天然气能量计量分析系统性能评价方法及软件_林敏.pdf

第 32 卷，第3 期2023 年3 月化学分析计量CHEMICAL ANALYSIS AND METERAGEVol.32,No.3Mar.2023天然气能量计量分析系统性能评价方法及软件林敏（中国石油化工股份有限公司天然气榆济管道分公司，济南250101）摘要天然气能量计量以天然气单位发热量和体积量（或质量）相乘得到的能量值作为计量单位，是科学、公平、合理的计量方式。开展天然气分析系统现场性能评价，掌握仪器的运行状况，是实施能量计量的前提。为提高计量场站设备评价效率及数字化管理水平，根据GB/T 287662018 天然气分析系统性能评价 规定的气相色谱仪性能评价的方法，同时参考JJF 1059.22012及ISO 10723：2012，编制天然气性能评价软件，并投入实际应用，结果显示，两个计量场站的体积计量不确定度超出国家标准要求，一台气相色谱仪的现行函数检测组成计算高位体积发热量与真实值的偏差较大。通过现场应用发现，使用评价软件可以节省评价时间，提高评价结果的准确性，保证评价数据的完整性，为能量计量的实施提供数据保障。关键词天然气；数字化；能量计量；性能评价；软件中图分类号：O652.9 文献标识码：A 文章编号：1008-6145(2023)03-0084-06Performance evaluation method and deviation analysis of natural gas energy metering and analysis systemLIN Min(Natural Gas Yuji Pipeline Branch Natural Gas Test Center of China Petroleum&Chemical Co.,Ltd.,Jinan250101,China)Abstract Energy metering was scientific,fair and reasonable measurement method based on the energy value obtained by multiplying the heat generated by natural gas units and volume(or mass)as the unit of measurement.Under the condition that energy metering was about to be implemented,it was necessary to carry out on-site performance evaluation of natural gas analysis systems and grasp the operation status of the instrument.In order to improve the evaluation efficiency and digital management level of metering station equipment,according to GB/T 287662018 Performance Evaluation of Natural Gas Analysis System,the performance evaluation method of gas chromatography was provided,also refer to JJF 1059.22012 and ISO 10723:2012,the natural gas performance evaluation software was compiled and applied,and the results showed that the volume measurement uncertainty of the two metering stations exceeded the national standard requirements,and the deviation of current function detection composition of a gas chromatograph calculated between the high volume calorific value and the true value is large.Through on-site application,it was found that the use of evaluation software colud save evaluation time,improve the accuracy of evaluation results,ensure the integrity of evaluation data,and provide data guarantee for the implementation of energy metering.Keywords natural gas;digitization;energy meteringgas;performance evaluation;software研究表明，能量计量将成为天然气主要的计量方式12。天然气能量计量是在体积计量的基础上，将测量的体积与单位体积热值的乘积计算流经管道的天然气发热量。单位体积发热量3是利用组分分析仪器获得天然气目标组分含量，根据天然气组成代入公式间接计算得到。由于组分分析设备只能分析检测已知组分的含量，而实际天然气的组成成分比较复杂，对于单位发热量精度要求较高的系统，需要利用高精度直接测量设备对单位体积发热量进行测量。在以体积计量、计价和结算的情况下，天然气组成误差对标况压缩因子的影响可以忽略不计，大部doi:10.3969/j.issn.1008-6145.2023.03.018通信作者林敏，硕士，高级工程师，从事天然气计量检测工作收稿日期20230213引用格式林敏.天然气能量计量分析系统性能评价方法及软件 J.化学分析计量，2023，32（3）：84.LIN Min.Performance evaluation method and deviation analysis of natural gas energy metering and analysis systemJ.Chemical Analysis and Meterage,2023,32(3):84.84林敏：天然气能量计量分析系统性能评价方法及软件分情况下对工况压缩因子影响也不显著。以实际经验来看，部分天然气计量场站安装的分析设备未得到妥善管理4，其中一些气相色谱仪处于非正常工作状态，不能达到能量计量的实施要求，这对分析系统的性能评价提出更高要求。如果采用人工的方式进行性能评价，耗时耗力，不能保证评价的效率及可靠性，而使用性能评价软件可以直接读取数据采集系统采集的数据，快速准确的开展分析系统性能评价，并将评价结果直接存入数据库，从而可以避免人为因素造成的偏差，提高评价效率和企业数字化管理水平，保证能量计量的准确性。因此，为了保证计量场站的测控精度，在天然气能量计量实施前，编制与数据采集系统、运行管理数据库相连接的性能评价软件对分析系统进行性能评价，掌握仪器的真实运行状态，是非常必要的。1性能评价方法和过程天然气分析系统性能评价的目的是以多点校正得到的系统真实分析函数和校准函数，计算得到真实的天然气组成数据。使用特定组成的校准气评价组成分析仪器的性能，当使用组分分析仪器(一般为气相色谱仪)分析含量范围已知的组分时，通过仪器评价能够获取各组分与性质的误差及不确定度；当各组分的误差及不确定度已知时，通过仪器评价可以获取组成分析仪器对各个组分的测量范围。评价一台组成分析仪器的误差和不确定度需要测定无限多种成分的标准气混合物，这是十分困难的。因此，GB/T 287662018 天然气分析系统性能评价5中规定通过测量少量专门设计的标准混合物，根据设定的含量范围确定各组分响应函数。利用函数回归方法处理实验获得的数据，确定天然气中某一确定组分的响应函数及校准函数，并根据蒙特-卡洛方法对仪器的测量偏差进行评价，给出仪器是否能够正常工作的判断依据。1.1评价步骤分析系统的性能评价按照以下步骤(如图1所示)进行：(1)调研气相色谱仪测量的组分及历史检测数据中各组分的测量范围，根据组成变化和未来可能加入的气源综合考虑，确定仪器的测量范围；(2)根据调研结果确定仪器评价所需要的标准气体种类及组分含量，并对测量范围进行适当的拓宽；(3)使用氦气进行空白试验，记录分析结果谱图及各组分峰面积；(4)根据GB/T 136102020 天然气的组成分析气相色谱法6中的规定，分别使用标准气体及待测气体进行实验，并记录分析结果谱图及各组分峰面积；(5)根据标准气的组成和测试结果计算分析函数和校准函数；(6)根据测量范围，使用蒙特-卡洛算法，随机生成一万组以上可以覆盖仪器各个组分全部检测范围的假设组成，将假设组成代入评价函数、系统假设函数、排除空白试验残留峰影响的函数，计算几种情况下的组分含量和物性参数，分析比较计算结果；(7)根据评价结果编写仪器评价报告及处理建议。对于初次评价的气相色谱仪，需要在测量范围内取7个浓度点配制标准气体，若非首次评价，则需要根据历史评价结果中响应函数的阶数来确定所取浓度点的数量，其中，一阶响应函数选取3个浓度点制备标准气体；二阶选取5个浓度点；三阶选取7个浓度点。1.2函数回归在分析系统评价过程中，最重要的是气相色谱仪的性能评价。目前，针对气相色谱仪有两种校准检测方法，即单点校正法和多点校正法。如前所述，在实际测量过程中，组分浓度与仪器响应值通常为曲线，单点校准拟合效果不佳，在这种情况下一般使用多点校准，即通过不同浓度点的多瓶标准气对响调研历史数据确定标准气组成含量范围使用氮气进行空白实验使用标准气进行实验使用测试气进行实验计算分析函数、校准函数计算仪器不确定度、偏差仪器评价报告及处理建议图1分析系统性能评价流程图85化学分析计量2023 年，第 32卷，第 3 期应函数曲线进行拟合。相比于单点校正法，多点校正法精度更高，但操作过程及数据计算处理复杂，常通过广义最小二乘法，对现场获得的数据进行回归计算，得到校准函数和分析函数。广义最小二乘法(GLS)714具有线性、无偏性、最小方差性等优点，且考虑了去除异方差的问题，因此回归计算精度较高15。图2为根据GLS法所编制的响应函数计算软件计算得到的某一组成中乙烷分析函数及校准函数参数。1.3蒙特-卡洛法偏差分析法在获得组成分析仪器的分析函数和校准函数后，便可以使用蒙特-卡洛方法1617进行仪器偏差分析。JJF 1059.22012 用蒙特卡洛法评定测量不确定度18中对蒙特-卡洛方法的输入、传播、输出及结果报告等步骤做了详细规定。蒙特-卡洛方法在天然气分析仪器偏差中的应用过程如下：(1)确定计量场站输气的气质组成及各组分含量变化范围；(2)根据广义最小二乘法获得计算模型；(3)设置试验样本的数量，假设样本组成；(4)分别将每组样本的各组分摩尔百分含量代入计算模型，计算相应的响应值；(5)将得到的平均响应值代入到分析函数，可以得到所测量天然气的真实组成。在上述偏差分析过程中，因为蒙特-卡洛方法的可信程度随概率密度函数的抽样数量的增加而增加，所以需要在仪器组分测量范围内使用尽量多的样 本，而 这 在 现 实 中 是 很 难 实 现 的1920。ISO 10723：201221用蒙特-卡洛方法设计了10 000个假设组成的样本来测量确定校准气中各组分的响应函数。JJF 1059.22012中提到蒙特-卡洛方法的样本量与被测量的包含概率有关，通常样本量应不小于1/(1-P)104倍，其中P为在给定区间内某一数值出现的概率。若选择的数据不够，可以使用自适应蒙特-卡洛方法，在实验过程中逐渐增加样本数，提高数据的可信程度。在对样本组成进行假设时，需要对分析仪器历史数据进行调研，获得天然气场站气体组成变化范围并对其进行拓展。2评价软件的编制与功能为对在线色谱仪的性能进行准确、高效评价，根据GB/T 351862017 天然气计量系统性能评价、GB/T 287662018 天然气分析系统性能评价 和GB/T 110622020 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法 中描述的评价方法，采用VB.net编程语言编写了性能评价软件 天然气能量计量系统性能评价(NGMSEval)，其不确定度评价结果可与GB/T 18603 天然气计量系统技术要求、天然气能量计量标准、规范结合，进而判断能量计量系统的检测偏差、不确定度等性能是否能够满足天然气能量计量要求。天然气性能评价软件主界面包括设备信息管理模块、流量计量系统评价模块、色谱仪设置模块、标准气模块、标准气测试结果模块、色谱仪分析函数与校准函数模块、空白试验结果评价模块、不同函数组成检测和物性参数计算模块、天然气物性参数计算模块、软件简单介绍模块、退出模块，功能结构见图3，操作流程如下：(1)设备信息管理。录入需要进行评价的色谱仪的设备信息，包括设备名称、类别、管理部门、所属计量站等信息，方便记录、检索设备历史评价数据；(2)流量计量系统不确定度计算。录入气量、压力、温度、设备校准准确度等级(不确定度水平)等计量信息，计算工况流量、标况流量的不确定度；(3)色谱仪评价设置。主要是评价日期、各组分的上下限以及对系统最大允许误差和最大允许偏差；(4)标准气体信息录入。按照 GB/T 287662018中的要求进行制备标准气体，录入标准气体的组成及其相对扩展不确定度；(5)标准气体测试。录入标准气体测试结果；(6)计算校准函数及分析函数；(7)空白试验结果评价。输入仪器空白试验结果及所配日常用校准气体的组成含量、各组成相对图2乙烷分析函数和校准函数参数计算结果86林敏：天然气能量计量分析系统性能评价方法及软件扩展不确定度及典型的峰面积测量结果，用于空白试验的影响程度分析；(8)不同函数组成检测和物性参数计算。可以计算出假设组成、性能评价函数、仪器现行函数、仪器现行函数扣除空白试验残留峰影响后的组成检测结果，以及相应的高位体积发热量等物性参数；(9)天然气物性参数计算。使用上述软件，可以完成设备信息管理、计量系统不确定度评价、分析系统性能评价、天然气物性参数计算等功能，并将计算得到的物性参数、不确定度结果存入数据库统一管理，方便后期查询。3评价软件现场应用选定三个计量场站，根据计量场站的历史气质数据，确定性能评价使用的标准气气质组成范围，购置标准气体进行测试，录入相关信息，使用天然气能量计量系统评价软件，对三个计量场站的色谱仪进行性能评价，计算得到流量计量系统不确定度、色谱仪分析函数和校准函数及天然气高位发热量。3.1流量计量系统不确定度根据标准规定及软件操作流程，在进行分析系统性能评价的同时，需要对流量计量系统的不确定度进行评价，以计量场站为例，表为评价软件中输入的数据，对3个计量场站的计量系统输入数据进行计算后，最终结果见表。从计算结果可以看出，计量场站、的体积计量不确定度偏高，不能满足GB/T 18603对A级计量场站体积计量最大允许偏差的要求。因此需要对流量计、温度传感器、压力传感器、流量计算机等设备进行检查。3.2分析函数与校准函数计算在设置好评价日期、各组分的上下限以及对系统最大允许误差和最大允许偏差及录入标准气测试结果后，对色谱仪的校准函数、分析函数进行计算。根据评价软件计算出来的分析函数及校准函数，按照标准规定，选择拟合度系数小于2 或最简单的函数作为分析系统的真实分析函数、校准函数。场站色谱仪筛选后的分析函数校准函数如表3、表4。3.3高位体积发热量评价以蒙特-卡洛方法确定系统的分析偏差，根据设备历史运行数据确定评价组成范围，并假设一万组随机天然气分布组成，根据性能评价软件计算得到的校准函数、分析函数计算天然气组成及物性参数值，与通过假设组成直接计算得到的真实值进行比较。同时给出色谱仪使用现行函数计算物性参数、扣除空白试验残留峰面积之后得到的高位体积发热量现行值，并与真实值进行比较。3个计量场站色谱仪高位体积发热量和相对偏差结果见表5。计量场站使用现行函数计算高位体积发热量的偏差随着发热量的真实值的增大而减小，总体数值偏大，但现行函数计算发热量与真实值相比平均偏差为0.21%，在GB/T 18603规定的最大允许误差范围内，可以正常使用；计量场站现行函数在样气发热量较高的情况下，偏差增大，且现行函数组成计算发热量与真实值相比平均偏差为0.57%，最大偏天然气能量计量性能评价设备信息管理气物性参88数计算计量系统不确定度评价分析系统性能评价输入设备检测样气组成范围输入日常用标准气检测数据输入评价用标准气数据输入标准气测试结果计算仪器响应函数图3天然气能量计量性能评价软件功能结构图表1场站流量计量系统不确定度输入数据项目月总用气量/m3输气压力下限/MPa输气压力上限/MPa输气温度下限/输气温度上限/流量计相对扩展不确定度/%标准装置相对扩展不确定度/%分界点以上流量点最大重复性/%温度变送器不确定度/压力变送器量程上限/MPa压力不确定度等级数值0.057 797 391.933.363.117.5210.33（k=2）0.020.011100.2表2流量计量系统不确定度计算结果计量站编号温度扩展不确定度/0.0010.150.22相对扩展不确定度/%压力0.761.130.39工况压缩因子0.10.10.1标况压缩因子0.050.050.05工况体系流量0.330.130.18标况流量相对扩展不确定度（k=2）0.941.320.5087化学分析计量2023 年，第 32卷，第 3 期差为5.63%，超出标准要求，因此需对仪器进行调整；计量场站使用现行函数计算高位体积发热量的偏差随着真实值的增大而减小，现行函数计算发热量与真实值相比平均偏差为0.31%，负荷标准要求，可以正常使用。4结论开发软件并利用软件对3个计量场站的设备进行了天然气能量计量性能评价，得到以下结论。(1)现有计量场站中，由于气体品质变化或设备自身原因，部分设备的现行计量模式的结果与真实值的偏差较大，不能完全满足能量计量实施要求。(2)3个计量场站性能评价结果表明，、两计量场站的体积计量不确定度超出国家标准规定，需要对这两个场站的温度传感器、压力传感器等计量设备进行检修；计量场站气相色谱仪使用现行函数计算得到的高位体积发热量与真实值的平均偏差大于国家标准要求，需要对色谱仪进行维护。(3)使用天然气能量计量分析系统性能评价软件，可以根据采集系统采集的数据快速准确地对所选场站开展分析系统性能评价，并将评价结果存入数据库，避免人为因素造成的偏差，提高评价效率和企业数字化管理水平，保证能量计量的准确性。参 考 文 献1 常宏岗，段继芹.中国天然气计量技术及展望 J.天然气工业，2020，40（1）：110.2 黄维和，段继芹，常宏岗，等.中国天然气能量计量体系建设探讨J.天然气工业，2021，41（8）：186.3 卫杰，李宁.天然气的计量方法与发展 J.煤炭与化工，2020，43（4）：143.4 彭颜.组成分析对混输天然气的能量计量影响探讨 J.中国检验检测，2021，29（5）：29.5 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.天然气分析系统表3计量场站色谱仪经确认的分析函数项目N2一次多项式CO2一次多项式C1一次多项式C2二次多项式C3一次多项式iC4一次多项式nC4一次多项式iC5一次多项式nC5一次多项式C6+一次多项式1.6961.0450.0661.3850.8000.6720.6740.6220.5520.605b09.1481045.991104-2.9211015.4591041.1501033.4221041.7811046.9091056.4871059.790105b11.77410101.47410102.93510101.55310109.18410119.23110118.85910118.32310118.20110116.8661011b2-5.3181020b3表4计量场站色谱仪经确认的校准函数项目N2三次多项式CO2 三次多项式C1 二次多项式C2 三次多项式C3 三次多项式iC4 三次多项式nC4 三次多项式iC5 三次多项式nC5 一次多项式C6+三次多项式4.47611.3051.71615.64718.84912.1585.3821.9831.54611.019a0-5.442106-5.4661061.9851010-1.322107-6.669106-2.347106-1.203106-5.0011051.406105-7.516105a18.3331091.0231010-3.68710101.16510101.52410101.64310101.67810101.71710101.14410102.0111010a2-2.6221011-5.17710112.1441010-2.0471011-5.6781011-1.7581012-3.4601012-6.6071012-6.2191012a35.71610121.81410132.25210121.24910131.17710144.61810141.78810151.4311015表53个计量场站色谱仪单位发热量相对偏差计量场站编号项目最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值真实值/（MJm-3）38.7538.6638.7038.7538.6638.7038.7538.6638.70评价值/（MJm-3）38.8138.4738.7339.4338.3938.7838.8038.4738.70相对偏差（评价值-真实值）/%0.27-0.480.071.78-0.780.190.15-0.490.00现行函数/（MJm-3）38.8638.6638.7840.9338.4438.9238.9038.6938.82相对偏差（现行值-真实值）/%0.44-0.080.215.63-0.710.570.550.010.3188林敏：天然气能量计量分析系统性能评价方法及软件性能评价：GB/T 287662018 S.北京：中国标准出版社，2018.6 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.天然气的组成分析气相色谱法：GB/T 136102020 S.北京：中国标准出版社，2020.7 Gas analysisComparison methods for determining and checking the composition of calibration gas mixtures：ISO 6143：2001 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