對天然氣能量計量技術(shù)進步的認識與建議

陳賡良 張 果

1. 中國石油西南油氣田公司天然氣研究院,四川 成都 610213;2. 四川華油集團責(zé)任有限公司,四川 成都 610200

0 前言

2021年中國天然氣表觀消費量已經(jīng)達到3 726×108m3,但同年中國的天然氣產(chǎn)量僅2 025×108m3,進口氣量(含LNG)為1 674×108m3,進口氣量在天然氣表觀消費量中的占比(即對外依存度)約45%。

天然氣作為我國能源轉(zhuǎn)型期中最重要的低碳化石燃料,不僅有商品屬性,更有獨特的社會價值屬性。它不僅是重要的工業(yè)燃料和原料,更是與人民日常生活息息相關(guān)的重要商品,這也是制定強制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820 《天然氣》以保證其質(zhì)量的原因。天然氣獨特的社會價值是保障國家安全、國民經(jīng)濟平穩(wěn)發(fā)展及社會生活安定的重要基礎(chǔ)之一。根據(jù)有關(guān)部門預(yù)測,2020—2030年正是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)能源消費及碳總量達峰的第一階段,天然氣作為具有低碳、高效、靈活等優(yōu)點的能源,未來還將保持較高的需求增長速度[1]。

我國進口天然氣的品種、來源、組成等均較復(fù)雜[2],在當(dāng)前極其復(fù)雜的國際環(huán)境下,一旦發(fā)生國際貿(mào)易糾紛而需要進行仲裁時,我國有可能陷入被動,故必須早作準(zhǔn)備。

當(dāng)前我國天然氣體積流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(溯源鏈)建設(shè)方面,中國石油天然氣集團有限公司根據(jù)我國輸氣規(guī)模、管理模式和技術(shù)要求,選擇了適合國情的m-t法原級裝置和音速噴嘴次級裝置,形成了較為完善的溯源鏈。在設(shè)計壓力為10 MPa和4 MPa的操作條件下,m-t法原級裝置和音速噴嘴次級裝置測量不確定度分別達到0.1%和0.25%的國際較先進水平,能滿足全面推廣實施能量計量的要求[3]。但在發(fā)熱量測定方面,我國雖已發(fā)布了一系列有關(guān)天然氣發(fā)熱量直接和間接測定方法的國家標(biāo)準(zhǔn),然而在執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)涉及的有關(guān)術(shù)語和定義的規(guī)范、溯源鏈結(jié)構(gòu)的架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)方法的確認、標(biāo)準(zhǔn)氣混合物(RGM)的研制以及測定結(jié)果不確定度的評定等方面,與國外先進水平相比尚有差距。

1 溯源鏈?zhǔn)遣淮_定度評定的基礎(chǔ)

溯源鏈?zhǔn)菤庀嗌V法評定天然氣組成分析測量結(jié)果不確定度的基礎(chǔ),故ISO 14111《天然氣 分析溯源準(zhǔn)則》(以下簡稱ISO 14111)是實施間接法測定發(fā)熱量不可或缺的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)[4]。但我國大力推廣實施天然氣能量計量10多年來,作為能量計量最關(guān)鍵基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之一的ISO 14111卻尚未轉(zhuǎn)化為我國國家標(biāo)準(zhǔn)。筆者認為,沒有這個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的支撐我國不可能推廣實施天然氣能量計量。

全球著名計量與標(biāo)準(zhǔn)化研究機構(gòu),如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與工藝研究院(NIST)、英國國家物理實驗室(NPL)、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)和荷蘭國家計量研究院(Nmi)等,在間接法測定天然氣發(fā)熱量領(lǐng)域中普遍采用ISO 14111規(guī)定的天然氣分析溯源鏈及其3個層級RGM的命名與相應(yīng)不確定度。如果我國沒有發(fā)布相應(yīng)的溯源鏈國家標(biāo)準(zhǔn),很難進行國際比對。

在遵循ISO 14111規(guī)定的基本原則基礎(chǔ)上,我國可對溯源鏈上的具體內(nèi)容根據(jù)國情加以修改。例如,英國發(fā)布的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溯源鏈及與其溯源鏈有關(guān)的RGM雖然在RGM的命名、不確定度范圍等方面與ISO 14111的規(guī)定不完全一致,但基本原則完全相同,見表1。

表1 英國氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溯源鏈表Tab.1 Traceability chain of British gas standard materials

近年來，我國有關(guān)單位已經(jīng)開展了一系列天然氣組成分析測量結(jié)果的不確定度評定研究,但因沒有天然氣分析溯源準(zhǔn)則的指導(dǎo),各單位用于控制分析結(jié)果質(zhì)量的RGM在組成、不確定度等方面大不相同,導(dǎo)致各單位的測量數(shù)據(jù)之間缺乏可比性,更不可能參與國際比對及互認。

2 一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與一級標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物不等同

測定天然氣發(fā)熱量有直接法測定和間接法測定兩種方法。當(dāng)前采用能量計量計價的國家和地區(qū)在現(xiàn)場均用間接法測定,其原理是利用氣相色譜儀測量天然氣組成,然后按各組分已經(jīng)準(zhǔn)確測定的發(fā)熱量值,計算樣品氣的發(fā)熱量。間接法測定天然氣發(fā)熱量的關(guān)鍵技術(shù)是RGM的研制。其難點有二:一是組分數(shù)通常達10個左右,且不同組分的含量差別巨大;二是按GB/T 18603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》的規(guī)定,發(fā)熱量測定設(shè)備的準(zhǔn)確度必須優(yōu)于0.5%。由于研制氣相色譜儀測量結(jié)果質(zhì)量控制用的RGM相當(dāng)困難,我國目前應(yīng)用于能量計量實驗室質(zhì)量控制的CRM級RGM全部依賴進口。在正常生產(chǎn)條件下使用進口RGM也未嘗不可,但一旦發(fā)生國際貿(mào)易糾紛,我國就有可能因沒有完善的天然氣分析溯源鏈而喪失話語權(quán)。

目前在很多有關(guān)能量計量的研究報告與學(xué)術(shù)論文中,經(jīng)常可以見到“已經(jīng)研制和/或使用了國家一級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”的提法[3],但在2006年發(fā)布的GB/T 20604 《天然氣 詞匯》(以下簡稱GB/T 20604)和1987年7月由當(dāng)時國家計量局發(fā)布的《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法》中,根本沒有“國家一級氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”這個術(shù)語及定義。因此上述提法容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。

《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法》將經(jīng)認證的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分為一級、二級兩個級別[5]。由于當(dāng)時國際標(biāo)準(zhǔn)化組織天然氣技術(shù)委員會(ISO/TC193)尚未成立,當(dāng)然不可能出現(xiàn)諸如PSM之類的術(shù)語。

ISO 14111發(fā)布后,《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法》中規(guī)定的“一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”實質(zhì)上就是ISO 14111規(guī)定的溯源鏈上的CRM;而“二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”則是ISO 14111規(guī)定的溯源鏈上的工作級標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物(WRM)。

《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法》規(guī)定的一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的代號為GBW。ISO/TC193為建立天然氣分析溯源鏈而發(fā)布的ISO 14111與《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法》是互為補充的。《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)管理辦法》是用于中國所有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制與應(yīng)用，而ISO 14111是為建立天然氣分析溯源鏈奠定基礎(chǔ)。根據(jù)GB/T 20604的規(guī)定,在ISO 14111規(guī)定的溯源鏈上處于頂層位置的RGM稱為一級標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物,代號為PSM,見表2。

在ISO 14111規(guī)定的溯源鏈結(jié)構(gòu)中,其頂層是作為國家測量基準(zhǔn)的SI制單位質(zhì)量(kg),并以絕對方法(稱量法)制備基準(zhǔn)級(一級)RGM。NPL研制的基準(zhǔn)級RGM的不確定度為0.1%～0.4%,置信度95%;認證級RGM的不確定度也達到0.4%～1.0%。顯然,上述對RGM的命名及其相應(yīng)的不確定度與黃維和等人[3]論文中的數(shù)據(jù)大相徑庭。

表2 一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與一級標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物的區(qū)別表Tab.2 Comparison of GBW and PSM

3 溯源鏈不能任意構(gòu)建

筆者認為,黃維和等人[3]文章中圖1中提出的3條溯源鏈皆不能成立。直接法測定發(fā)熱量一般采用譜系學(xué)溯源方式,見表3[4];而以Cutier-Hammer(C-H)型熱量計為代表的連續(xù)記錄式熱量計是商用測量儀器,它們相互之間,以及它們與0級熱量計之間,皆不存在量傳/溯源關(guān)系。

表3 兩種不同類型的溯源方式表Tab.3 Comparison of two different types of trace methods

根據(jù)ISO 15971,直接法測定發(fā)熱量領(lǐng)域中不存在所謂的量傳/溯源鏈。1～3級連續(xù)記錄式熱量計都是以燃燒純甲烷方式進行校準(zhǔn),因而三者之間不可能存在量傳/溯源關(guān)系。

黃維和等人[3]文章中圖1左側(cè)鏈上所示的0級熱量計是發(fā)熱量測定的計量基準(zhǔn)(儀器),它是通過電學(xué)校準(zhǔn)方式向SI制單位溯源。商用連續(xù)記錄式熱量計是普通測量儀器,它們不可能向計量基準(zhǔn)溯源。

PTB發(fā)布的能量計量溯源(性)鏈見表4。0級熱量計的測定數(shù)據(jù)通過與制備的RGM比對而傳遞給PSM(定值),然后通過ISO 14111規(guī)定的RGM溯源鏈傳遞給用作現(xiàn)場分析氣相色譜儀日常例行校準(zhǔn)的WRM[5]。

20世紀90年代中期之后,C-H型熱量計幾乎全部被氣相色譜儀所取代。但全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會卻在2017年發(fā)布了GB/T 35211《天然氣發(fā)熱量的測量 連續(xù)燃燒法》。當(dāng)時韓國標(biāo)準(zhǔn)化研究院已經(jīng)成功開發(fā)了適合國情的、準(zhǔn)確度約為0.35%的0級熱量計作為內(nèi)部計量基準(zhǔn),并通過與進口RGM比對而為其定值,取得了國際仲裁中的話語權(quán)[6]。

表4 PTB發(fā)布的天然氣能量計量溯源鏈表Tab.4 Traceability chain of natural gas energy determination published by PTB

4 0級熱量計是基準(zhǔn)設(shè)備

從計量學(xué)角度分析,發(fā)熱量直接法測定與間接法測定存在本質(zhì)區(qū)別。熱量計法直接測定天然氣發(fā)熱量屬于物理化學(xué)計量范疇,采用譜系學(xué)法溯源;而氣相色譜分析法間接測定則屬于分析化學(xué)計量范疇,通常將測定結(jié)果的溯源還原為RGM的溯源(見表3)[7-10]。

4.1 法制計量的目的與功能

法制計量是指為了保證公眾安全、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展,根據(jù)法制、技術(shù)和行政管理的需要,由政府或官方授權(quán)進行強制管理的計量方式。根據(jù)我國計量法規(guī)的規(guī)定,目前天然氣體積計量已經(jīng)屬于法制計量范疇,因而在我國全面實施能量計量后,用于發(fā)熱量測定的熱量計法直接測定也必將列入法制計量的范疇。筆者認為,經(jīng)國家主管部門授權(quán),成為法定的天然氣發(fā)熱量計量監(jiān)測機構(gòu)至少應(yīng)具備4項功能:1)依據(jù)計量法規(guī)建立內(nèi)部最高等級的計量標(biāo)準(zhǔn)(參比標(biāo)準(zhǔn));2)通過對法定計量機構(gòu)或校準(zhǔn)實驗室所建適當(dāng)?shù)燃売嬃繕?biāo)準(zhǔn)的定期檢定或校準(zhǔn),溯源至國家計量基準(zhǔn)(上溯功能);3)獲得認可的內(nèi)部最高計量標(biāo)準(zhǔn),在需要時按國家量值傳遞要求實施向下傳遞,直至工作計量器具(下傳功能);4)當(dāng)已經(jīng)認可的機構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行測量時,只要可能,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)必須溯源至SI制測量單位或有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

上述4項功能中并不包括具體的測量不確定度要求。因為參比級(0級)熱量計是按用戶特定要求設(shè)計的,其不確定度要求取決于其功能。例如,歐洲氣體研究組織(GERG)在PTB建設(shè)了1套直接測量式基準(zhǔn)熱量計,測定純甲烷高位發(fā)熱量時的擴展不確定度可以達到優(yōu)于0.05%(k=2)的水平,建設(shè)目的是用以驗證ISO 6976《天然氣 發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》中給出的純甲烷高位發(fā)熱量數(shù)據(jù)的測量不確定度是否達到優(yōu)于0.1%(k=2)的水平。但如果驗證現(xiàn)場使用的是不確定度為0.25%(k=2)的在線測定熱量計,或?qū)Σ淮_定度為0.25%(k=2)的認證級RGM定值,其不確定度也可以放寬至0.15%～0.17%。

4.2 能量計量中發(fā)熱量的含義

根據(jù)天然氣供出能量計算公式,測定發(fā)熱量的分析測試系統(tǒng)(氣相色譜儀)的測量誤差及其不確定度與體積流量測定結(jié)果的不確定度同樣對能量計算結(jié)果有重大影響。根據(jù)氣相色譜法分析結(jié)果計算發(fā)熱量的間接法量值溯源的基本原理,是將測定結(jié)果的溯源還原為RGM的溯源。但間接法測定結(jié)果的溯源鏈最終只能溯源至室間循環(huán)比對試驗確定的公議值,未能實現(xiàn)溯源至SI制單位,故從計量角度而言存在缺陷。鑒此,20世紀80年代美國開始實施能量計量時就明確規(guī)定,能量計量過程所謂的發(fā)熱量是指單位天然氣在燃燒過程中實際釋放的能量,而不是天然氣中可燃組分在規(guī)定條件下計算出的能量。

ISO/TC193于2006年發(fā)布了ISO/TR 24094 技術(shù)報告。該技術(shù)報告不僅對通過室間循環(huán)比對試驗驗證多元RGM的方法和步驟作了詳盡規(guī)定,且其中提出的多元RGM確認方法成功地為確定多元RGM的標(biāo)準(zhǔn)值及其不確定度提供了實驗證據(jù),使多元RGM室間循環(huán)比對試驗定值法與計量學(xué)定值法相關(guān)聯(lián);確認了以稱量法制備的多元RGM可以與0級熱量計比對而溯源至SI制單位焦耳,奠定了為其定值的理論基礎(chǔ)。

4.3 法制計量與0級熱量計的關(guān)系

計量基準(zhǔn)是統(tǒng)一國家量值的最高依據(jù),也是與其它國家和地區(qū)保持計量結(jié)果等效性的接口。由于PSM存在計量學(xué)上的缺陷,故不能作為計量基準(zhǔn)。因此,在我國全面推廣實施能量計量后,0級熱量計是不可或缺的計量基準(zhǔn)。按目前發(fā)展情況看,由于沒有基準(zhǔn)測量儀器,在商品天然氣發(fā)熱量測定未能列入法制計量范圍之前,我國不太可能全面推廣能量計量。

5 結(jié)論

按國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14111的規(guī)定,目前已經(jīng)形成了1條全球公認的、由3個不同不確定度的RGM層級組成的天然氣組成分析溯源鏈;作為天然氣發(fā)熱量測定基準(zhǔn)裝置的0級熱量計的應(yīng)用也得到推廣。這些正是我國天然氣能量計量與國際接軌的技術(shù)進步方向。此外,在測量方法方面,GB/T 13610是否能取代ISO 6974系列標(biāo)準(zhǔn)尚需要進一步驗證;在測量結(jié)果的不確定度評定方面,GB/T 28766—2018《天然氣 分析系統(tǒng)性能評價》的宣貫尚需進一步落實;除ISO 14111外,ISO 15971、ISO/TR 24094等重要標(biāo)準(zhǔn)文件亟待轉(zhuǎn)化等等。故筆者認為當(dāng)前在我國全面推廣實施能量計量的條件尚未成熟。但為了應(yīng)對錯綜復(fù)雜的國際環(huán)境下可能出現(xiàn)的國際貿(mào)易糾紛,筆者建議:盡快落實進口RGM的溯源報告;與韓國標(biāo)準(zhǔn)化研究院的0級熱量計進行比對;爭取在盡可能短的時間完成準(zhǔn)確度優(yōu)于0.35%的0級熱量計的研制。