天然氣能量計量系統分級與不確定度評定

任 佳 段繼芹 何 敏

1.國家石油天然氣大流量計量站成都分站 2.中國石油天然氣質量控制和能量計量重點實驗室 3.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 4.中國石油西南油氣田公司

0 引言

歐美工業發達國家自20世紀80年代就實施天然氣能量計量。隨著中國天然氣工業的快速發展[1-2]，“十二五”以來，以中石油為代表的國內能源公司以及法定計量技術機構相繼開展了大量的天然氣能量計量技術和標準體系研究工作[3-10]，截至“十三五”末已基本具備能量計量技術條件，并形成了以GB/T 18603—2014《天然氣計量系統技術要求》[11]（以下簡稱 GB/T 18603）、GB/T 22723—2008《天然氣能量的測定》[12]（以下簡稱GB/T 22723）和GB/T 35186—2017《天然氣計量系統性能評價》[13]（以下簡稱GB/T 35186）為核心的天然氣能量計量標準體系，為天然氣作為燃料實施能量計量更能體現優質、優價的商品價值奠定了重要的基礎條件。

2019年5月，國家發展與改革委員會同國家能源局、住房城鄉建設部、市場監管總局發布了《油氣管網設施公平開放監管辦法》，該管理辦法第十三條中明確提出國家推行天然氣能量計量計價，并要求本辦法施行之日起24個月內建立天然氣能量計量計價體系。為此，國家質量監管總局也組織起草了國家計量技術規范《天然氣能量計量技術規范》。

隨著國內天然氣貿易量的穩定增長，據預測，“十四五”期間中國天然氣年表觀消費量將達到4 000×108m3[14]。因此，天然氣能量計量系統的合理建設和運行過程中合理評價天然氣能量計量系統，保障計量結果的準確可靠成為天然氣貿易交接各相關方關注的焦點。筆者結合國家計量技術規范和國家標準的相關要求，對國內外天然氣能量計量系統技術要求的相關標準差異和測量不確定度評定進行了分析，提出了中國天然氣能量計量系統相關標準修訂建議，為下步實施天然氣能量計量系統設計建設和運行提供借鑒。

1 國內外相關標準對比分析

1.1 天然氣計量系統分級

目前國內外主要有國際建議OIML R140:2007《燃氣計量系統》[15]（以下簡稱OIML R140）、中國國家標準GB/T 18603、《天然氣能量計量技術規范》和歐盟標準EN 1776:2015《燃氣基礎設施 燃氣計量系統 功能要求》[16]（以下簡稱EN 1776）給出了天然氣能量計量系統分級，對這4個標準和規范的現行有效版本中相關內容進行對比分析，結果如表1所示。

表1 國內外標準規范中天然氣計量系統分級要求對比分析表

從表1的對比分析，結合歐美發達國家的實際實施情況[17-18]及國內現狀[19-21]，可以得出以下結論：

1）GB/T 18603規定了新建和改擴建天然氣計量站貿易計量系統的設計、建設、投產運行、維護、停運方面的技術要求。其天然氣計量系統分級要求和OIML R140一致，按照天然氣計量系統的輸氣量（小時標況流量）提出A、B、C這3個等級的分級，與歐洲一些大型天然氣管輸公司按照標準體積流量進行天然氣計量系統分級設計和建設類似，符合實際需求。

2）《天然氣能量計量技術規范》規定了用于貿易計量的天然氣能量計量系統的評價、天然氣能量計量結果的核驗及其等級的評定方法，根據計量結果的最大允許誤差來判定計量系統的級別。

3）EN 1776按照實際運行中的計費周期內能量測量不確定度進行計量系統的分級，計量系統設計、建設、運行和維護中的詳細技術要求由貿易交接合同雙方通過合同約定，如果合同中沒有相關詳細技術要求，則按照EN 1776以及其他配套標準執行。

1.2 計量儀表配置要求

目前國內外標準中，GB/T 18603和OIML R140給出了不同等級的天然氣計量系統配套計量儀表的最大允許誤差要求（表2）。各個參數的要求比較明確，其中，在OIML R140明確了工況流量的最大允許誤差不僅包括流量計本體的最大允許誤差，還包括現場安裝條件下流態的影響、檢定（校準）壓力及溫度與實際使用時壓力及溫度不同帶來的影響。因此，可以理解為A級計量系統應配備準確度等級0.5級的流量計才能更好地滿足A級計量系統的要求。同時，標準中給出的是最低要求，這兩點應該在正在修訂中的GB/T 18603中明確。EN 1776中并未給出不同等級的天然氣計量系統配套計量儀表的最大允許誤差要求，但對計量系統配置提出了不同等級計量系統的最低技術要求。3個標準對于計量儀表配置的要求對比分析如表2所示。

表2 國內外標準中不同等級天然氣計量系統儀表配置及最大允許誤差要求表

2 國內外標準A級天然氣能量計量系統測量不確定度計算對比分析

目前國內外有GB/T 35186、《天然氣能量計量技術規范》和EN 1776給出了天然氣能量計量系統測量不確定度評定方法和示例。以體積流量為例給出計算方法如下：

式中ur(E)表示天然氣能量的相對標準不確定度；ur(Em)表示貿易計量周期內各時段天然氣能量的相對標準不確定度；ur(qn)表示標準參比條件下天然氣體積流量的相對標準不確定度；ur(H)表示天然氣單位體積發熱量的相對標準不確定度；ur(qf)表示操作條件下的體積流量測量標準不確定度；ur(pf)表示操作條件下的絕對靜壓測量標準不確定度；ur(Tf)表示操作條件下的熱力學溫度測量標準不確定度；ur(Zn)表示標準參比條件下壓縮因子的標準不確定度；ur(Zf)表示操作條件下壓縮因子的標準不確定度；ur(E)表示天然氣能量的相對擴展不確定度；k表示包含因子，通常取值為2。

采用以上3個標準規范中給出的計算方法和示例數據，參考國內天然氣能量計量系統不確定度評定相關文獻[22-24]，以A級計量系統為例，采用體積流量測量的計量系統能量不確定度計算結果如表3所示。

表3 國內外標準規范中A級天然氣能量計量系統測量不確定度計算對比分析表

根據表3中的計算結果，可以得到以下結論：

1）國內外技術標準和規范在測量不確定度評定的相同點包括：能量合成方法、壓縮因子標準不確定度計算方法相同，時間測量不確定度可以忽略；

2）國內外技術標準和規范在測量不確定度評定方面存在不同點：①《天然氣能量計量技術規范》示例中采用1.0級流量計最大允許誤差計算體積量標準不確定度；GB/T 35186和EN 1776均按照流量計檢定或校準證書給出的不確定度計算體積量標準不確定度。EN 1776還考慮了流量計、壓力溫度測量儀表的周期偏移（如：流量計4～6 年為周期校準結果最大偏移限0.3%；壓力周期校準結果偏移限0.15%；溫度儀表周期校準結果偏移限0.2 K），較為合理。依據成都分站開展的周期檢定偏移量統計分析（圖1），流量計周期偏移帶來的影響不容忽略。②《天然氣能量計量技術規范》示例中采用二級標物、甲烷由差減法計算，合成壓縮因子影響得到天然氣發熱量標準不確定度；GB/T 35186采用二級標物、甲烷由差減法計算，合成壓縮因子影響得到天然氣發熱量標準不確定度。但《天然氣能量計量技術規范》按照在線氣相色譜計量檢定規程中相對標準偏差要求進行計算，因此計算結果大1倍左右。③針對A級計量系統，《天然氣能量計量技術規范》與EN 1776的發熱量測量不確定度計算結果較為接近。EN 1776強調了在線發熱量測定設備的期間核查。

圖1 DN200 mm及以上周檢流量計周期偏移量統計分析圖（成都分站2020年）

3 天然氣能量計量系統達到A級的可行性和測量不確定度評定示例

3.1 天然氣能量計量系統等級評定原則

根據《天然氣能量計量技術規范》，按照測量不確定度小于最大允許誤差的原則，進行天然氣能量計量系統等級評定。

3.2 符合GB/T 18603中A級站配置要求的能量計量系統測量不確定度評定示例

為分析中國天然氣能量計量系統測量不確定度評定結果達到A級的可行性，結合目前天然氣貿易計量系統儀表的實際和流量計檢定數據統計分析結果，依據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》[27]，按照以下3種情況對輸氣量達到A級的計量系統進行測量不確定度評定示例如下。

3.2.1 示例一

流量計用不確定度0.33%的計量標準校準，假設流量計周期偏移達到準確度等級1.0級要求，壓力和溫度測量儀表滿足GB/T 18603給出的最低要求，能量計量系統測量不確定度計算見表4。

表4 天然氣能量計量系統測量不確定度評定表（示例一）

3.2.2 示例二

當流量計用不確定度0.25%的計量標準（目前國內高水平天然氣工作標準裝置不確定度為0.16%～0.25%）校準，假設流量計周期偏移達到準確度等級0.5級要求，工況體積流量和發熱量不確定度計算方法分別采用GB/T 35186和《天然氣能量計量技術規范》，壓力和溫度測量儀表滿足GB/T 18603給出的最低要求，能量計量系統測量不確定度計算如表5所示。

表5 天然氣能量計量系統測量不確定度評定表（示例二）

3.2.3 示例三

當流量計用不確定度0.16%的計量標準校準，假設流量計周期偏移達到準確度等級0.5級要求，工況體積流量和發熱量不確定度計算方法分別采用GB/T 35186和《天然氣能量計量技術規范》，壓力和溫度測量儀表的配置根據目前國內長輸管網實際使用的技術參數（高于GB/T 18603給出的最低要求），能量計量系統測量不確定度計算見表6。

表6 天然氣能量計量系統測量不確定度評定表（示例三）

從表4、5的計算結果可以得到以下結論：

采用國內較為常用的二級標準物質用于天然氣組成分析，若先用1.0級流量計，向不確定度0.33%左右的計量標準裝置溯源，考慮使用過程中周期偏移、計量器具按照GB/T 18603規定的最低配置時，能量測量不確定度不能達到1.0%（k=2）。

采用國內較為常用的二級標準物質用于天然氣組成分析，若先用0.5級流量計，向不確定度優于0.25%的計量標準裝置溯源，考慮使用過程中周期偏移、計量器具按照較高技術參數配置時，同時在線色譜需定期核查，能量測量不確定度能夠達到1.0%（k=2）。

要保證A級計量系統運行期間測量不確定度不超過最大允許誤差，計量器具的穩定性和期間核查非常重要。

3.3 中國A級計量系統用流量計檢定（校準）能力分析

從表4～6的分析可以看出，用于流量計量值溯源的計量標準裝置技術水平對流量計用于現場的測量不確定度具有較為重要的影響。全國目前已建、在建和籌建的天然氣實流檢定站共有14個[28]。其中：中石油建有4個天然氣實流檢定機構（榆林在建）；中國石油天然氣管網集團有限公司建有6個天然氣實流檢定機構（沈陽、貴陽2個在建）、2個檢定點；地方政府或省級燃氣建有3個天然氣實流檢定機構（其中內蒙古自治區正籌建）與1個檢定點。中國現有天然氣實流檢定（校準）站點中，具備0.5級流量計檢定能力的站點見表7。

表7 國內現有準確度等級0.5級流量計天然氣實流檢定能力統計表

從表7可以看出，目前中國僅有3個天然氣實流檢定站具備0.5級流量計的檢定能力，下步全面實施能量計量后對于0.5級流量計的檢定需求將會顯著提升，這也說明中國天然氣計量標準裝置還需要進一步提高技術能力與水平，并逐步推進量值統一。同時，推進GB/T 32201—2015《氣體流量計》[29]在天然氣流量計型式評價中的指導作用。

4 結論和建議

4.1 結論

通過對中國技術標準和規范對天然氣能量計量系統分級和技術要求的對比分析，結合國外工業發達國家標準和實際運行、國內多年以來的運行經驗，可得到以下結論：

1）GB/T 18603 主要參考 OIML R140，按照流量大小分級可對能量計量系統的設計建設起到較好的指導作用，這也是歐洲工業發達國家大型管輸公司采用的方式。

2）應區別對待最大允許誤差和測量不確定度要求，針對中國的情況，可將GB/T 18603作為能量計量系統設計時選型最低要求，按照《天然氣能量計量技術規范》和GB/T 35186進行測量不確定度評定，作為系統建成初期和運行中的計量性能評估、監控。

3）天然氣能量計量系統設計建設時按照GB/T 18603進行配置和選型，雖然系統最大允許誤差能夠達到A級要求，但在運行中需要控制不確定度帶來的計量風險，加強標準的執行宣貫和現場計量管理是非常重要和必要的。

4）目前GB/T 18603給出的工況體積量的最大允許誤差不僅包括流量計本體，還包括檢定/校準和實際運行時的壓力、溫度和流態變化等因素的影響。因此A級能量計量系統采用0.5級流量計，并配置核查流量計，是降低測量不確定度的重要保障。

4.2 建議

天然氣能量計量不確定度主要由體積/質量不確定度和發熱量不確定度組成，前者主要包括流量、壓力和溫度測量不確定度，后者主要包括標準物質和組成分析儀器的不確定度。因此，保證天然氣能量計量系統的設計建設和實際運行能夠真正滿足預期的計量性能要求，需要在天然氣流量量值溯源、標準制修訂和計量管理等方面持續改進。

在流量量值溯源體系方面，持續改進提升榆林、塔里木、烏魯木齊、沈陽、貴陽、廣州分站音速噴嘴標準裝置能力，具備開展0.5級流量計檢定，使渦輪工作標準優于0.25%；同時，定期開展量值比對，實現量值統一。

在標準制修訂方面，GB/T 18603、GB/T 22723、GB/T 35186等標準制修訂時，與《天然氣能量計量技術規范》在計量系統分類、流量和發熱量測量不確定度評定方面協調一致；修訂GB/T 18603時，結合OIML R140在計量系統最大允許誤差計算、最大允許誤差與測量不確定度關系等方面進行補充完善；完善GB/T 35186不確定度評定方法，如：考慮儀表檢定（校準）期間穩定性等。

在計量管理方面，對于大型天然氣能量計量系統，需加強流量、壓力溫度變送器和在線色譜分析儀、標準物質的實時核查或周期核查；加強流量計尤其是準確度等級0.5級流量計的型式評價技術要求和管理；依據市場監管總局下達的《關于加強標準物質建設和管理的指導意見》及后續出臺與標準物質相關的標準，加強氣體標物定值可靠性、氣體標準物質生產商監管，并應用大數據、物聯網技術提升現場計量管理水平，為智慧監管提供支撐等。