特點研制供能量計量專用的高準(zhǔn)確度發(fā)熱量(值)標(biāo)準(zhǔn)氣的工作，也應(yīng)予以充分重視。

6 結(jié)論與建議

近年來，我國已經(jīng)在能量計量技術(shù)開發(fā)方面取得了長足的進(jìn)步，但在溯源性架構(gòu)、獲得及應(yīng)用方面仍與國外先進(jìn)水平存在相當(dāng)大的差距。鑒此，對今后的研發(fā)工作提出以下建議：

(1) 盡快制定并發(fā)布天然氣分析溯源準(zhǔn)則國家標(biāo)準(zhǔn),以實現(xiàn)溯源鏈中各層級的量化，并據(jù)此對RGM的命名進(jìn)行規(guī)范化。

(2) 加快擴展不確定度(U)優(yōu)于0.3%(k=2)0級熱量計的建設(shè)，從而完善發(fā)熱量間接測定用RGM的溯源性，并為高準(zhǔn)確度RGM定值提供技術(shù)保障。

(3) 盡快以等同采用的方式轉(zhuǎn)化新版ISO 10723：2012，并在此基礎(chǔ)上作好MCM模擬法評定天然氣管網(wǎng)能量計量系統(tǒng)不確定度的技術(shù)準(zhǔn)備。

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Traceability of energy determination for natural gas and estimation of measuring uncertainty

Chen Gengliang

NationalStandardizationTechnicalCommitteeSecretariat,Chengdu,Sichuan,China

Three different kinds of natural gas measurement involved in energy determination are discussed. Because of the way for mass transmitting and tracing is distinguish, methods estimating uncertainty of measuring results are also very different. Recently technological developments in energy determination area have already gained quite great progress in our country, but there is still a considerable gap with advanced world level in architecture, obtaining and usage of traceability. In view of this, following research and development works must be completed as soon as in future: ① Publishing national standard of traceability guideline for natural gas analysis; ② building 0 class calorimeter with relative expended uncertainty(U) better than 0.3%(k=2); ③ getting ready for MCM simulation method for evaluating the uncertainty of the energy measurement system of natural gas pipeline network.

natural gas, energy determination, traceability, composition analysis of natural gas, 0 class calorimeter, MCM simulation

陳賡良(1940-)，男，1961年畢業(yè)于山東大學(xué)化學(xué)系，教授級高工,原任中國石油西南油氣田公司天然氣研究院院長，現(xiàn)任全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會顧問，已發(fā)表論文 180 余篇,專著8部。E-mail:Chengengliang@petrochina.com.cn

TE832.2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.01.017

2016-09-20；編輯：鐘國利