對國際標準ISO 10723：2012的認識與討論

周 理 陳賡良 郭開華 王偉杰,3 王曉琴,3

1.中山大學工學院 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.中國石油天然氣質量控制和能量計量重點實驗室

0 引言

發(fā)熱量是商品天然氣最重要的技術指標，各國都根據本國生產天然氣的特點對此項指標作了明確的規(guī)定。例如，我國2012年發(fā)布的強制性國家標準GB 17820—2012《天然氣》規(guī)定，一類氣的高位發(fā)熱量應大于等于36 MJ/m3[1]；而俄羅斯則規(guī)定商品天然氣的低位發(fā)熱量應大于等于32.5 MJ/m3。同時，GB 17820—2012還規(guī)定高位發(fā)熱量的計算應按GB/T 11062執(zhí)行[2]，所依據的天然氣組成測定按GB/T 13610執(zhí)行[3-4]。因此，當前我國（也包括其他國家與地區(qū)）在天然氣貿易結算中均采用間接法計算高位發(fā)熱量，而用于計算的天然氣摩爾分數(shù)組成則采用氣相色譜法測定。由此可見，天然氣發(fā)熱量測定結果的誤差及其不確定度取決于氣相色譜法測定應用的分析方法與分析儀器兩者涉及的所有A類與B類不確定度。

國際標準化組織天然氣技術委員會（ISO/TC193）于1995年首次發(fā)布ISO 10723：1995《天然氣 在線分析系統(tǒng)性能評價》[5]，其中對測量結果不確定度隨機分量的確定作了明確規(guī)定。我國于2012年修改采用ISO 10723：1995，發(fā)布了國家標準GB/T 28766—2012《天然氣在線分析系統(tǒng)性能評價》[6]。2012年ISO/TC 193發(fā)布了修訂后的ISO 10723：2012《天然氣 分析系統(tǒng)的性能評價》，其作為天然氣交接計量的一項重要配套標準，特別是在當前天然氣工業(yè)快速發(fā)展中具有重要意義[7]。ISO 10723：2012與1995版標準相比有較大差異，因此，了解ISO 10723：2012修訂前后的技術差異，并掌握ISO 10723：2012的主要技術內容，對于保障我國天然氣能量測定的順利實施具有重要的研究意義[8]。

2001年發(fā)布的GB/T 18603—2001規(guī)定A級計量站發(fā)熱量測定的準確度應優(yōu)于0.5%，即發(fā)熱量測定的標準不確定度（u）應優(yōu)于0.5%，在包含因子k等于2的條件下擴展不確定度應優(yōu)于1.0%[9]。目前此項技術指標是采用JJF 1059.1—2012規(guī)定的GUM法進行評估[10-11]。因此，按現(xiàn)行標準規(guī)定分析方法的精密度評價與分析結果的不確定評估是兩項分別獨立進行的評定工作。通常精密度評價是在具有相應資質的多個實驗室之間進行，而不確定度評估是在單個實驗室中獨立進行。

為加快天然氣大規(guī)模交接計量方式由傳統(tǒng)的體積計量向能量計量過渡，我國已于2008年底發(fā)布了國家標準GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》[12]，并在所有進口LNG的計量站全面實施。但迄今未能對商品天然氣管網系統(tǒng)中間接法測定天然氣發(fā)熱量的測量不確定度進行整體評估，這是一個值得注意的問題。

1 ISO 10723：2012的技術要點

ISO 10723：2012在理論上提出一系列新的概念，在實踐上推薦了一種簡便易行的不確定度評估新方法，對改進間接法計算天然氣發(fā)熱量的不確定度評估極為重要。與ISO 10723：1995相比，ISO 10723：2012在以下方面作了重大改進[13]:

1）在標準的標題中取消了“在線”兩字，拓寬了標準的應用范圍。

2）將確定響應函數(shù)使用的“試驗氣體”（Test Gas）改為“校準氣混合物”（Calibration Gas Mixture），從而將精密度評價與不確定度評估結合于一體。

3）推薦用Monte—Carlo法（MCM）整體評估輸氣管網系統(tǒng)發(fā)熱量測定結果的測量不確定度，并規(guī)定了對氣相色譜分析結果進行MCM評估的具體步驟。

4）推薦設置一個以最大允許誤差（MPE）和最大允許偏差（MPB）表征的“儀器性能基準”。

分析儀器本身不存在測量不確定度，但可以理解為在樣品氣測量結果中由儀器引入的不確定度分量。根據國際法制計量組織OIML R 140報告（2007）的建議[14]，ISO 10723：2012對實施能量計量的A級計量系統(tǒng)MPE值規(guī)定為±1.0%（表1）。

表1 計量系統(tǒng)的最大允許誤差（MPE）值表

ISO 10723：2012附錄B推薦的儀器操作性能規(guī)定：在計算天然氣發(fā)熱量的參比條件為15 ℃（燃燒）和15 ℃、101 325 Pa（計量），天然氣組成中虛擬組分C6+按正已烷性質計算其發(fā)熱量的工況條件下，MPE 為 0.100 MJ·m－3，MPB 為 0.025 MJ·m－3。

2 平均校正系數(shù)的表達與計算

根據ISO/IEC指南98-3闡明的原理[15]，在不采用校準曲線法進行校正的情況下，可以用單一的平均校正系數(shù)對樣品氣測量值進行最佳估計。的表達式如式（1）所示； 的計算式如（2）所示。對所有測定值按式（1）進行估計時，其標準不確定度的單一值是式（3）的正方根。即式中y表示樣品氣組分測量值；表示樣品氣組分校正值；b(t)表示校正系數(shù)；表示平均校正系數(shù)；u表示標準不確定度。

式（3）中的第1項是除b(t)以外所有不確定度來源y(t)的方差，即使用儀器進行未知樣品分析涉及的不確定度。第2項是校正系數(shù)b(t)的方差，第3項是在分析（摩爾分數(shù)）范圍內平均校正系數(shù)的方差。第2與第3項一起描述了校正過程，以及表征儀器在分析范圍內操作性能的平均校正系數(shù)的不確定度。

就分析儀器操作性能而言，平均誤差是由ISO 10723：2012中6.6.4節(jié)設定的N個假設組成中所有組成的平均值確定的：

式中δPt表示由N個假設組成中一小部分假設組成計算而得的誤差（包括組分摩爾分數(shù)及據此計算的物性）。

平均誤差的標準不確定度可由下式計算：

式中δ表示計算值誤差；P表示物理特性。

由于假設的摩爾分數(shù)及據此計算的物性皆為真值而不存在不確定度，故誤差的不確定度即等于測得摩爾分數(shù)及據此計算物性（值）的測量不確定度。

3 Monte—Carlo法（MCM）模擬的應用

完整地評價一臺分析儀器的測量誤差和不確定度，理論上需要在特定的操作（濃度）范圍內測量無限多個精心設計的校準氣混合物，因而實際上是不可能實現(xiàn)的。ISO 10723：2012用Monte—Carlo法模擬設計了10 000個天然氣假設組成數(shù)據集，測量少量（一般為7個）精心設計的校準氣混合物，并在預先設定的摩爾分數(shù)范圍內確定每個特定組分響應函數(shù)的數(shù)學表達式。利用這些“真實的”響應函數(shù)、儀器數(shù)據系統(tǒng)“假設的”響應函數(shù)與儀器特定的校準氣混合物標準數(shù)據，離線建立儀器操作性能評價的數(shù)學模型。然后，10 000個假設組成的氣體混合物可以利用離線數(shù)值模擬方法確定測量儀器系統(tǒng)固有的儀器性能基準。這就是我國于2012發(fā)布計量技術規(guī)范JJF 1059.2—2012《用蒙特卡洛法評定測量不確定度》在天然氣能量計量不確定度評估中的具體應用[16-17]。

儀器的操作性能及其基準可以簡明地以平均誤差及其擴展不確定度（U）表示。按ISO 10723：2012規(guī)定，此信息可以用以下兩種方法表述：

1）在設定的組成范圍內比較儀器操作性能與預先設定的要求。

2）對每個組分確定其測得摩爾分數(shù)及（據此計算）物性誤差不超過預先設定要求的組成范圍。

由于迄今為止測量誤差及其不確定度尚不能以令人滿意的方式相結合，故在MCM模擬中采用與式（7）進行比較的方法對分析結果（及據此計算的物性值）的擴展不確定度進行評估。根據上述不確定度評估原理，ISO 10723：2012對分析儀器操作性能規(guī)定的評價基準是：如果式（7）與式（8）能成立，則預先設定的操作性能指標能夠達到。因此，只要發(fā)熱量測量結果的誤差及其擴展不確定度之和不超過法規(guī)、規(guī)范或標準所規(guī)定的MPE就接受測量結果的誤差，而不再對分析儀器適用的商品天然氣中有關組分濃度設置限定

目前MCM模擬已經廣泛應用于歐盟國家和英國實施能量計量的計量站，對管網系統(tǒng)的發(fā)熱量測量結果進行不確定度（整體）評估。例如，英國現(xiàn)行法規(guī)“輸氣管網準入協(xié)議（NEA）”規(guī)定[11]，進入國家輸氣管網的天然氣發(fā)熱量必須達到31.6～46.5 MJ/m3。圖1所示即為進入英國管網天然氣的MCM模擬結果[18]。由圖1可知，在上述范圍內發(fā)熱量測量結果的平均誤差的不確定度數(shù)據絕大多數(shù)分布在深灰色區(qū)域內，由此可以估計出MPE的分布區(qū)間為－0.10～ 0.08 MJ/m3，符合準入協(xié)議的規(guī)定。

圖1 平均誤差分布與MPE分布帶圖

4 結論與建議

當前ISO 10723：2012正在轉化為我國國家標準，該標準發(fā)布后，以ISO 10723：1995為基礎的GB/T 28766—2012將撤銷。屆時，我國現(xiàn)行的以精密度評價為核心的操作性能評價必須按ISO 10723：2012的規(guī)定，與測量結果的不確定度評價相結合一體。鑒于此，應充分重視ISO 10723：2012附錄B提出的以平均系數(shù)法評價氣相色譜儀的建議。實施此建議的具體意見如下。

1）ISO 10723：2012推薦在不采用校準曲線法進行校正的情況下，采用單一的平均校正系數(shù)作為儀器操作性能基準，對氣相色譜儀分析樣品氣的測量結果進行不確定度最佳估計。值可以用MCM法模擬確定。

2）根據國際法制計量組織OIML R 140報告的建議，ISO 10723：2012對實施能量計量的A級計量系統(tǒng)MPE值規(guī)定為±1.0%。

3）ISO 10723：2012推薦的儀器操作性能規(guī)定：在參比條件為15 ℃（燃燒）和15 ℃、101 325 Pa（計量），天然氣組成中虛擬組分C6+按正已烷性質計算其發(fā)熱量的工況條件下，MPE為0.1 MJ·m－3，MPB 為 0.025 MJ·m－3。