天然气流量标准装置量值比对实验研究

王 治，陈荟宇，李万俊

（1.西南油气田公司质安环处，四川 成都 610051；2.国家石油天然气大流量计量站成都分站，四川 成都 610213）

0 引 言

天然气作为一种优质的清洁能源，在我国的消费量快速增长。随着中俄、中缅管线的建成投运以及澳大利亚LNG的引入，在未来几年内我国将成为天然气进口大国，天然气贸易将向国际化发展。因此，开展天然气流量标准装置间的量值比对，提高天然气流量计量基准、标准的水平，确保量值的准确、可靠，尽快实现天然气流量校准数据的国际互认，促进我国天然气流量量值溯源体系与国际接轨，显得尤为重要。

气体流量标准装置间的量值比对起源于20世纪70年代的欧美工业发达国家，是随着国家天然气贸易的国际化发展而产生的。目前国际天然气流量标准装置间的比对在北美和欧洲国家开展比较频繁，其中以美国、加拿大、德国和荷兰为主要代表。美国科罗拉多工程实验站（CEESI）和西南研究院（SwRI）每年进行一次天然气流量量值间的比对，加拿大输送校准站（TCC）于2000年加入了北美区域比对。德国PTB-Pigsar和荷兰NMi是欧洲两个最大的气体流量技术研究机构，英国等欧洲国家的天然气工作标准都在这两个机构进行校准。自20世纪末以来，这两个实验室开始了量值比对，2000年两个实验室确定了量值的调整方法和参数，每半年开展一次比对。2004年法国通过与这两个实验室的比对，实现了欧洲主要国家天然气流量量值的统一[1]。

我国国内气体流量标准装置间也开展了一些比对工作。2002～2003年国家石油天然气大流量计量站与国家石油天然气大流量计量站成都分站和大庆石化总厂计量站进行了一次气体流量标准间的比对，测试介质分别为空气、空气、天然气；2007～2008年国家石油天然气大流量计量站成都分站、南京分站和重庆分站开展了一次以天然气为介质的比对。2010～2011年国家石油天然气大流量计量站成都分站以空气为介质，在西南油气田公司输气管理处、重庆气矿计量中心、大庆油田天然气分公司、华北油田、塔里木油田、长庆油田的计量检测中心分别开展了循环比对实验。通过开展国内天然气流量实验室间非官方的量值比对，积累了国内开展天然气量值比对的经验，为参加天然气流量计量的国际比对奠定了基础。

1 天然气流量量值比对的数据处理和判定方法

1.1 量值比对的数据处理方法

天然气流量量值比对的数据处理应该首先确定参考值，并根据参加实验室的测量结果与参考值之差是否在合理的预期内，将比对结果进行判定。目前国内外对参考值的计算通常是采用权威实验室的量值、算术平均法、加权平均法和中位值法4种方法[2]。

1.1.1 以权威实验室的量值作为参考值

参考值的来源可以是上一级计量标准的量值、具有不确定度优势实验室的量值、更高水平实验室的量值等。

1.1.2 参考值为各实验室测量结果的算术平均值

当参与参考值计算的各实验室量值的不确定度接近，或各实验室量值的测量不确定度可靠性不能被确认时，可采用算术平均法计算参考值。

1.1.3 参考值为各实验室测量结果的中位值

中位数是指将每个实验室测得的数据按大小顺序排列起来，形成一个数列，居于数列中间位置的那个数据。中位数用Me表示。当参比实验室数量足够多，且测量值相对分散时可以采用此方法。采用中位值法确定参考值能有效抑制离群结果对参考值的影响。

1.1.4 加权平均值

在国际关键比对实验中采用加权平均值作为被测量的最佳估计值，其权重与测量不确定度有关。但须基于各实验室在评定不确定度时所掌握的尺度完全相同。

1.2 量值比对结果判定方法

1.2.1 比对结果的直接判定法

若参比实验室的扩展不确定度分别为U1和U2，他们的测量结果分别为y1和y2，在两者的包含因子近似相等的前提下满足式（1），则比对结果可接受。

式中：y1——第一个实验室的测量结果；

y2——第二个实验室的测量结果；

U1——第一个实验室标准装置的扩展不确定度；

U2——第二个实验室标准装置的扩展不确定度；

Er——比对流量计的复现性。

1.2.2 参考值取算术平均值时的结果判定法

若被考核实验室的测量结果为ylab，其测量不确定度为Ulab，在被考核实验室测量结果的方差比较接近于各实验室的平均方差时，以各实验室的包含因子均相同的条件下，应满足式（2），则比对结果可接受。

式中：ylab——被考核实验室的测量结果；

Ulab——被考核实验室的测量不确定度。

1.2.3 加权平均值结果判定法

式中：xi——参比实验室的测量结果；

y——加权平均值；

ULAB——参比核实验室的扩展不确定度；

Uref——加权平均值的测量不确定度；

UMET——比对组件的复现性；

UMUT——参比核实验室的测量不确定度。

如果Eni≤1，则视为满意；表示该实验室测量结果与其他实验室测量结果的差异在其不确定度范围内。如果Eni＞1，则视为不满意；表示该实验室测量结果与其他实验室测量结果的差异超出其不确定度范围。

1.3 数据处理和结果判定的合理性

通过对以上比对结果取值方法和比对结果判定方法的分析，可以得到，比对结果的取值如果取实验室测量结果的平均值，存在较大偏离值时，则会引入较大的偏离；若各个实验室测量的结果差别不大，则比对结果的取值无论用取实验室测量结果的平均值还是用中位值法，得到的结果基本是一致的。

在国际比对中使用的方法，是通过对各个实验室测量结果加权而得到的，较其他方法更加科学和公正，但使用这种方法的前提是参加比对的每个实验室的不确定度评定所使用的方法以及考虑的不确定度影响因素应一致。

2 天然气流量标准装置开展实验室比对实验实例

为了考察中国天然气大流量计量实验室和欧洲权威实验室间天然气流量标准装置量值的差异，为中国实验室加入天然气流量国际关键比对打下基础，2013年开展了国家石油天然气大流量计量站成都分站与德国国家物理研究院（PTB）天然气流量校准实验室Pigsar间的天然气流量量值非官方的国际比对活动。比对实验流量布点以及数据处理和判定方法满足国际关键循环比对中的相关要求[3-5]。

2.1 比对组件及性能测试

本次量值比对采用DN100双涡轮流量计串联组件和DN200涡轮、超声串联组件作为量值比对实验用的传递标准件，分别在两个实验室进行了示值误差和重复性的性能测试，并开展了复现性和安装位置影响实验[6]。

2.1.1 欧洲实验室测试结果

DN100比对组件测试结果：在压力1.6 MPa下，最小流量65m3/h以上的流量点，编号10518818的涡轮流量计的相对示值误差和重复性分别为为-0.36%～-0.12%和0.02%，编号为622653的涡轮流量计的相对示值误差和重复性分别为0.02%～0.13%和0.01%。

DN200比对组件测试结果：在压力1.6 MPa下，最小流量160m3/h以上的流量点，编号为10518860的涡轮流量计的相对示值误差和重复性分别为-0.01%～0.09%和0.01%。

在压力1.6 MPa下，编号为6094的超声流量计在拐点流量300m3/h以上的流量点的相对示值误差和重复性分别为0.02%～0.46%和0.07%。

2.1.2 中国实验室测试结果

DN100比对组件测试结果：在压力1.6MPa下测试，最小流量65m3/h以上的流量点，编号为10518818的涡轮流量计的相对示值误差和重复性分别为-0.38%～-0.01%和0.04%，编号为622653的涡轮流量计的相对示值误差和重复性分别为-0.36%～-0.01%和0.04%。

DN200比对组件测试结果：在压力1.6MPa下测试，最小流量160m3/h以上的流量点，编号10518860涡轮流量计的最大相对示值误差和重复性分别为-0.23%～-0.04%和0.05%。

在压力1.6 MPa下测试，编号为6094的超声流量计在拐点流量300m3/h以上的流量点的最大相对示值误差和重复性分别为-0.24%～-0.01%和0.07%；在拐点流量以下，该流量计呈现示值误差非线性波动。

经测试，DN100和DN200比对组件选用的涡轮流量计均满足国际循环比对中涡轮标准表最大相对示值误差≤0.5%和重复性≤0.05%的要求，超声波流量计满足国际循环比对中超声标准表最大相对示值误差≤0.5%和重复性≤0.10%的要求；流量计的稳定性均满足JJF 1033-2008《计量标准考核规范》中的相关要求[7]。

2.2 比对结果判定方式

由于本次实验参加只有两个实验室，参考2002年北美天然气流量循环比对使用的比对差异判断方法，以及根据JJF 1033-2008《计量标准考核规范》中的传递比较法，经两个实验室讨论后确定，用式（1）作为比对结果判定方法。中国实验室和德国实验室的测量结果分别为y1和y2，若测试结果满足式（4），则比对结果可接受。

式中：y1——中国实验室的测量结果；

y2——德国实验室的测量结果；

U1——中国实验室的扩展不确定度；

U2——德国实验室的扩展不确定度；

Er——比对流量计的复现性。

2.3 量值比对实验

本次量值比对实验压力1.6MPa，介质为天然气，根据国际关键循环比对的标准组件性能测试的要求，共测10个流量点。

由于参加比对的中国实验室和德国实验室标准装置测量不确定度分别为0.25%、0.16%，比对组件复现性为0.05%，比对数据差异是否可以接受，根据式（4），计算如下：

式中：y1——中国实验室的测量结果；

y2——德国实验室的测量结果。

若两个实验室测试结果差值的绝对值小于0.30%，则比对结果的差异在差异允许范围内，比对结果视为满意，否则视为不满意[8-9]。

2.3.1 DN100比对组件差异判断

DN100比对组件差异判断统计结果见表1和表2。

DN100涡轮流量计（10518818）比对数据分析：

在65m3/h≤Q≤650m3/h流量范围内，中国实验室和德国实验室测试比对差异在可接受的范围；在25 m3/h≤Q≤40 m3/h的小流量范围内（最小流量以下），误差曲线出现非线性的状态，其中有30%的流量测试结果的差异超出了比对差异可接受的范围，有70%的流量测试结果的差异在比对差异可接受的范围。

表1 DN100组件测试比对差异统计分析表（P=1.6MPa）

表2 DN100组件测试比对差异统计分析表（P=1.6MPa）

DN100涡轮流量计（622653）比对数据分析：

在65m3/h≤Q≤650m3/h流量范围内，中国实验室和德国实验室测试比对差异在可接受的范围；在25 m3/h≤Q≤40 m3/h的小流量范围内（最小流量以下），误差曲线出现非线性的状态，其中有15%的流量测试结果的差异超出了比对差异可接受的范围，有85%的流量测试结果的差异在比对差异可接受的范围。

2.3.2 DN200比对组件差异判断

DN200比对组件差异判断统计结果见表3和表4。

表3 DN200比对组件测试比对差异统计分析表（P=1.6MPa）

表4 DN200比对组件测试比对差异统计分析表（P=1.6MPa）

DN200涡轮流量计（10518860）比对数据分析：

在65 m3/h≤Q≤1 905 m3/h流量范围内，DN200涡轮流量计中国实验室和德国实验室测试比对差异在可接受的范围。

DN200超声流量计（6094）比对数据分析：

在400m3/h≤Q≤1905m3/h流量范围内，DN200超声流量计中国实验室和德国实验室测试比对差异在可接受的范围（11月11日400m3/h流量点的差异绝对值出现了不可接受的数据，查找原因后发现，当时天然气组分发生了变化，其中己烷摩尔百分比波动达到80%）；在65m3/h≤Q≤255m3/h流量范围内，误差曲线出现非线性的状态，其中有60%的流量测试结果的差异超出了比对差异可接受的范围，有40%的流量测试结果的差异在比对差异可接受的范围，但该流量段已在超声流量计的拐点流量300m3/h以下。

2.4 比对结论

在压力1.6MPa下，参与此次比对的中国实验室的天然气流量次级标准装置的量值水平与欧洲参与实验室的量值水平的差异基本在允许偏差的范围内。比对组件在中国实验室的测试结果与欧洲实验室的数据偏差主要来源于系统误差，数据复现性较好。但在用临界流文丘里喷嘴校准时，严格控制相同流量下喷嘴组合的一致性，并且每个流量点取一组组分数据，尽量降低摩尔质量不确定度的影响。

3 结束语

通过开展量值比对，进行各国量值溯源链的横向比较，是减小标准装置不确定度的重要手段。2013年美国、丹麦、俄罗斯等9个国家参加了国际计量局组织的高压天然气国际关键循环比对，逐步实现各国量值水平的统一。随着我国天然气工业的迅猛发展，天然气贸易走向国际化，为保证贸易双方的公平、公正，国内的天然气流量实验室间开展正式的量值比对是发展的必然趋势。同时开展中国的天然气流量实验室与国外著名流量实验室间的量值比对，是逐步实现天然气流量计量量值水平与国外先进水平接轨，实现与国外实验室间的检测数据互认的必然趋势。

[1]任佳，何敏，刘春艳，等.天然气流量标准装置比对发展趋势[C]∥FLOWEKO大会论文集，2011.

[2]JJF 1117—2010计量比对[S].北京：中国质检出版社，2010.

[3]国明昌，杨博，杨蒙，等.质量－时间法高压天然气流量标准装置应用研究[C]∥北京：石油工业出版社，2012：3-9.

[4]JJF 1240—2010临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范[S].北京：中国质检出版社，2010.

[5]JJG 620—2008临界流文丘里喷嘴检定规程[S].北京：中国计量出版社，2008.

[6]GB/T 21391—2008用气体涡轮流量计测量天然气流量[S].北京：中国标准出版社，2008.

[7]JJF 1033—2008计量标准考核规范[S].北京：中国计量出版社，2008.

[8]李金海.误差理论与测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2007.

[9]吴石林，张玘.误差分析与数据处理[M].北京：清华大学出版社，2010.