天然气能量计量系统分级与不确定度评定

任 佳 段继芹 何 敏

1.国家石油天然气大流量计量站成都分站 2.中国石油天然气质量控制和能量计量重点实验室 3.中国石油西南油气田公司天然气研究院 4.中国石油西南油气田公司

0 引言

欧美工业发达国家自20世纪80年代就实施天然气能量计量。随着中国天然气工业的快速发展[1-2]，“十二五”以来，以中石油为代表的国内能源公司以及法定计量技术机构相继开展了大量的天然气能量计量技术和标准体系研究工作[3-10]，截至“十三五”末已基本具备能量计量技术条件，并形成了以GB/T 18603—2014《天然气计量系统技术要求》[11]（以下简称 GB/T 18603）、GB/T 22723—2008《天然气能量的测定》[12]（以下简称GB/T 22723）和GB/T 35186—2017《天然气计量系统性能评价》[13]（以下简称GB/T 35186）为核心的天然气能量计量标准体系，为天然气作为燃料实施能量计量更能体现优质、优价的商品价值奠定了重要的基础条件。

2019年5月，国家发展与改革委员会同国家能源局、住房城乡建设部、市场监管总局发布了《油气管网设施公平开放监管办法》，该管理办法第十三条中明确提出国家推行天然气能量计量计价，并要求本办法施行之日起24个月内建立天然气能量计量计价体系。为此，国家质量监管总局也组织起草了国家计量技术规范《天然气能量计量技术规范》。

随着国内天然气贸易量的稳定增长，据预测，“十四五”期间中国天然气年表观消费量将达到4 000×108m3[14]。因此，天然气能量计量系统的合理建设和运行过程中合理评价天然气能量计量系统，保障计量结果的准确可靠成为天然气贸易交接各相关方关注的焦点。笔者结合国家计量技术规范和国家标准的相关要求，对国内外天然气能量计量系统技术要求的相关标准差异和测量不确定度评定进行了分析，提出了中国天然气能量计量系统相关标准修订建议，为下步实施天然气能量计量系统设计建设和运行提供借鉴。

1 国内外相关标准对比分析

1.1 天然气计量系统分级

目前国内外主要有国际建议OIML R140:2007《燃气计量系统》[15]（以下简称OIML R140）、中国国家标准GB/T 18603、《天然气能量计量技术规范》和欧盟标准EN 1776:2015《燃气基础设施 燃气计量系统 功能要求》[16]（以下简称EN 1776）给出了天然气能量计量系统分级，对这4个标准和规范的现行有效版本中相关内容进行对比分析，结果如表1所示。

表1 国内外标准规范中天然气计量系统分级要求对比分析表

从表1的对比分析，结合欧美发达国家的实际实施情况[17-18]及国内现状[19-21]，可以得出以下结论：

1）GB/T 18603规定了新建和改扩建天然气计量站贸易计量系统的设计、建设、投产运行、维护、停运方面的技术要求。其天然气计量系统分级要求和OIML R140一致，按照天然气计量系统的输气量（小时标况流量）提出A、B、C这3个等级的分级，与欧洲一些大型天然气管输公司按照标准体积流量进行天然气计量系统分级设计和建设类似，符合实际需求。

2）《天然气能量计量技术规范》规定了用于贸易计量的天然气能量计量系统的评价、天然气能量计量结果的核验及其等级的评定方法，根据计量结果的最大允许误差来判定计量系统的级别。

3）EN 1776按照实际运行中的计费周期内能量测量不确定度进行计量系统的分级，计量系统设计、建设、运行和维护中的详细技术要求由贸易交接合同双方通过合同约定，如果合同中没有相关详细技术要求，则按照EN 1776以及其他配套标准执行。

1.2 计量仪表配置要求

目前国内外标准中，GB/T 18603和OIML R140给出了不同等级的天然气计量系统配套计量仪表的最大允许误差要求（表2）。各个参数的要求比较明确，其中，在OIML R140明确了工况流量的最大允许误差不仅包括流量计本体的最大允许误差，还包括现场安装条件下流态的影响、检定（校准）压力及温度与实际使用时压力及温度不同带来的影响。因此，可以理解为A级计量系统应配备准确度等级0.5级的流量计才能更好地满足A级计量系统的要求。同时，标准中给出的是最低要求，这两点应该在正在修订中的GB/T 18603中明确。EN 1776中并未给出不同等级的天然气计量系统配套计量仪表的最大允许误差要求，但对计量系统配置提出了不同等级计量系统的最低技术要求。3个标准对于计量仪表配置的要求对比分析如表2所示。

表2 国内外标准中不同等级天然气计量系统仪表配置及最大允许误差要求表

2 国内外标准A级天然气能量计量系统测量不确定度计算对比分析

目前国内外有GB/T 35186、《天然气能量计量技术规范》和EN 1776给出了天然气能量计量系统测量不确定度评定方法和示例。以体积流量为例给出计算方法如下：

式中ur(E)表示天然气能量的相对标准不确定度；ur(Em)表示贸易计量周期内各时段天然气能量的相对标准不确定度；ur(qn)表示标准参比条件下天然气体积流量的相对标准不确定度；ur(H)表示天然气单位体积发热量的相对标准不确定度；ur(qf)表示操作条件下的体积流量测量标准不确定度；ur(pf)表示操作条件下的绝对静压测量标准不确定度；ur(Tf)表示操作条件下的热力学温度测量标准不确定度；ur(Zn)表示标准参比条件下压缩因子的标准不确定度；ur(Zf)表示操作条件下压缩因子的标准不确定度；ur(E)表示天然气能量的相对扩展不确定度；k表示包含因子，通常取值为2。

采用以上3个标准规范中给出的计算方法和示例数据，参考国内天然气能量计量系统不确定度评定相关文献[22-24]，以A级计量系统为例，采用体积流量测量的计量系统能量不确定度计算结果如表3所示。

表3 国内外标准规范中A级天然气能量计量系统测量不确定度计算对比分析表

根据表3中的计算结果，可以得到以下结论：

1）国内外技术标准和规范在测量不确定度评定的相同点包括：能量合成方法、压缩因子标准不确定度计算方法相同，时间测量不确定度可以忽略；

2）国内外技术标准和规范在测量不确定度评定方面存在不同点：①《天然气能量计量技术规范》示例中采用1.0级流量计最大允许误差计算体积量标准不确定度；GB/T 35186和EN 1776均按照流量计检定或校准证书给出的不确定度计算体积量标准不确定度。EN 1776还考虑了流量计、压力温度测量仪表的周期偏移（如：流量计4～6 年为周期校准结果最大偏移限0.3%；压力周期校准结果偏移限0.15%；温度仪表周期校准结果偏移限0.2 K），较为合理。依据成都分站开展的周期检定偏移量统计分析（图1），流量计周期偏移带来的影响不容忽略。②《天然气能量计量技术规范》示例中采用二级标物、甲烷由差减法计算，合成压缩因子影响得到天然气发热量标准不确定度；GB/T 35186采用二级标物、甲烷由差减法计算，合成压缩因子影响得到天然气发热量标准不确定度。但《天然气能量计量技术规范》按照在线气相色谱计量检定规程中相对标准偏差要求进行计算，因此计算结果大1倍左右。③针对A级计量系统，《天然气能量计量技术规范》与EN 1776的发热量测量不确定度计算结果较为接近。EN 1776强调了在线发热量测定设备的期间核查。

图1 DN200 mm及以上周检流量计周期偏移量统计分析图（成都分站2020年）

3 天然气能量计量系统达到A级的可行性和测量不确定度评定示例

3.1 天然气能量计量系统等级评定原则

根据《天然气能量计量技术规范》，按照测量不确定度小于最大允许误差的原则，进行天然气能量计量系统等级评定。

3.2 符合GB/T 18603中A级站配置要求的能量计量系统测量不确定度评定示例

为分析中国天然气能量计量系统测量不确定度评定结果达到A级的可行性，结合目前天然气贸易计量系统仪表的实际和流量计检定数据统计分析结果，依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》[27]，按照以下3种情况对输气量达到A级的计量系统进行测量不确定度评定示例如下。

3.2.1 示例一

流量计用不确定度0.33%的计量标准校准，假设流量计周期偏移达到准确度等级1.0级要求，压力和温度测量仪表满足GB/T 18603给出的最低要求，能量计量系统测量不确定度计算见表4。

表4 天然气能量计量系统测量不确定度评定表（示例一）

3.2.2 示例二

当流量计用不确定度0.25%的计量标准（目前国内高水平天然气工作标准装置不确定度为0.16%～0.25%）校准，假设流量计周期偏移达到准确度等级0.5级要求，工况体积流量和发热量不确定度计算方法分别采用GB/T 35186和《天然气能量计量技术规范》，压力和温度测量仪表满足GB/T 18603给出的最低要求，能量计量系统测量不确定度计算如表5所示。

表5 天然气能量计量系统测量不确定度评定表（示例二）

3.2.3 示例三

当流量计用不确定度0.16%的计量标准校准，假设流量计周期偏移达到准确度等级0.5级要求，工况体积流量和发热量不确定度计算方法分别采用GB/T 35186和《天然气能量计量技术规范》，压力和温度测量仪表的配置根据目前国内长输管网实际使用的技术参数（高于GB/T 18603给出的最低要求），能量计量系统测量不确定度计算见表6。

表6 天然气能量计量系统测量不确定度评定表（示例三）

从表4、5的计算结果可以得到以下结论：

采用国内较为常用的二级标准物质用于天然气组成分析，若先用1.0级流量计，向不确定度0.33%左右的计量标准装置溯源，考虑使用过程中周期偏移、计量器具按照GB/T 18603规定的最低配置时，能量测量不确定度不能达到1.0%（k=2）。

采用国内较为常用的二级标准物质用于天然气组成分析，若先用0.5级流量计，向不确定度优于0.25%的计量标准装置溯源，考虑使用过程中周期偏移、计量器具按照较高技术参数配置时，同时在线色谱需定期核查，能量测量不确定度能够达到1.0%（k=2）。

要保证A级计量系统运行期间测量不确定度不超过最大允许误差，计量器具的稳定性和期间核查非常重要。

3.3 中国A级计量系统用流量计检定（校准）能力分析

从表4～6的分析可以看出，用于流量计量值溯源的计量标准装置技术水平对流量计用于现场的测量不确定度具有较为重要的影响。全国目前已建、在建和筹建的天然气实流检定站共有14个[28]。其中：中石油建有4个天然气实流检定机构（榆林在建）；中国石油天然气管网集团有限公司建有6个天然气实流检定机构（沈阳、贵阳2个在建）、2个检定点；地方政府或省级燃气建有3个天然气实流检定机构（其中内蒙古自治区正筹建）与1个检定点。中国现有天然气实流检定（校准）站点中，具备0.5级流量计检定能力的站点见表7。

表7 国内现有准确度等级0.5级流量计天然气实流检定能力统计表

从表7可以看出，目前中国仅有3个天然气实流检定站具备0.5级流量计的检定能力，下步全面实施能量计量后对于0.5级流量计的检定需求将会显著提升，这也说明中国天然气计量标准装置还需要进一步提高技术能力与水平，并逐步推进量值统一。同时，推进GB/T 32201—2015《气体流量计》[29]在天然气流量计型式评价中的指导作用。

4 结论和建议

4.1 结论

通过对中国技术标准和规范对天然气能量计量系统分级和技术要求的对比分析，结合国外工业发达国家标准和实际运行、国内多年以来的运行经验，可得到以下结论：

1）GB/T 18603 主要参考 OIML R140，按照流量大小分级可对能量计量系统的设计建设起到较好的指导作用，这也是欧洲工业发达国家大型管输公司采用的方式。

2）应区别对待最大允许误差和测量不确定度要求，针对中国的情况，可将GB/T 18603作为能量计量系统设计时选型最低要求，按照《天然气能量计量技术规范》和GB/T 35186进行测量不确定度评定，作为系统建成初期和运行中的计量性能评估、监控。

3）天然气能量计量系统设计建设时按照GB/T 18603进行配置和选型，虽然系统最大允许误差能够达到A级要求，但在运行中需要控制不确定度带来的计量风险，加强标准的执行宣贯和现场计量管理是非常重要和必要的。

4）目前GB/T 18603给出的工况体积量的最大允许误差不仅包括流量计本体，还包括检定/校准和实际运行时的压力、温度和流态变化等因素的影响。因此A级能量计量系统采用0.5级流量计，并配置核查流量计，是降低测量不确定度的重要保障。

4.2 建议

天然气能量计量不确定度主要由体积/质量不确定度和发热量不确定度组成，前者主要包括流量、压力和温度测量不确定度，后者主要包括标准物质和组成分析仪器的不确定度。因此，保证天然气能量计量系统的设计建设和实际运行能够真正满足预期的计量性能要求，需要在天然气流量量值溯源、标准制修订和计量管理等方面持续改进。

在流量量值溯源体系方面，持续改进提升榆林、塔里木、乌鲁木齐、沈阳、贵阳、广州分站音速喷嘴标准装置能力，具备开展0.5级流量计检定，使涡轮工作标准优于0.25%；同时，定期开展量值比对，实现量值统一。

在标准制修订方面，GB/T 18603、GB/T 22723、GB/T 35186等标准制修订时，与《天然气能量计量技术规范》在计量系统分类、流量和发热量测量不确定度评定方面协调一致；修订GB/T 18603时，结合OIML R140在计量系统最大允许误差计算、最大允许误差与测量不确定度关系等方面进行补充完善；完善GB/T 35186不确定度评定方法，如：考虑仪表检定（校准）期间稳定性等。

在计量管理方面，对于大型天然气能量计量系统，需加强流量、压力温度变送器和在线色谱分析仪、标准物质的实时核查或周期核查；加强流量计尤其是准确度等级0.5级流量计的型式评价技术要求和管理；依据市场监管总局下达的《关于加强标准物质建设和管理的指导意见》及后续出台与标准物质相关的标准，加强气体标物定值可靠性、气体标准物质生产商监管，并应用大数据、物联网技术提升现场计量管理水平，为智慧监管提供支撑等。