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天然氣發(fā)熱量間接測量不確定度評估方法再探——參比條件下天然氣壓縮因子不確定度評估①

蔡 黎1,2秦 吉1,2李 克1,2唐 蒙1,2遲永杰1,2

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國石油集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制與能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要前期的研究表明,參比條件下壓縮因子不確定度是天然氣發(fā)熱量間接測量不確定度評估過程中引入的一個(gè)不確定度來源，并且其不確定度貢獻(xiàn)較大。同時(shí),參比條件下的壓縮因子不確定度在天然氣體積計(jì)量等過程中也有所使用。通過對參比條件下壓縮因子的計(jì)算過程進(jìn)行分析和推導(dǎo)，獲取了參比條件下壓縮因子不確定度評估公式，結(jié)合各類參考文獻(xiàn)，分別對各類不確定度來源做A類或B類評估，形成了一套用于參比條件下壓縮因子不確定度的評估方法。通過對天然氣組成不確定度變化對參比條件下壓縮因子不確定度的影響核算，發(fā)現(xiàn)天然氣組成不確定度的變化對參比條件下壓縮因子不確定度影響較小，超過20倍的組成不確定度變化僅引起壓縮因子不確定度數(shù)值上的變化。

關(guān)鍵詞天然氣發(fā)熱量間接測量參比條件下壓縮因子求和因子不確定度評估

Further discussion on uncertainty evaluation of indirect measurement

of natural gas calorific value: uncertainty evaluation of compression

天然氣發(fā)熱量是天然氣的主要使用性能[1]?，F(xiàn)階段，天然氣發(fā)熱量主要采用氣相色譜法進(jìn)行組成分析，而后使用組成進(jìn)行計(jì)算的間接測量方法。目前，我國天然氣貿(mào)易計(jì)量正處于由體積計(jì)量方式向能量計(jì)量方式轉(zhuǎn)變的過程中，在使用能量計(jì)量后，天然氣的發(fā)熱量將作為計(jì)量交接的重要量值?，F(xiàn)代計(jì)量學(xué)對于量值的要求除了要給出其值以外，還需要給出值的不確定度。不確定度是衡量一個(gè)量值準(zhǔn)確度的重要指標(biāo)。對于發(fā)熱量間接測量方法來說，其不確定度的評估方法已有論述[2]。

發(fā)熱量間接測量不確定度的評估方法分為幾步，第一步使用分析儀器獲取天然氣組成，在此過程中，通過計(jì)量學(xué)方法獲取組成的不確定度;第二步使用組成的不確定度按照不確定度傳導(dǎo)率計(jì)算天然氣的理想氣體發(fā)熱量;最后使用理想氣體發(fā)熱量和參比條件下壓縮因子計(jì)算真實(shí)氣體發(fā)熱量,對此步的不確定度評估，可見前文描述[2]。

在進(jìn)行參比條件下壓縮因子不確定度的評估過程中，將參比條件下壓縮因子的波動(dòng)作為壓縮因子的分布范圍而進(jìn)行不確定度B類評定。這樣的不確定度評定方法在短期可以解決發(fā)熱量不確定度評估方法缺失的問題，但在氣質(zhì)變化較為劇烈的情況下，可能對壓縮因子分布范圍評估不夠而導(dǎo)致最終不確定度合成結(jié)果存在偏離。ISO/CD 6976:2013《使用組成計(jì)算天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的方法》對不確定度的評定也進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明[3]，并通過純數(shù)學(xué)推理，直接得出天然氣體積發(fā)熱量的不確定度評定公式，公式較為復(fù)雜，評定公式中涉及不同組分的較多參數(shù)，并未單獨(dú)針對壓縮因子的不確定度進(jìn)行評價(jià)公式推導(dǎo)。本文旨在以參比條件下壓縮因子計(jì)算公式和不確定度傳導(dǎo)率為基礎(chǔ)[4-5]，推導(dǎo)尋找一種易于實(shí)施的壓縮因子不確定度評定方法。

1方法推導(dǎo)

我國的天然氣發(fā)熱量計(jì)算均采用GB/T 11062-2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》[4-5]，其中氣體壓縮因子的計(jì)算方法如下：

(1)

由式(1)可見，壓縮因子的計(jì)算僅與氣體組成和組分的求和因子有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，可使用不確定度傳導(dǎo)率進(jìn)行參比條件下壓縮因子不確定度的評估。

評估的過程中，使用JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定的不確定度傳播律進(jìn)行[5]。從式(1)中可以看到，計(jì)算數(shù)據(jù)僅有組成和求和因子，將各量值作為不相關(guān)處理，不確定度傳播律公式可簡化為式(2)。

(2)

式中:y為因變量；x為計(jì)算過程中的各個(gè)自變量。

結(jié)合式(1)和式(2)，式(1)中的自變量僅有各組分的濃度和各組分的求和因子。需要計(jì)算的只有壓縮因子對組成濃度和壓縮因子對求和因子的靈敏因子。

由于組分濃度和求和因子在式(1)中可以互換，實(shí)際上，壓縮因子對兩者的靈敏因子是類似的，壓縮因子對組分濃度的靈敏因子為：

(3)

按此靈敏因子進(jìn)行計(jì)算，以雙組分(組分1、組分2)為例，壓縮因子不確定度評估公式展開式為：

(4)

若組分更多，將式(4)繼續(xù)擴(kuò)展，即可獲得天然氣參比條件下壓縮因子不確定度的評估公式。

2變量確定

從式(4)中可以看到，進(jìn)行參比條件下壓縮因子不確定度評估時(shí)，需要引入計(jì)算的量包括各組分濃度及其不確定度、各組分求和因子及其不確定度。各組分濃度的不確定度在進(jìn)行天然氣組成分析的過程獲取，本文不再贅述。而求和因子在GB/T 11062-2014中只給出其值而無相應(yīng)的不確定度。但在ISO/CD 6976:2013中，不僅給出了不同參比條件下求和因子的值，還給出了其不確定度，見表1。以下僅列出討論所需的烴類組分求和因子及其不確定度。

表1 ISO/CD6976:2013壓縮因子求和因子表(部分)Table1 SummationfactorfromISO/CD6976(partly)序號組分不同參比溫度下的求和因子0℃15℃15.55℃(60℉)20℃u1甲烷0.048860.044530.044380.043190.00052乙烷0.09940.09160.09130.08920.00113丙烷0.14600.13420.13380.13060.00164正丁烷0.19810.18130.18070.17620.00395異丁烷0.18580.17030.16980.16560.00316正戊烷0.25450.23180.23100.22500.01077異戊烷0.24030.22000.21930.21390.00888新戊烷0.21670.19850.19790.19310.00609正己烷0.34180.30490.30370.29410.027110氮?dú)?.02150.01720.01710.01580.001011二氧化碳0.08210.07510.07490.07300.0020

3模擬計(jì)算

在前文中已使用假定不確定度1和假定不確定度2進(jìn)行了發(fā)熱量間接測量不確定度的評定[2]。本文采用同樣的組成和不確定度進(jìn)行參比條件下壓縮因子的不確定度評估。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 天然氣組成及不確定度數(shù)據(jù)(%)Table2 Compositionanduncertaintyofsimulativenaturalgas組分摩爾分?jǐn)?shù)不確定度1不確定度2相對不確定度urelx絕對不確定度ux相對不確定度urelx絕對不確定度uxN26.7030.0950.006420.1341CH493.2970.0130.01210.9330

我國天然氣的參比條件使用GB/T 19205-2008《天然氣參比條件》，使用的參比溫度為20 °C。按照此數(shù)據(jù)，對模擬天然氣的組成進(jìn)行壓縮因子的計(jì)算，其參比條件下壓縮因子為0.998 25。而由模擬不確定度1進(jìn)行壓縮因子不確定度合成，根據(jù)式(4)，其不確定度uc(Z)=3.9×10-5，最終相對不確定度urel=(3.9×10-5)/0.998 25×100%=0.004%。

同樣條件下，天然氣組成的不確定度為模擬不確定度2時(shí)，天然氣壓縮因子的不確定度uc(Z)=5.1×10-5，最終相對不確定度urel=(5.1×10-5)/0.998 25×100%=0.005%。而在20 ℃，101.325 kPa參比條件下，ISO/CD 6976:2013給出的空氣的壓縮因子Zair(20 ℃, 101.325 kPa) = 0.999 645 ± 0.000 015，其相對不確定度為0.001 5%，較評估獲得的天然氣參比條件下壓縮因子不確定度更低，但兩者基本處于同一數(shù)量級。

4結(jié)論與建議

(1) 天然氣參比條件下壓縮因子在發(fā)熱量間接測量和計(jì)量中均十分重要。其不確定度的評估關(guān)系到發(fā)熱量量值不確定度和天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量。

(2) 使用不確定度傳導(dǎo)率和壓縮因子的計(jì)算公式可推導(dǎo)出參比條件下壓縮因子的不確定度評估公式，結(jié)合各類文獻(xiàn)中已發(fā)布的參考值，參比條件下壓縮因子的不確定度評估已能實(shí)現(xiàn)。

(3) 參比條件壓縮因子的不確定度隨組成不確定度變化影響不大，在本文探討的雙組分體系中為十萬分級，與空氣參比條件下壓縮因子不確定度為同一級別。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李克, 潘春鋒, 張宇， 等. 天然氣發(fā)熱量直接測量及賦值技術(shù) [J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42 (3) : 297-301.

[2] 蔡黎, 唐蒙, 遲永杰. 天然氣發(fā)熱量間接測定不確定度評估方法初探 [J]. 石油與天然氣化工, 2015, 44 (2) : 101-104.

[3] 2013 Natural gas-Calculation of calorific values, density, relative density and Wobbe index from composition：ISO/CD 6976 [S]. 2013.

[4] 中國石油天然氣總公司. 天然氣發(fā)熱量、 密度、 相對密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法： GB/T 11062-2014[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2014.

[5] 全國法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì). 測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1-2012[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2013.

factor under reference condition

Cai Li1,2, Qin Ji1,2, Li Ke1,2, Tang Meng1,2, Chi Yongjie1,2

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,

Chengdu610213,China; 2.KeyLaboratoryofNaturalGasQualityandEnergyMeasurement,

CNPC,Chengdu610213,China)

Abstract:The uncertainty of compression factor on reference condition is a big source to the uncertainty evaluation of indirect calorific value measurement according to the earlier study, it contributes a lot to the uncertainty of calorific value. On the other hand, the uncertainty of compression factor on reference condition is also applied in the volumetric measurement of natural gas. The calculation formula of natural gas is analyzed and derived in order to get the evaluation formula of compression factor. With the help of reference article, the uncertainty source is evaluated as type A or type B uncertainty. These two steps make a whole procedure to the uncertainty evaluation of compression factor on reference condition. The influence of different uncertainty of composition on the uncertainty of compression factor is tested by simulative calculation. With difference orders of magnitude composition uncertainty, compression factor uncertainty comes out to be quantitative.

Key words:calorific value of natural gas, indirect measurement, compression factor under reference condition, summation factor, uncertainty evaluation

收稿日期：2015-06-10；修改日期：2015-10-29；編輯：鐘國利

中圖分類號：TE642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.018

作者簡介：①蔡黎(1983-)，男，重慶巴南人，博士，四川大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)就職于中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田公司天然氣研究院，主要從事天然氣分析用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和非常規(guī)天然氣氣質(zhì)方面的研究。E-mail:cai_li@petrochina.com.cn