对国际标准ISO 10723：2012的认识与讨论

周 理 陈赓良 郭开华 王伟杰,3 王晓琴,3

1.中山大学工学院 2.中国石油西南油气田公司天然气研究院 3.中国石油天然气质量控制和能量计量重点实验室

0 引言

发热量是商品天然气最重要的技术指标，各国都根据本国生产天然气的特点对此项指标作了明确的规定。例如，我国2012年发布的强制性国家标准GB 17820—2012《天然气》规定，一类气的高位发热量应大于等于36 MJ/m3[1]；而俄罗斯则规定商品天然气的低位发热量应大于等于32.5 MJ/m3。同时，GB 17820—2012还规定高位发热量的计算应按GB/T 11062执行[2]，所依据的天然气组成测定按GB/T 13610执行[3-4]。因此，当前我国（也包括其他国家与地区）在天然气贸易结算中均采用间接法计算高位发热量，而用于计算的天然气摩尔分数组成则采用气相色谱法测定。由此可见，天然气发热量测定结果的误差及其不确定度取决于气相色谱法测定应用的分析方法与分析仪器两者涉及的所有A类与B类不确定度。

国际标准化组织天然气技术委员会（ISO/TC193）于1995年首次发布ISO 10723：1995《天然气 在线分析系统性能评价》[5]，其中对测量结果不确定度随机分量的确定作了明确规定。我国于2012年修改采用ISO 10723：1995，发布了国家标准GB/T 28766—2012《天然气在线分析系统性能评价》[6]。2012年ISO/TC 193发布了修订后的ISO 10723：2012《天然气 分析系统的性能评价》，其作为天然气交接计量的一项重要配套标准，特别是在当前天然气工业快速发展中具有重要意义[7]。ISO 10723：2012与1995版标准相比有较大差异，因此，了解ISO 10723：2012修订前后的技术差异，并掌握ISO 10723：2012的主要技术内容，对于保障我国天然气能量测定的顺利实施具有重要的研究意义[8]。

2001年发布的GB/T 18603—2001规定A级计量站发热量测定的准确度应优于0.5%，即发热量测定的标准不确定度（u）应优于0.5%，在包含因子k等于2的条件下扩展不确定度应优于1.0%[9]。目前此项技术指标是采用JJF 1059.1—2012规定的GUM法进行评估[10-11]。因此，按现行标准规定分析方法的精密度评价与分析结果的不确定评估是两项分别独立进行的评定工作。通常精密度评价是在具有相应资质的多个实验室之间进行，而不确定度评估是在单个实验室中独立进行。

为加快天然气大规模交接计量方式由传统的体积计量向能量计量过渡，我国已于2008年底发布了国家标准GB/T 22723—2008《天然气能量的测定》[12]，并在所有进口LNG的计量站全面实施。但迄今未能对商品天然气管网系统中间接法测定天然气发热量的测量不确定度进行整体评估，这是一个值得注意的问题。

1 ISO 10723：2012的技术要点

ISO 10723：2012在理论上提出一系列新的概念，在实践上推荐了一种简便易行的不确定度评估新方法，对改进间接法计算天然气发热量的不确定度评估极为重要。与ISO 10723：1995相比，ISO 10723：2012在以下方面作了重大改进[13]:

1）在标准的标题中取消了“在线”两字，拓宽了标准的应用范围。

2）将确定响应函数使用的“试验气体”（Test Gas）改为“校准气混合物”（Calibration Gas Mixture），从而将精密度评价与不确定度评估结合于一体。

3）推荐用Monte—Carlo法（MCM）整体评估输气管网系统发热量测定结果的测量不确定度，并规定了对气相色谱分析结果进行MCM评估的具体步骤。

4）推荐设置一个以最大允许误差（MPE）和最大允许偏差（MPB）表征的“仪器性能基准”。

分析仪器本身不存在测量不确定度，但可以理解为在样品气测量结果中由仪器引入的不确定度分量。根据国际法制计量组织OIML R 140报告（2007）的建议[14]，ISO 10723：2012对实施能量计量的A级计量系统MPE值规定为±1.0%（表1）。

表1 计量系统的最大允许误差（MPE）值表

ISO 10723：2012附录B推荐的仪器操作性能规定：在计算天然气发热量的参比条件为15 ℃（燃烧）和15 ℃、101 325 Pa（计量），天然气组成中虚拟组分C6+按正已烷性质计算其发热量的工况条件下，MPE 为 0.100 MJ·m－3，MPB 为 0.025 MJ·m－3。

2 平均校正系数的表达与计算

根据ISO/IEC指南98-3阐明的原理[15]，在不采用校准曲线法进行校正的情况下，可以用单一的平均校正系数对样品气测量值进行最佳估计。的表达式如式（1）所示； 的计算式如（2）所示。对所有测定值按式（1）进行估计时，其标准不确定度的单一值是式（3）的正方根。即式中y表示样品气组分测量值；表示样品气组分校正值；b(t)表示校正系数；表示平均校正系数；u表示标准不确定度。

式（3）中的第1项是除b(t)以外所有不确定度来源y(t)的方差，即使用仪器进行未知样品分析涉及的不确定度。第2项是校正系数b(t)的方差，第3项是在分析（摩尔分数）范围内平均校正系数的方差。第2与第3项一起描述了校正过程，以及表征仪器在分析范围内操作性能的平均校正系数的不确定度。

就分析仪器操作性能而言，平均误差是由ISO 10723：2012中6.6.4节设定的N个假设组成中所有组成的平均值确定的：

式中δPt表示由N个假设组成中一小部分假设组成计算而得的误差（包括组分摩尔分数及据此计算的物性）。

平均误差的标准不确定度可由下式计算：

式中δ表示计算值误差；P表示物理特性。

由于假设的摩尔分数及据此计算的物性皆为真值而不存在不确定度，故误差的不确定度即等于测得摩尔分数及据此计算物性（值）的测量不确定度。

3 Monte—Carlo法（MCM）模拟的应用

完整地评价一台分析仪器的测量误差和不确定度，理论上需要在特定的操作（浓度）范围内测量无限多个精心设计的校准气混合物，因而实际上是不可能实现的。ISO 10723：2012用Monte—Carlo法模拟设计了10 000个天然气假设组成数据集，测量少量（一般为7个）精心设计的校准气混合物，并在预先设定的摩尔分数范围内确定每个特定组分响应函数的数学表达式。利用这些“真实的”响应函数、仪器数据系统“假设的”响应函数与仪器特定的校准气混合物标准数据，离线建立仪器操作性能评价的数学模型。然后，10 000个假设组成的气体混合物可以利用离线数值模拟方法确定测量仪器系统固有的仪器性能基准。这就是我国于2012发布计量技术规范JJF 1059.2—2012《用蒙特卡洛法评定测量不确定度》在天然气能量计量不确定度评估中的具体应用[16-17]。

仪器的操作性能及其基准可以简明地以平均误差及其扩展不确定度（U）表示。按ISO 10723：2012规定，此信息可以用以下两种方法表述：

1）在设定的组成范围内比较仪器操作性能与预先设定的要求。

2）对每个组分确定其测得摩尔分数及（据此计算）物性误差不超过预先设定要求的组成范围。

由于迄今为止测量误差及其不确定度尚不能以令人满意的方式相结合，故在MCM模拟中采用与式（7）进行比较的方法对分析结果（及据此计算的物性值）的扩展不确定度进行评估。根据上述不确定度评估原理，ISO 10723：2012对分析仪器操作性能规定的评价基准是：如果式（7）与式（8）能成立，则预先设定的操作性能指标能够达到。因此，只要发热量测量结果的误差及其扩展不确定度之和不超过法规、规范或标准所规定的MPE就接受测量结果的误差，而不再对分析仪器适用的商品天然气中有关组分浓度设置限定

目前MCM模拟已经广泛应用于欧盟国家和英国实施能量计量的计量站，对管网系统的发热量测量结果进行不确定度（整体）评估。例如，英国现行法规“输气管网准入协议（NEA）”规定[11]，进入国家输气管网的天然气发热量必须达到31.6～46.5 MJ/m3。图1所示即为进入英国管网天然气的MCM模拟结果[18]。由图1可知，在上述范围内发热量测量结果的平均误差的不确定度数据绝大多数分布在深灰色区域内，由此可以估计出MPE的分布区间为－0.10～ 0.08 MJ/m3，符合准入协议的规定。

图1 平均误差分布与MPE分布带图

4 结论与建议

当前ISO 10723：2012正在转化为我国国家标准，该标准发布后，以ISO 10723：1995为基础的GB/T 28766—2012将撤销。届时，我国现行的以精密度评价为核心的操作性能评价必须按ISO 10723：2012的规定，与测量结果的不确定度评价相结合一体。鉴于此，应充分重视ISO 10723：2012附录B提出的以平均系数法评价气相色谱仪的建议。实施此建议的具体意见如下。

1）ISO 10723：2012推荐在不采用校准曲线法进行校正的情况下，采用单一的平均校正系数作为仪器操作性能基准，对气相色谱仪分析样品气的测量结果进行不确定度最佳估计。值可以用MCM法模拟确定。

2）根据国际法制计量组织OIML R 140报告的建议，ISO 10723：2012对实施能量计量的A级计量系统MPE值规定为±1.0%。

3）ISO 10723：2012推荐的仪器操作性能规定：在参比条件为15 ℃（燃烧）和15 ℃、101 325 Pa（计量），天然气组成中虚拟组分C6+按正已烷性质计算其发热量的工况条件下，MPE为0.1 MJ·m－3，MPB 为 0.025 MJ·m－3。