弹式热量计直接测定(有关开发和应用天然气发热量测量仪器与装备的基础知识)

Posted 2023-05-25

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弹式热量计直接测定(有关开发和应用天然气发热量测量仪器与装备的基础知识)

燃烧量热学是热化学的一个分支，是测定物质燃烧反应热效应的一门实验科学。此种

热效应即称为物质的燃烧热，通常采用的单位是kJ/mol。测定燃烧热的方法分为定容和定压两种；在天然气工业上广泛采用的是在定容条件下测定的高位发热量。

发热量是商品天然气最重要的技术指标之一，各国的气质标准对此均有明确规定

（表1）。例如，GB 17820—2018《天然气》规定一类气在计量参比压力为101.325kPa、

计量和燃烧参比温度均为20℃时的高位发热量（干基）应不小于34.0MJ/m3。

除特别说明外，天然气能量计量均使用高位发热量。规定量的燃气燃烧时其计量温度和压力，称为计量参比条件；规定量的燃气燃烧时的温度（t1）和压力（p1）则称为燃烧参比条件（表2）。2016 年发布的ISO 6976 中，如图1 所示说明了燃烧量热学中计量和燃烧参比条件的含义。天然气发热量的单位可以表示为质量基（MJ/kg）、摩尔基（MJ/kmol）和体积基（MJ/m3）。作为基准热量计必须采用质量基以降低测量不确定度；但商品天然气能量计量采用的在线测定的发热量一般采用体积基。

现有的测定天然气发热量的方法可分为两大类。一类是以气相色谱法测定天然气的组

成，然后由组成计算其发热量（间接法）；另一类则以各种类型的热量计直接测定天然气

发热量（直接法）。应用于天然气能量计量现场的在线测定仪器，20 世纪90 年代以前使

用的都是基于直接法测定原理，此后则基本上全部改为间接法原理。总体而言，直接法使用的测量仪器结构比较复杂，对实验室环境条件要求较高，且其标准化工作也相对滞后。

但必须注意，直接（燃烧）法测量仪器一般分为两种类型: 现场使用的（连续记录式）测量仪器和应用于校准和科研用的计量基（标）准仪器。美国生产的 Cutler-Hammer 连续记录式热量计，是30多年前广泛应用于能量计量现场的测量设备；但上世纪90年代以后已经基本上为间接法测量设备所取代。Cutler-Hammer 连续记录式热量计（最佳工况下）测定结果的扩展不确定度（U）可达到优于0.25% 的水平。但因此类设备是现场使用的在线测量仪器，不能提供计量溯源性而不可能作为计量基准。但令人十分费解的是：某重点实验室为什么还要（在德国专家指导下）耗费巨资到德国联邦物理技术研究院（PTB）去引进此类国外20多年前已经淘汰的测量仪器？更加匪夷所思的是：为什么还要在2017 年发布国家标准GB/T 35211《天然气发热量的测定连续燃烧法》为此类淘汰设备作宣传？这些莫明其妙的举措大大阻滞了我国0级热量的技术开发进度，导致迄今连一个适合国情的技术开发方案也未见报导。是否被某些国内外专家的空谈所误导？！鉴此，祈请有关部门及领导，郑重研究一下我国天然气能量计量技术开发技术及其标准化的发展方向。

根据国际标准《天然气物性测定发热量和沃泊指数》（ISO 15971）的规定，直接

法测定的0 级（参比）热量计法可以最终溯源至SI 制单位（焦耳，J）。因此，从计量学

溯源性的角度考虑，作为发热量测定的基准装置必须采用0 级热量计。

目前应用于ISO 6976（GB/T 11062《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指

数的计算方法》）中的各种烃类发热量数据都是在20 世纪30 年代和70 年代测定的。限于

当时的技术条件，从重复性估计得到的甲烷测量不确定度约为0.12% ；而测量系统可能存

在的B 类不确定度则（由于仅有单个测定装置）无法估计。鉴于以上认识，从20 世纪90

年代末国际标准化组织天然气技术委员会（ISO/TC 193）组织“标准气验证（VAMGAS）

试验”开始，天然气发热量直接测定技术及0 级热量计的建设重新受到国内外普遍重视。

国际标准组织天然气技术委员会（ISO/TC193）于2006年发布了标题为“天然气分

析用气体标准物质的确认”的技术报告（ISO/TR24094）。该技术报告以图2所示试验流程，不仅对通过室间循环比对试验以验证多元标准气混合同（RGM）的方法与步骤作了详尽规定；更为重要的是该技术报告提出的确认方法虽尚有不足之处，但已成功地为多元RGM的准确度与不确定度的标准值提供了实验证据，从而将室间比对试验定值法与计量学定值法相联系，解决了RGM的“公议值”未能溯源至SI制单位的关键问题。但必须注意，在图2所示的试验中，必须使用0级热量计测定的数据来确认基准级多元RGM。因此，国家标准GB/T31253存在原则性错误，不能成立！

表1 部分国家商品天然气发热量的典型值单位：MJ/m3

表2 部分国家规定的燃烧和计量参比条件

图1 体积基发热量的计量和燃烧参比温度

图2 VAMGAS项目第二阶段试验流程示意图