摘 要：天然氣貿(mào)易過程中的質(zhì)量和計量越來越受到政府和社會各界的高度關(guān)注，合格的質(zhì)量、準(zhǔn)確的計量直接關(guān)系到國家、企業(yè)及消費(fèi)者利益。為此，從分析ISO13686《天然氣質(zhì)量指標(biāo)》和0IML／Rl40《氣體燃料計量系統(tǒng)》入手，提煉出天然氣質(zhì)量和計量的核心要求及主體技術(shù)。同時介紹了GB l7820《天然氣》和GB／T l8603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》這兩個核心標(biāo)準(zhǔn)，以及配套的測試技術(shù)與方法等；指出了新形勢下我國在量傳溯源體系、分析測試技術(shù)、流量量值比對、流量檢測等所面臨的挑戰(zhàn)；并就推動實施天然氣能量計量、積極推進(jìn)參加國際能力驗證和國際關(guān)鍵循環(huán)比對、提高我國裝備自主化水平、進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)體系、主導(dǎo)制訂和修訂國際標(biāo)準(zhǔn)、完善測量技術(shù)等進(jìn)行了展望。通過對天然氣質(zhì)量控制和計量技術(shù)的科技攻關(guān)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化跟蹤、研究和制修訂等，保證了我國天然氣貿(mào)易計量的準(zhǔn)確可靠和公平公正，并為我國計量方式由體積計量向能量計量發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：中國 天然氣 質(zhì)量 計量 測量 技術(shù) 現(xiàn)狀 體積計量 能量計量
Status and prospect of natural gas quality and metering measurement technologies in China
Abstract：Quality and measurement during natural gas trade have already aroused government and public concern in China because acceptable quality and accurate metering is directly related to the profits of a country，an enterprise，and a consumer．Therefore，by analyzing ISO13686 Natural Gas Quality Designation and OIMl，／Rl40 Gas Fuels Metering System，we extracted the core requirements and main technologies for natural gas quality and metering．Also，we introduced regularly used gas measuring technologies and methodologies as well as the two main important standards in China：GB l7820 Natural Gas and GB／T l8603 Technical Requirements for Natural Gas Metering System．Then，we pointed out that many challenges still exist in the traceability and transferring chain,analysis and measurement techniques，flow volume comparison，flow detection，and so on，and presented the following proposals for enhancing the natural gas quality and metering to a high level such as implementing natural gas energy nleasurenlent，enhancing the international capacity identifying and key round comparisons，increasing the automation level of the employed apparatus and instruments，perfecting the standard system，leading drafting and revising international standards，and improving the analysis and measurement techniques．We should focus on tackling those bottlenecking problems in natural gas quality control and metering technologies and keeping on tracking，studying，formulating and revising the related standards in order to ensure the justice and reliability in natural gas trade in China and provide a robust technical support for China to transfer from volume metering to energy measuring．
Keywords：China，natural gas，quality，meterin9，measurement，technology，status quo，volume metering，energy measuring
伴隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，我國政府及石油天然氣企業(yè)緊緊圍繞天然氣質(zhì)量控制和計量技術(shù)開展科技攻關(guān)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化跟蹤、研究和制修訂，保證了我國天然氣貿(mào)易計量的準(zhǔn)確可靠和公平公正，為我國計量方式由體積計量向能量計量發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。
1 質(zhì)量與計量是天然氣工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)
2010年全球一次能源消費(fèi)總量為l20×108t油當(dāng)量，天然氣占23.8％，預(yù)計到2030年以前，天然氣消費(fèi)量將以年均1.7％的速度增長。到2050年，天然氣將與石油持平成為第一能源，成為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的第一選擇。
進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對天然氣的需求量不斷增加，天然氣產(chǎn)量快速攀升，進(jìn)口量逐年遞增，消費(fèi)量持續(xù)增長。在此形勢下，天然氣貿(mào)易過程中的質(zhì)量和計量越來越受到政府和社會各界的關(guān)注，提出廠“科學(xué)、公正、準(zhǔn)確、高效”的基本要求。合格的質(zhì)量、準(zhǔn)確的計量直接關(guān)系到國家、企業(yè)及消費(fèi)者利益。為消費(fèi)者提供安全、經(jīng)濟(jì)、滿足期望的高品質(zhì)天然氣，保證公平交易，是生產(chǎn)和供應(yīng)商的首要任務(wù)。
2 天然氣質(zhì)量與計量主體技術(shù)架構(gòu)
2．1 質(zhì)量要求和主體技術(shù)
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1998年發(fā)布ISO13686《天然氣質(zhì)量指標(biāo)》，成為全世界天然氣質(zhì)量控制的指導(dǎo)性準(zhǔn)則和各國之間簽訂天然氣貿(mào)易合同的指南。該國際標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了天然氣質(zhì)量必須滿足安全衛(wèi)牛、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)利益3個方面要求。其對天然氣質(zhì)量控制參數(shù)、測量單位和測量方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定(圖1) [1]。
按照ISO13686對天然氣質(zhì)量的總體要求和框架，需要形成以產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為核心的技術(shù)和方法標(biāo)準(zhǔn)體系，建立涵蓋天然氣取樣，組成在線及離線分析，硫化合物、汞、顆粒物等微量組分分析，水露點、烴露點、發(fā)熱量、密度等物性參數(shù)測量技術(shù)及計算方法，建設(shè)多組分烴及非烴類、硫化合物等天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系，建立包括烴及非烴類組成、水／烴露點、硫化合物的天然氣組成分析系統(tǒng)性能評價技術(shù)，形成量傳溯源鏈。
2．2 流量計量要求和主體技術(shù)架構(gòu)
國際法制計量組織(OIML)于l998年發(fā)布Rl40《氣體燃料計量系統(tǒng)》[2]，作為天然氣流量計量的指導(dǎo)性準(zhǔn)則和各國簽訂天然氣貿(mào)易合同的指南。該技術(shù)文件對天然氣流量計量系統(tǒng)準(zhǔn)確度等級和能量、質(zhì)量、體積、參數(shù)換算、壓力、溫度、密度、壓縮因子的測量最大允許誤差等技術(shù)要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定(表1) [2]。
按照OIML Rl40要求需要形成以計量系統(tǒng)技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)為核心的技術(shù)和方法標(biāo)準(zhǔn)體系、不同類型流量計應(yīng)用技術(shù)和方法、不同工況條件下物性參數(shù)測試技術(shù)、管道內(nèi)流場對流量計量的控制技術(shù)，以及天然氣流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置、天然氣流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置、天然氣流量工作標(biāo)準(zhǔn)裝置、流量計檢定和校準(zhǔn)技術(shù)。
3 我國天然氣質(zhì)量和計量技術(shù)建設(shè)現(xiàn)狀
3．1 形成了我國天然氣質(zhì)量和計量兩個核心標(biāo)準(zhǔn)
從20世紀(jì)80年代開始，經(jīng)過對天然氣產(chǎn)品質(zhì)量控制指標(biāo)、天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求和配套的檢測技術(shù)、方法的長期研究，在2000年左右先后形成了GB 17820《天然氣》和GB／T l8603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》國家標(biāo)準(zhǔn)。以此為基礎(chǔ)，形成了配套的測試技術(shù)與方法，以及完整的標(biāo)準(zhǔn)體系和量傳溯源體系。
3．1．1提出天然氣質(zhì)量強(qiáng)制性技術(shù)要求
GB l7820規(guī)定了經(jīng)過處理并通過管道輸送的商品天然氣分類和技術(shù)要求[3]，為天然氣工業(yè)的發(fā)展制定了一個統(tǒng)一的產(chǎn)品要求(表2)。其中發(fā)熱量、總硫含量、硫化氫含量、二氧化碳含量和水露點5項關(guān)鍵控制性技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)安全衛(wèi)生、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益要求，而一類氣指標(biāo)與歐、美、俄處于同等水平，實現(xiàn)與國際接軌，保障了進(jìn)口天然氣質(zhì)量，為天然氣質(zhì)量控制提供了依據(jù)。
3．1．2提出天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求
參考0IML Rl40和ENl776，GB／T l8603規(guī)定了新建和改擴(kuò)建的天然氣計量站貿(mào)易計量系統(tǒng)的設(shè)計、配置、建設(shè)、投產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)方面的技術(shù)要求[4](表3)，同時給出了計量系統(tǒng)儀表的準(zhǔn)確度要求(表4)。成為計量站建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的依據(jù)。
3．2 建立完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系
為配合GB l7820《天然氣》和GB／T l8603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》的實施，先后制定了天然氣取樣、組成分析、物性計算、能量測定、流量檢測等50余項國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表5)，初步構(gòu)建了以GB l7820《天然氣》和GB／T l8603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》為核心的質(zhì)量和計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。
我們還積極承擔(dān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，“天然氣中總硫含量氧化微庫侖測定法”被接受為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO／FDISl 6960)，目前該標(biāo)準(zhǔn)已通過DIS文件投票階段，進(jìn)入最后的FDIS階段。另外，還牽頭承擔(dān)ISO／TC193 WG6“天然氣甲烷值的計算”工作，編制的《天然氣甲烷值計算》國際技術(shù)報告即將出版。該技術(shù)報告是我國石油天然氣工業(yè)領(lǐng)域牽頭制定的第一個同際技術(shù)報告。為國際標(biāo)準(zhǔn)制修訂所提出的28條技術(shù)建議得到了采納，在完善天然氣國際標(biāo)準(zhǔn)體系方面做出了貢獻(xiàn)，充分表達(dá)了中國的話語權(quán)。
3．3 形成配套的測試技術(shù)和方法
通過自主研發(fā)，形成了天然氣及相似氣體取樣、氣質(zhì)檢測及評價技術(shù)，物性參數(shù)測試技術(shù)，水露點、發(fā)熱量、壓縮因子、相對密度、沃泊指數(shù)、硫化氫、顆粒物、烴露點、汞、甲醇和水等測定技術(shù)，凈化廠氣體分析技術(shù)，流量檢測技術(shù)，流量計應(yīng)用技術(shù)，基于LDV和PIV的天然氣管道內(nèi)流場微觀測試技術(shù)，天然氣管道內(nèi)流場數(shù)值模擬技術(shù)等40余項配套的測試技術(shù)和方法，總體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分技術(shù)罔際領(lǐng)先。其中，天然氣中總硫含量氧化微庫侖測定法達(dá)到聞際領(lǐng)先水平，并轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)。
3．4 建設(shè)完整的量傳溯源體系
20世紀(jì)80年代，我國開始在四川成都建設(shè)天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。l996年通過自主研發(fā)，建成質(zhì)量時間法原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，達(dá)到“90年代中期國際同類裝置的先進(jìn)水平”(亞洲一流)。目前，已建立0.1％的原級標(biāo)準(zhǔn)及配套的傳遞標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)裝置，形成了完整的量傳溯源體系(表6)。
在現(xiàn)有天然氣流量量傳溯源體系的基礎(chǔ)上，通過成都分站的擴(kuò)容改造，進(jìn)一步提高技術(shù)水平和能力，躋身國際先進(jìn)行列。成都分站擴(kuò)容改造后，將建立中低壓(0.3～6.0MPa)、質(zhì)量流量不確定度為0.05％～0.076％的原級標(biāo)準(zhǔn)裝置。新建的環(huán)道檢測系統(tǒng)作為工作標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)有臨界流文丘里噴嘴次級標(biāo)準(zhǔn)裝置從不確定度0.33％水平提高到小于等于0.20％(表7)。
同時，為保證天然氣分析的準(zhǔn)確性和溯源性，我們研制了天然氣分析用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)9種、二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)l0余種，初步構(gòu)建天然氣組成分析量傳溯源鏈。正在中國石油西南油氣田公司天然氣研究院建設(shè)的、達(dá)到國際先進(jìn)水平的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備系統(tǒng)，將實現(xiàn)少量組分不確定度水平優(yōu)于0.5％的天然氣分析用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系的研發(fā)目標(biāo)，以適應(yīng)多氣源、多品種天然氣發(fā)展需求。
天然氣作為燃料使用的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是發(fā)熱量。發(fā)熱量直接測定是通過燃燒一定量的氣體直接獲得氣體的發(fā)熱量。其作為天然氣發(fā)熱量測定的標(biāo)準(zhǔn)方法已經(jīng)得到世界各國的一致認(rèn)可，是氣相色譜間接測定法的核查和保證手段。目前，中國計量科學(xué)研究院已建成水流式熱量計氣體燃料發(fā)熱量直接測量裝置，不確定度小于等于l.0％(純甲烷，置信度U＝0.95，包含因子k＝2)。另外，中國計量科學(xué)研究院新研制的氧彈法測量不確定度小于等于0.6％(k＝2)，而中國石油天然氣股份有限公司正在研制的l級測量裝置，測量不確定度為0.20％～0.25％(k＝2)，達(dá)到ISO15971的l級水平[5]。
2009年，中國石油西南油氣田公司天然氣研究院天然氣分析測試實驗室作為牽頭實驗室，承擔(dān)了中國合格評定國家認(rèn)可委員會(CNAS)組織的全國性天然氣組成分析能力驗證活動[6]。這次能力驗證活動有13個省市自治區(qū)的28家實驗室參加，填補(bǔ)了全國天然氣領(lǐng)域能力驗證的空白。2010年，該實驗室參加了由荷蘭實驗室間比對學(xué)會IIS組織的天然氣組成分析國際能力驗證活動，全部檢測項目均一次通過驗證。
2003年，國家石油天然氣大流量成都分站與荷蘭NMi、德國PTB Pigsar開展實驗間的流量量值比對。2004年，成都分站建立雙流量計比對組件，在國內(nèi)開展天然氣流量檢定機(jī)構(gòu)間的循環(huán)比對；2007年，利用南京分站比對組件，與南京分站、德國PTB Pigsar和美國CEESl開展實驗間的比對；2012年，利用渦輪工作標(biāo)準(zhǔn)表與德國PTB Pigsar開展流量量值比對；2013年，成都分站新建兩套比對組件，正按國際關(guān)鍵比對原則，開展與德國PTB Pigsar的實驗室間量值比對。
這些能力驗證和比對活動，不僅使我們對國際能力驗證和關(guān)鍵比對的技術(shù)及管理要求有了全面系統(tǒng)的了解，而且無論是天然氣組成分析，還是流量測定，其室間比對結(jié)果和比對差異均在可接受范圍內(nèi)，驗證了我國天然氣組成分析和流量測量量值溯源與傳遞能力的不確定度水平，表明我國量傳溯源體系是完整和可靠的。
3．5 為實施能量計量奠定了基礎(chǔ)
ISO15112：2008《天然氣能量的測定》規(guī)定了天然氣能量采用以時間變化為基礎(chǔ)的間接測定方法[7]。其要求建立發(fā)熱量測定技術(shù)、能量測定標(biāo)準(zhǔn)和解決方案、能量計量用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和發(fā)熱量直接測定裝置。
自2002年開始，研究建立并完善了天然氣能量計量配套技術(shù)、體積流量計量技術(shù)、發(fā)熱量測定技術(shù)、能量測定標(biāo)準(zhǔn)體系、能量測定量傳溯源體系，非等效采用IS0 15112制定了GB／T 22723《天然氣能量的測定》國家標(biāo)準(zhǔn)[8]和天然氣能量計量實施細(xì)則，在中國石油西南油氣田和西氣東輸一線、西氣東輸二線開展應(yīng)用實踐，收集了數(shù)據(jù)，積累了經(jīng)驗，為能量計量的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
4 面臨的挑戰(zhàn)
2012年底，國家發(fā)布了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》[9]，到“十二五”末，我國將初步形成以西氣東輸、川氣東送、陜京線和沿海主干道為大動脈，連接4大進(jìn)口戰(zhàn)略通道、主要生產(chǎn)區(qū)、消費(fèi)區(qū)和儲氣庫的全國主干管網(wǎng)，形成多氣源供應(yīng)、多方式調(diào)峰、平穩(wěn)安全的供氣格局。
2013年3月2日，國務(wù)院頒布計量發(fā)展規(guī)劃(2013—2020年) [10]中明確：到2020年，計量科技基礎(chǔ)更加堅實，量傳溯源體系更加完善，計量法制建設(shè)更加健全，基本適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，突破一批關(guān)鍵測試技術(shù)，為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供先進(jìn)的計量檢測技術(shù)手段；提升一批國家計量基標(biāo)準(zhǔn)、社會公用計量標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)和保障能力；研制一批新型的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，保證重點領(lǐng)域檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果的溯源性、可比性和有效性；建設(shè)一批符合新領(lǐng)域發(fā)展要求的計量實驗室，推動創(chuàng)新實驗基地建設(shè)跨越式發(fā)展。
在上述發(fā)展形勢和背景下，面臨以下4個方面的挑戰(zhàn)。
1)在量傳溯源體系方面，與德國、法國、俄羅斯相比，氣體發(fā)熱量直接測定國際0級水平的測量裝置未建立；未完整形成適應(yīng)多品種、多氣源天然氣需求，滿足天然氣組成分析和能量計量要求的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系；天然氣原級標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度水平距離0.064％的國際最高水平還有差距。
2)在分析測試技術(shù)方面，與國際先進(jìn)水平相比，缺少針對上游領(lǐng)域天然氣和微痕量組分的分析測試技術(shù)與檢測標(biāo)準(zhǔn)方法。
3)在天然氣流量量值比對方面，未能有效開展天然氣流量量值國際關(guān)鍵循環(huán)比對，實驗室的數(shù)據(jù)國際互認(rèn)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
4)在天然氣流量檢測方面，現(xiàn)有檢測能力與國外先進(jìn)水平相比還有一定差距，檢測流量計的最大口徑不能完全滿足生產(chǎn)需求。
5 展望
我國天然氣工業(yè)已邁入黃金發(fā)展時期。作為天然氣產(chǎn)業(yè)工作者，為用戶提供優(yōu)質(zhì)合格的產(chǎn)品，保證公平公正交易，推進(jìn)天然氣質(zhì)量與計量技術(shù)向更高水平提升。任重道遠(yuǎn)。
5．1 動實施天然氣能量計量，促進(jìn)我國天然氣計量方式轉(zhuǎn)變
圍繞達(dá)到國際先進(jìn)水平的天然氣能量計量體系建設(shè)開展科技攻關(guān)，形成不確定度優(yōu)于0.1％的天然氣發(fā)熱量直接測定國際0級水平測量裝置及測定技術(shù)、質(zhì)睦流量不確定度優(yōu)于0.05％的mt法原級標(biāo)準(zhǔn)裝置及測量技術(shù)、覆蓋我國管輸天然氣氣質(zhì)、適應(yīng)能量計量要求的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系。
5．2 積極推進(jìn)參加國際能力驗證和國際關(guān)鍵循環(huán)比對，提升我國在質(zhì)量和計量領(lǐng)域地位與話語權(quán)
加入天然氣流量國際關(guān)鍵循環(huán)比對行列；牽頭組織天然氣組成分析國際能力驗證；開展中國與俄羅斯及中亞國家天然氣流量和組成分析比對；實現(xiàn)我國天然氣質(zhì)量與流量量值國際互認(rèn)。
5．3 推動天然氣質(zhì)量與計量技術(shù)進(jìn)步，提高我國裝備自主化水平
開展天然氣分析領(lǐng)域的光學(xué)分析儀、傳感器、新型取樣和在線組成分析系統(tǒng)以及發(fā)熱量測量裝置研發(fā)；開展天然氣流量計量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)裝置、檢測評價系統(tǒng)、傳感器、工業(yè)流量計以及流量自動測量系統(tǒng)研發(fā)。
5．4 進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)體系，積極主導(dǎo)制修訂國際標(biāo)準(zhǔn)
積極參加國際標(biāo)準(zhǔn)化組織相關(guān)專業(yè)委員會的管理工作；加強(qiáng)天然氣上游領(lǐng)域、濕氣計量和非常規(guī)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)研究，提高自主創(chuàng)新能力；編制雙語版及多語版國家標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)國際貿(mào)易需求；積極承擔(dān)和參與國際標(biāo)準(zhǔn)制修訂，提升我國在天然氣領(lǐng)域的國際影響力。
5．5 完善測量技術(shù)
開展天然氣分類和互換性、微黽有毒有害物質(zhì)測試、天然氣上游領(lǐng)域中的取樣、分析、分配和濕氣測量技術(shù)及方法等研究，為天然氣質(zhì)量控制和評價提供技術(shù)基礎(chǔ)，同時也為同際標(biāo)準(zhǔn)化提供技術(shù)支撐。
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本文作者：黃黎明
作者單位：中國石油西南油氣田公司天然氣研究院
全國天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會
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