天然气能量计量不确定度评定方法

韩玲莉，张福元

（1.中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018；2.西气东输管道公司 南京计量测试中心，江苏 南京 210048）

能量计量系统早在20世纪80年代就被欧美等发达国家普遍运用于天然气的大规模交接贸易中.由于能量计量固有的科学性和合理性，对天然气工业的发展起了重要作用［1］.但我国的天然气计量仍是以体积计量为主.GB／T 22723—2008《天然气能量的测定》国家标准［2］于2008年发布，2009年实施，标志着在我国开展天然气能量计量将有技术标准可依，对我国天然气计量方式与国际惯例接轨提供了技术依据，在规范天然气能量的测定方法等方面具有积极的意义.但由于能量计量过程中既涉及天然气流量计量，又涉及天然气烃类组成分析，两者在测量结果的不确定度评定及溯源准则等方面有所不同，故涉及的问题比较复杂.

为提高计量准确度，必须对计量系统进行综合分析，而以计量不确定度的分析最为重要，计量的质量如何，要用不确定度来说明［3］.对于天然气计量不确定度，一般使用的是流量计对应的标准或检定规程得到其不确定度评定方法.对于天然气计量的基础参数－天然气组分和物性参数，相关的标准目前还没有提供不确定度评定方法.天然气质量和计量因为涉及到天然气物性参数，国内外获取天然气物性参数的常用方法是用天然气组成数据进行计算.ISO把天然气组成分析标准分成6个部分，第二部分专门规定数据处理和不确定度评估方法.测量不确定度或误差理论是不断发展的，国内也有专家进行了专题讨论［3－6］，但对实际应用而言，直接引用相关标准中的结论是不二的选择.

本文结合国内某长输管线上天然气能量计量实际情况，对天然气能量计量不确定度进行了研究，在JJF 1059［7］等规定的方法基础上，分别对与天然气能量计量相关的流量测量、温度测量、压力测量、压缩因子测量等参数进行不确定度评定，以确定使用中或设计的计量系统能满足GB／T 18603《天然气计量系统技术要求》［8］对应的计量系统的要求，最后通过现场实验证明了评价方法及系统的正确性和合理性.

1 天然气能量计量不确定度评定

1.1 流量计量不确定度评定

天然气能量是按公式使用相关参数计算的，涉及的测量参数有流量、温度、压力和天然气组成分析数据，以及使用测量参数计算的物性参数，最终得出用于贸易结算的能量.国家计量技术标准《测量不确定度评定与表示》JJF 1059是参照国际组织于1995年联合制定并发布的《测量不确定度表示导则》（GUM）［9］制定的，是测量不确定度评定的通用方法.该方法的是分别评定A类和B类标准不确定度，而后进行合成和扩展.

天然气流量测量是瞬时、不可重复的测量，不可能评价其A类不确定度.用于流量测量的流量计在其使用前，要求进行检定或校准，其检定或校准结果不确定度已经包含了该流量计的检定或校准时的重复性，可以认为是其流量测量的A类不确定度.

目前在天然气流量测量中使用的超声流量计、涡轮流量计、标准孔板流量计、容积式气体流量计、旋进旋涡流量计和科里奥利质量流量计都有相应的计量标准和检定规程.虽然这些标准和检定规程都有不确定度计算的公式，但由于编写人对不确定度评定方法的熟悉程度和以前误差理论的惯性影响不同，提出的不确定度计算公式一致性差.

标准孔板流量计是唯一一种按标准进行加工和安装，几何检定合格就能保证其测量准确度的流量计，标准参比条件下体系（流量）不确定度计算可以按 GB／T 21446—2008［10］第9章的规定计算.对于压力［GB／T 21446—2008中式（37）］、差压［GB／T 21446—2008中式（33）］和温度［GB／T 21446—2008中式（36）］测量不确定度，标准中采用原来双波纹压力（差压）和棒式温度的误差计算方法.根据检定或校准证书提供的资料，有如下处理方法：

1）当证书中提供了具体的不确定度数据，用B类标准不确定度计算公式计算流量B类标准不确定度，如果证书中没有给出包含因子k，则k取2.

2）当证书中没有提供1）中的数据，而提供了标准装置的不确定度和检定的重复性数据，则使用标准装置的不确定度按B类标准不确定度计算公式计算，使用重复性数据按A类标准不确定度中的重复性或稳定性的计算方法进行计算.

3）当证书中没有1）和2）中的数据，只给出流量计的准确度等级和检定合格的结论，则使用该流量计准确度等级数据代替式B类标准不确定度计算公式中的扩展不确定度，k取检定规程中标准装置与被检流量计准确度等级的倍数要求，如JJG 1030—2007要求为3倍，则k取3，计算B类标准不确定度.

4）当进行离线检定或校准时，应该考虑安装引起的附加流量测量不确定度，可取流量计B类不确定度的1／3，作为附加B类标准不确定度.

用JJF 1059中的合成标准不确定度计算流量测量合成标准不确定度，用JJF 1059中的扩展不确定度计算流量测量扩展不确定度，用JJF 1059中的相对值表示的扩展不确定度计算公式计算流量测量相对扩展不确定度.

1.2 压力或差压测量不确定度评定

目前用于天然气流量的压力和差压测量大多是使用变送器，应该根据变送器的说明书和检定结果进行不确定度评定.智能变送器给出的误差是分量程的，在满量程的10%及以上是示值误差，以下是引用误差，不确定度评定常用方法为

测量值在变送器的满量程的10%及以上：

测量值在在变送器的满量程的10%以下：

式中：uC（p）—压力或差压测量合成标准不确定度；E（p）—压力或差压变送器检定证书或说明书中的准确度等级或误差；p—压力或差压测量值；pmax—压力或差压变送器的最大量程.

同理，用JJF 1059中的扩展不确定度计算压力和差压测量扩展不确定度，用JJF 1059中的相对值表示的扩展不确定度计算压力和差压测量相对扩展不确定度.

1.3 温度测量不确定度评定

目前用于天然气流量测量的温度测量大多是使用变送器加电阻（常用铂电阻），某些站点也使用智能一体化温度变送器.当温度测量仪表给出不确定度或准确度等级时，可使用JJF 1059中的合成标准不确定度计算标准不确定度，否则使用下列各式计算温度测量不确定度：

式中：uC（t）—温度测量合成标准不确定度，℃；U（t1）—温度变送器测量扩展不确定度，℃；U（t2）—电阻准确度等级对应的扩展不确定度，℃；E（t1）—温度变送器检定证书或说明书中的准确度等级或误差，℃；Δt—温度测量量程，℃；E（t2）—电阻准确度等级对应的扩展不确定度，℃；t—测量温度，℃.

用JJF 1059中的扩展不确定度计算温度测量扩展不确定度.把温度换算成开尔文单位，再用JJF 1059中的相对值表示的扩展不确定度计算温度相对扩展不确定度.

1.4 压缩因子计算不确定度评定

计算天然气物性参数时，不存在A类标准不确定度.天然气标准参比条件下物性参数计算是使用 GB／T 11062［11］或ISO 6976［12］标准，GB／T 11062是参照ISO 6976制定的，物性参数计算不确定度可以用GB／T 11062提供的计算方法进行评定.计算不确定度有标准中表1至表5中给出的基础数据的不确定度、计算方法的不确定度和作为方法输入值的分析数据不确定度三个独立来源，计算公式如下：

式中：Urel（PPn）—标准参比条件下天然气物性参数计算相对扩展标准不确定度，%；Urel（PPn，B）—GB／T 11062标准中表1至表5中给出的基础数据的相对扩展不确定度，取0.05%；Urel（PPn，m）—GB／T 11062标准中对应物性参数计算方法的相对扩展不确定度，取0.015%；Urel（PPn，C）—作为方法输入值的分析数据引入的相对扩展不确定度，%.

标准参比条件下压缩因子计算公式如下：

式中：Zn—标准参比条件下天然气压缩因子；—标准参比条件下天然气第i组分的求和因子.

由式（7）、B类标准不确定度计算公式和灵敏系数计算公式推导出标准参比条件下天然气压缩因子计算组成数据引入的标准不确定度计算公式如下：

2 实验计算

我们以国内某长输管线上5个有代表性的计量站点（分别简称A－E分输站或末站）为例，对流量测量、温度测量、压缩因子等不确定度评定方法进行实验，以验证方法的正确性.考虑到国内某长输管线上每个站点的参数都不可能相同，在实验中对每个计量站点制定相应的赋值方法，以确保其计量不确定度符合相应等级计量系统的准确度要求.5个站点对应的用户及其计量资料和数据列于表1.表2数据是这5个计量站点在线色谱仪分析数据和标准参比条件下压缩因子和高位发热量情况.

表1 选择的站点及其对应的计量资料和数据Table 1 Selected stations and corresponding measuring data

表2 不确定度评定在线色谱仪分析数据和标准气体组成（y，%）Table 2 Analysis data of process gas chromatograph and standard gas composition for uncertainty measure

根据目前国内某长输管线上的硬件配置，在实验中压力测量使用罗斯蒙特3051S智能压力变送器，温度测量使用罗斯蒙特3144智能一体化温度变送器，操作条件下的压缩因子计算方法采用标准为 GB／T 17747或 AGA8号报告或ISO12213，天然气组成分析使用Daniel 570和ABB 8000两种在线色谱仪.在流量测量实验中利用下游用户数据，每天进行一次核查，每天标准参比条件下的体积或能量的相对偏差为：A级计量系统不大于0.5%，B级计量系统不大于1.0%.

1）压力测量不确定度计算：压力测量使用罗斯蒙特3051S智能压力变送器，0.05级，经法定计量检定机构检定合格.考虑到其它因素的影响，压力测量相对扩展不确定度为：Urel（p）＝E（p）＝0.05%.把表1中相应站点操作压力值代入上节式（1）计算压力测量标准不确定度u（p），结果列于表3.

2）温度测量不确定度计算：温度测量使用罗斯蒙特3144智能一体化温度变送器，0.2级，A级铂电阻，量程为（－10～50）℃，经法定计量检定机构检定合格，则：Δt＝60℃；E（t1）＝0.2%；E（t2）＝0.15（A级铂电阻）.用上节式（4）计算温度变送器测量扩展不确定度为：U（t1）＝0.12℃.把表1中相应站点操作温度值代入上节式（5）计算铂电阻测量扩展不确定度U（t2）.把U（t1）值表3中相应站点U（t2）值代入上节式（3）计算温度测量合成标准不确定度U（t）.把表3中相应站点U（t）值代入JJF 1059中的扩展不确定度公式U（t）＝kuC（t）计算温度测量扩展不确定度U（t）.把表3和表1中相应站点U（t）和温度值代入JJF 1059中的相对值表示的扩展不确定度计算公式100%计算温度测量相对扩展不确定度Urel（t），以上计算结果列于表3中.

表3 压力和温度测量不确定度评定结果Table 3 Uncertainty measuring result for pressure and temperature

3）标准参比条件下压缩因子计算：把GB／T 11062标准中对应标准参比条件下的参数和表2中各站点的组成数据代入上节式（7）计算标准参比条件下的压缩因子Zn；把GB／T 11062标准中对应标准参比条件下的参数和表3中各站点的Zn数据代入上节式（8）计算标准参比条件下压缩因子计算由组成数据引入的标准不确定度uc（Zn，c）；分别用JJF 1059B类标准不确定度评定中的扩展不确定度计算公式计算标准参比条件下压缩因子计算由组成数据引入的扩展不确定度和相对扩展不确定度U（Zn，c）和Urel（Zn，c）；用上节式（6）计算标准参比条件下压缩因子计算相对扩展不确定度，Urel（Zn）.以上计算结果列于表4中.

表4 标准参比条件下压缩因子计算不确定度评定结果Table 4 Uncertainty measuring result for compressibility factor on condition of standard reference

通过以上对现场实验数据计算表明，按照我们提出的不确定度评定方法对配置在线色谱仪的国内某长输管线上5个有代表性的计量站点开展的流量测量的不确定度的评定，不确定度均满足GB／T 18603《天然气计量系统技术要求》A级计量系统的要求.

3 结 语

天然气能量是按公式使用相关参数计算的，涉及的测量参数有流量、温度、压力和天然气组成分析数据，以及使用测量参数计算的物性参数，最终得出用于贸易结算的能量.其评定结果不确定度是以JJF 1059提供的方法为基础进行评定，首先推导出计算公式，再用实际使用的仪器仪表、标准气体和计算方法的准确度等级或不确定度计算能量计量不确定度.

本文在研究ISO 15112：2007、GB／T 22723—2008《天然气能量的测定》和其它相关标准的基础上，根据国内某长输管道天然气能量计量的实际情况，对天然气能量计量中的流量测量、温度测量、压力测量、压缩因子测量等参数不确定度进行了研究，提出了不确定度评定计算方法.但天然气组成不确定度评定也是天然气能量计量不确定度评定中的一重要内容，涉及在线色谱组成分析、组成数据赋值等，对应GB／T 13610和GB／T 17281两个标准，其评定方法与计算更为复杂，这将是我们下一步研究的重点内容.

［1］王 池，李春辉.天然气能量计量系统及方法［J］.计量学报，2008，5（11）：404－407.

［2］中华人民共和国国家技术监督局.GB／T 22723—2008.天然气能量的测定［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［3］刘智敏.扩展不确定度的新算法［J］.中国计量学院学报，2003，1（14）1－10.

［4］张福元，张 娅，杨 鸣.天然气组成分析及物性参数计算不确定度浅析［J］.石油与天然气化工，2006，1（35）65－69.

［5］肖明耀.误差理论与不确定度表达［J］.计量技术，1996，9：23－27.

［6］刘智敏.扩展最大熵原理及其在不确定度中的应用［J］.中国计量学院学报，2010，3（21）：1－5.

［7］中华人民共和国国家技术监督局.JJF 1059—1999.测量不确定度评定与表示［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［8］中华人民共和国国家技术监督局.GB／T 18603—2001.天然气计量系统技术要求［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［9］中华人民共和国国家技术监督局.ISO 587—1997，Guide to expression of uncertainty in measurement（GUM）［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［10］中华人民共和国国家技术监督局.GB／T 21446—2008，用标准孔板流量计测量天然气流量［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［11］中华人民共和国国家技术监督局.GB／T 11062—1998，天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法［S］.北京：中国标准出版社，1998.

［12］ISO 6976—1995，Natural gas－calculation of calorific values，density，relative density and Wobbe index from composition［S］.Switzerland：International Orgnization for Standardization，1998.