对天然气能量计量技术进步的认识与建议

陈赓良 张 果

1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院,四川 成都 610213;2. 四川华油集团责任有限公司,四川 成都 610200

0 前言

2021年中国天然气表观消费量已经达到3 726×108m3,但同年中国的天然气产量仅2 025×108m3,进口气量(含LNG)为1 674×108m3,进口气量在天然气表观消费量中的占比(即对外依存度)约45%。

天然气作为我国能源转型期中最重要的低碳化石燃料,不仅有商品属性,更有独特的社会价值属性。它不仅是重要的工业燃料和原料,更是与人民日常生活息息相关的重要商品,这也是制定强制性国家标准GB 17820 《天然气》以保证其质量的原因。天然气独特的社会价值是保障国家安全、国民经济平稳发展及社会生活安定的重要基础之一。根据有关部门预测,2020—2030年正是实现“双碳”目标能源消费及碳总量达峰的第一阶段,天然气作为具有低碳、高效、灵活等优点的能源,未来还将保持较高的需求增长速度[1]。

我国进口天然气的品种、来源、组成等均较复杂[2],在当前极其复杂的国际环境下,一旦发生国际贸易纠纷而需要进行仲裁时,我国有可能陷入被动,故必须早作准备。

当前我国天然气体积流量标准装置(溯源链)建设方面,中国石油天然气集团有限公司根据我国输气规模、管理模式和技术要求,选择了适合国情的m-t法原级装置和音速喷嘴次级装置,形成了较为完善的溯源链。在设计压力为10 MPa和4 MPa的操作条件下,m-t法原级装置和音速喷嘴次级装置测量不确定度分别达到0.1%和0.25%的国际较先进水平,能满足全面推广实施能量计量的要求[3]。但在发热量测定方面,我国虽已发布了一系列有关天然气发热量直接和间接测定方法的国家标准,然而在执行这些标准涉及的有关术语和定义的规范、溯源链结构的架构、标准方法的确认、标准气混合物(RGM)的研制以及测定结果不确定度的评定等方面,与国外先进水平相比尚有差距。

1 溯源链是不确定度评定的基础

溯源链是气相色谱法评定天然气组成分析测量结果不确定度的基础,故ISO 14111《天然气 分析溯源准则》(以下简称ISO 14111)是实施间接法测定发热量不可或缺的基础标准[4]。但我国大力推广实施天然气能量计量10多年来,作为能量计量最关键基础标准之一的ISO 14111却尚未转化为我国国家标准。笔者认为,没有这个基础标准的支撑我国不可能推广实施天然气能量计量。

全球著名计量与标准化研究机构,如美国国家标准与工艺研究院(NIST)、英国国家物理实验室(NPL)、德国联邦物理技术研究院(PTB)和荷兰国家计量研究院(Nmi)等,在间接法测定天然气发热量领域中普遍采用ISO 14111规定的天然气分析溯源链及其3个层级RGM的命名与相应不确定度。如果我国没有发布相应的溯源链国家标准,很难进行国际比对。

在遵循ISO 14111规定的基本原则基础上,我国可对溯源链上的具体内容根据国情加以修改。例如,英国发布的气体标准物质溯源链及与其溯源链有关的RGM虽然在RGM的命名、不确定度范围等方面与ISO 14111的规定不完全一致,但基本原则完全相同,见表1。

表1 英国气体标准物质溯源链表Tab.1 Traceability chain of British gas standard materials

近年来，我国有关单位已经开展了一系列天然气组成分析测量结果的不确定度评定研究,但因没有天然气分析溯源准则的指导,各单位用于控制分析结果质量的RGM在组成、不确定度等方面大不相同,导致各单位的测量数据之间缺乏可比性,更不可能参与国际比对及互认。

2 一级标准物质与一级标准气体混合物不等同

测定天然气发热量有直接法测定和间接法测定两种方法。当前采用能量计量计价的国家和地区在现场均用间接法测定,其原理是利用气相色谱仪测量天然气组成,然后按各组分已经准确测定的发热量值,计算样品气的发热量。间接法测定天然气发热量的关键技术是RGM的研制。其难点有二:一是组分数通常达10个左右,且不同组分的含量差别巨大;二是按GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》的规定,发热量测定设备的准确度必须优于0.5%。由于研制气相色谱仪测量结果质量控制用的RGM相当困难,我国目前应用于能量计量实验室质量控制的CRM级RGM全部依赖进口。在正常生产条件下使用进口RGM也未尝不可,但一旦发生国际贸易纠纷,我国就有可能因没有完善的天然气分析溯源链而丧失话语权。

目前在很多有关能量计量的研究报告与学术论文中,经常可以见到“已经研制和/或使用了国家一级气体标准物质”的提法[3],但在2006年发布的GB/T 20604 《天然气 词汇》(以下简称GB/T 20604)和1987年7月由当时国家计量局发布的《标准物质管理办法》中,根本没有“国家一级气体标准物质”这个术语及定义。因此上述提法容易产生误导。

《标准物质管理办法》将经认证的标准物质分为一级、二级两个级别[5]。由于当时国际标准化组织天然气技术委员会(ISO/TC193)尚未成立,当然不可能出现诸如PSM之类的术语。

ISO 14111发布后,《标准物质管理办法》中规定的“一级标准物质”实质上就是ISO 14111规定的溯源链上的CRM;而“二级标准物质”则是ISO 14111规定的溯源链上的工作级标准气体混合物(WRM)。

《标准物质管理办法》规定的一级标准物质的代号为GBW。ISO/TC193为建立天然气分析溯源链而发布的ISO 14111与《标准物质管理办法》是互为补充的。《标准物质管理办法》是用于中国所有标准物质的研制与应用，而ISO 14111是为建立天然气分析溯源链奠定基础。根据GB/T 20604的规定,在ISO 14111规定的溯源链上处于顶层位置的RGM称为一级标准气体混合物,代号为PSM,见表2。

在ISO 14111规定的溯源链结构中,其顶层是作为国家测量基准的SI制单位质量(kg),并以绝对方法(称量法)制备基准级(一级)RGM。NPL研制的基准级RGM的不确定度为0.1%～0.4%,置信度95%;认证级RGM的不确定度也达到0.4%～1.0%。显然,上述对RGM的命名及其相应的不确定度与黄维和等人[3]论文中的数据大相径庭。

表2 一级标准物质与一级标准气体混合物的区别表Tab.2 Comparison of GBW and PSM

3 溯源链不能任意构建

笔者认为,黄维和等人[3]文章中图1中提出的3条溯源链皆不能成立。直接法测定发热量一般采用谱系学溯源方式,见表3[4];而以Cutier-Hammer(C-H)型热量计为代表的连续记录式热量计是商用测量仪器,它们相互之间,以及它们与0级热量计之间,皆不存在量传/溯源关系。

表3 两种不同类型的溯源方式表Tab.3 Comparison of two different types of trace methods

根据ISO 15971,直接法测定发热量领域中不存在所谓的量传/溯源链。1～3级连续记录式热量计都是以燃烧纯甲烷方式进行校准,因而三者之间不可能存在量传/溯源关系。

黄维和等人[3]文章中图1左侧链上所示的0级热量计是发热量测定的计量基准(仪器),它是通过电学校准方式向SI制单位溯源。商用连续记录式热量计是普通测量仪器,它们不可能向计量基准溯源。

PTB发布的能量计量溯源(性)链见表4。0级热量计的测定数据通过与制备的RGM比对而传递给PSM(定值),然后通过ISO 14111规定的RGM溯源链传递给用作现场分析气相色谱仪日常例行校准的WRM[5]。

20世纪90年代中期之后,C-H型热量计几乎全部被气相色谱仪所取代。但全国天然气标准化技术委员会却在2017年发布了GB/T 35211《天然气发热量的测量 连续燃烧法》。当时韩国标准化研究院已经成功开发了适合国情的、准确度约为0.35%的0级热量计作为内部计量基准,并通过与进口RGM比对而为其定值,取得了国际仲裁中的话语权[6]。

表4 PTB发布的天然气能量计量溯源链表Tab.4 Traceability chain of natural gas energy determination published by PTB

4 0级热量计是基准设备

从计量学角度分析,发热量直接法测定与间接法测定存在本质区别。热量计法直接测定天然气发热量属于物理化学计量范畴,采用谱系学法溯源;而气相色谱分析法间接测定则属于分析化学计量范畴,通常将测定结果的溯源还原为RGM的溯源(见表3)[7-10]。

4.1 法制计量的目的与功能

法制计量是指为了保证公众安全、国民经济和社会发展,根据法制、技术和行政管理的需要,由政府或官方授权进行强制管理的计量方式。根据我国计量法规的规定,目前天然气体积计量已经属于法制计量范畴,因而在我国全面实施能量计量后,用于发热量测定的热量计法直接测定也必将列入法制计量的范畴。笔者认为,经国家主管部门授权,成为法定的天然气发热量计量监测机构至少应具备4项功能:1)依据计量法规建立内部最高等级的计量标准(参比标准);2)通过对法定计量机构或校准实验室所建适当等级计量标准的定期检定或校准,溯源至国家计量基准(上溯功能);3)获得认可的内部最高计量标准,在需要时按国家量值传递要求实施向下传递,直至工作计量器具(下传功能);4)当已经认可的机构使用标准物质进行测量时,只要可能,标准物质必须溯源至SI制测量单位或有证标准物质。

上述4项功能中并不包括具体的测量不确定度要求。因为参比级(0级)热量计是按用户特定要求设计的,其不确定度要求取决于其功能。例如,欧洲气体研究组织(GERG)在PTB建设了1套直接测量式基准热量计,测定纯甲烷高位发热量时的扩展不确定度可以达到优于0.05%(k=2)的水平,建设目的是用以验证ISO 6976《天然气 发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》中给出的纯甲烷高位发热量数据的测量不确定度是否达到优于0.1%(k=2)的水平。但如果验证现场使用的是不确定度为0.25%(k=2)的在线测定热量计,或对不确定度为0.25%(k=2)的认证级RGM定值,其不确定度也可以放宽至0.15%～0.17%。

4.2 能量计量中发热量的含义

根据天然气供出能量计算公式,测定发热量的分析测试系统(气相色谱仪)的测量误差及其不确定度与体积流量测定结果的不确定度同样对能量计算结果有重大影响。根据气相色谱法分析结果计算发热量的间接法量值溯源的基本原理,是将测定结果的溯源还原为RGM的溯源。但间接法测定结果的溯源链最终只能溯源至室间循环比对试验确定的公议值,未能实现溯源至SI制单位,故从计量角度而言存在缺陷。鉴此,20世纪80年代美国开始实施能量计量时就明确规定,能量计量过程所谓的发热量是指单位天然气在燃烧过程中实际释放的能量,而不是天然气中可燃组分在规定条件下计算出的能量。

ISO/TC193于2006年发布了ISO/TR 24094 技术报告。该技术报告不仅对通过室间循环比对试验验证多元RGM的方法和步骤作了详尽规定,且其中提出的多元RGM确认方法成功地为确定多元RGM的标准值及其不确定度提供了实验证据,使多元RGM室间循环比对试验定值法与计量学定值法相关联;确认了以称量法制备的多元RGM可以与0级热量计比对而溯源至SI制单位焦耳,奠定了为其定值的理论基础。

4.3 法制计量与0级热量计的关系

计量基准是统一国家量值的最高依据,也是与其它国家和地区保持计量结果等效性的接口。由于PSM存在计量学上的缺陷,故不能作为计量基准。因此,在我国全面推广实施能量计量后,0级热量计是不可或缺的计量基准。按目前发展情况看,由于没有基准测量仪器,在商品天然气发热量测定未能列入法制计量范围之前,我国不太可能全面推广能量计量。

5 结论

按国际标准ISO 14111的规定,目前已经形成了1条全球公认的、由3个不同不确定度的RGM层级组成的天然气组成分析溯源链;作为天然气发热量测定基准装置的0级热量计的应用也得到推广。这些正是我国天然气能量计量与国际接轨的技术进步方向。此外,在测量方法方面,GB/T 13610是否能取代ISO 6974系列标准尚需要进一步验证;在测量结果的不确定度评定方面,GB/T 28766—2018《天然气 分析系统性能评价》的宣贯尚需进一步落实;除ISO 14111外,ISO 15971、ISO/TR 24094等重要标准文件亟待转化等等。故笔者认为当前在我国全面推广实施能量计量的条件尚未成熟。但为了应对错综复杂的国际环境下可能出现的国际贸易纠纷,笔者建议:尽快落实进口RGM的溯源报告;与韩国标准化研究院的0级热量计进行比对;争取在尽可能短的时间完成准确度优于0.35%的0级热量计的研制。