能源是世界文明進(jìn)步的動力，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國計(jì)民生的重要保障，向綠色低碳轉(zhuǎn)型是全世界共同追尋的能源發(fā)展模式。天然氣作為清潔、安全、環(huán)保、高效、低碳的優(yōu)質(zhì)能源，在全球一次能源的消費(fèi)占比逐年增加。2023年，中國天然氣產(chǎn)量為2 324×10⁸ m³，消費(fèi)量為4 017×10⁸ m³。但一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中天然氣占比僅為8.5%，與世界23%的平均水平相比差距明顯。在推進(jìn)中國“雙碳”目標(biāo)實(shí)施進(jìn)程中，天然氣發(fā)揮著越來越重要的作用，可以預(yù)見在今后很長一段時(shí)間內(nèi)，中國的天然氣工業(yè)仍將高速發(fā)展^[1-4]。

計(jì)量是國家經(jīng)濟(jì)社會活動的重要組成，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究、國內(nèi)外貿(mào)易順利進(jìn)行的重要保證。計(jì)量技術(shù)是國家科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)技術(shù)，是國家技術(shù)能力和競爭力的重要體現(xiàn)。準(zhǔn)確可靠的計(jì)量是提高經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平和質(zhì)量，維護(hù)國家、人民利益的重要保障。統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性、溯源性和法制性是計(jì)量工作的顯著特點(diǎn)。計(jì)量、標(biāo)準(zhǔn)和合格評定是國家質(zhì)量基礎(chǔ)的三大支柱。

天然氣計(jì)量是天然氣工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，既是保障國家能源安全的重要抓手，又事關(guān)民生福祉。天然氣計(jì)量是按照計(jì)量相關(guān)法律法規(guī)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量技術(shù)規(guī)范等，通過相關(guān)技術(shù)手段和必要的工作程序獲得天然氣準(zhǔn)確量值的過程。準(zhǔn)確可靠的天然氣計(jì)量是天然氣工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的前提條件。天然氣計(jì)量通過按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)、運(yùn)行和管理的天然氣計(jì)量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。天然氣屬于易燃、易爆危險(xiǎn)化學(xué)品，也是唯一主要以氣體狀態(tài)進(jìn)行貿(mào)易交接的大宗商品。計(jì)量工作涉及天然氣產(chǎn)供儲銷全產(chǎn)業(yè)鏈每個(gè)環(huán)節(jié)。天然氣貿(mào)易計(jì)量對象是經(jīng)過處理且達(dá)到天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的，可用于工業(yè)、商業(yè)和民用的商品天然氣。氣體計(jì)量的屬性使得天然氣計(jì)量具有量大、流動、介質(zhì)可壓縮的特點(diǎn)，是連續(xù)、動態(tài)的復(fù)雜過程，需要通過準(zhǔn)確測定工作條件下天然氣流量、壓力、溫度、體積、組成等多個(gè)參數(shù)值，才能導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的計(jì)量結(jié)果。通常情況下，液體和固體計(jì)量不需要考慮溫度、壓力等參數(shù)的影響，因此，天然氣計(jì)量的要求和復(fù)雜性明顯高于液體和固體計(jì)量。天然氣計(jì)量過程往往和天然氣使用同時(shí)進(jìn)行，計(jì)量結(jié)果無法復(fù)現(xiàn)，計(jì)量的復(fù)雜性增加了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)天然氣計(jì)量量值傳遞、溯源以及獲得準(zhǔn)確計(jì)量結(jié)果的難度^[5-6]。

1　中國的天然氣管網(wǎng)與交接界面

1.1  “全國一張網(wǎng)”的天然氣管網(wǎng)格局

伴隨經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國家對油氣行業(yè)體制改革的不斷深化，中國天然氣工業(yè)進(jìn)入發(fā)展黃金時(shí)期，天然氣產(chǎn)量和消費(fèi)量呈現(xiàn)快速增長的同時(shí)，天然氣產(chǎn)供儲銷全產(chǎn)業(yè)鏈也快速協(xié)調(diào)發(fā)展。中國構(gòu)建了供應(yīng)立足國內(nèi)、進(jìn)口來源多元、管網(wǎng)布局完善、儲氣調(diào)峰配套的天然氣工業(yè)體系。形成了天然氣的上游資源多主體多渠道供應(yīng)、中間統(tǒng)一管網(wǎng)高效集輸、下游銷售市場充分競爭的“X+1+X”天然氣市場體系。

中國油氣能源生產(chǎn)和消費(fèi)呈現(xiàn)逆向分布特征，中東部是主要消費(fèi)地區(qū)，而天然氣生產(chǎn)主要集中在四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等西部地區(qū)，陸上進(jìn)口資源也遠(yuǎn)離下游市場，天然氣的流通與交接必須依托天然氣管網(wǎng)。天然氣管網(wǎng)是天然氣產(chǎn)業(yè)鏈重要的基礎(chǔ)設(shè)施。中國天然氣管網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)是西氣東輸、北氣南下、海氣登陸，建設(shè)并運(yùn)行好天然氣管網(wǎng)設(shè)施對于保障國家能源安全和國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。中國天然氣管網(wǎng)發(fā)展經(jīng)歷了從局部、封閉到干線管道互連互通，從“管道時(shí)代”邁進(jìn)了“管網(wǎng)時(shí)代”。國家管網(wǎng)擁有覆蓋西氣東輸管道、陜京管道、俄氣管道、緬氣管道、“川氣東送”管道等跨區(qū)域管道系統(tǒng)，基本構(gòu)建起西北、西南、東北和海上四大戰(zhàn)略通道。干線管道實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，各管道靈活調(diào)控能力顯著提升，實(shí)現(xiàn)了天然氣管網(wǎng)流向優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)化調(diào)氣和系統(tǒng)間互保功能逐步完善，天然氣調(diào)運(yùn)更加智能靈活。進(jìn)入國家管網(wǎng)的天然氣所有權(quán)并不發(fā)生變化，國家管網(wǎng)收取經(jīng)計(jì)量確認(rèn)的進(jìn)入國家管網(wǎng)管道的天然氣輸送費(fèi)用（管輸費(fèi)）。中國石油、中國石化、中國海油三大石油公司為主的支線管道，主要分布在川渝、南疆、山東等地，并在部分省份占據(jù)主導(dǎo)地位。各個(gè)省份成立的地區(qū)管網(wǎng)公司擁有地方支線管道，分布在全國各地。中國形成了以國家管網(wǎng)集團(tuán)的干線管道為骨架，以三大石油公司支線和地方支線為延伸的有多個(gè)運(yùn)營主體和多個(gè)交接界面的以“全國一張網(wǎng)”為特點(diǎn)的天然氣管網(wǎng)架構(gòu)。圖1是中國近年來天然氣長輸管道總里程變化情況，從2016年的7×10⁴ km快速增長到2023年的12.4×10⁴ km。

圖1　中國2016—2023年天然氣長輸管道總里程圖

中國天然氣對外依存度超過40%，已是全球最大的天然氣進(jìn)口國，需要開展大量管道天然氣和液化天然氣的國際貿(mào)易交接。西北、西南、東北和海上進(jìn)口四大天然氣戰(zhàn)略通道全面建成，主體多元供應(yīng)體系不斷完善，形成了國產(chǎn)與進(jìn)口并重、管道氣與LNG互補(bǔ)的供應(yīng)格局（表1）。

表1　中國主要進(jìn)口天然氣管道及其技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

“全國一張網(wǎng)”規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含海量設(shè)備和管道，狀態(tài)組合數(shù)量巨大，存在多輸入多輸出結(jié)構(gòu)，不但包括大量不同壓力等級、不同管徑、不同輸氣規(guī)模的天然氣輸送管道及天然氣增壓站等配套設(shè)施，還包括儲氣庫、液化天然氣接收站等基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋天然氣生產(chǎn)、流通、消費(fèi)三大領(lǐng)域，是連通海外、 覆蓋全國的國家天然氣工業(yè)大動脈。“全國一張網(wǎng)”格局的形成，可以實(shí)現(xiàn)管道資源共享，避免重復(fù)投資和重復(fù)建設(shè)帶來的資源浪費(fèi)^[7-9]。

1.2　交接界面對應(yīng)不同計(jì)量系統(tǒng)

交接界面是在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，氣體的所有權(quán)發(fā)生變化或者發(fā)生自然交接的地方。交接界面（以下簡稱界面）通常需要進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)作為交接依據(jù)。天然氣生產(chǎn)商到終端用戶可能的計(jì)量交接界面如圖2。界面1是氣體生產(chǎn)商（石油公司）或氣體進(jìn)口商與氣體儲存商（儲氣庫）之間的界面、氣體儲存商與氣體輸送商（國家管網(wǎng)公司）之間的界面、氣體輸送商和氣體儲存商之間的界面；界面2是氣體儲存商和區(qū)域分銷商（地區(qū)管網(wǎng)公司）之間的界面；界面3是區(qū)域分銷商與本地分銷商（燃?xì)夤荆┲g的界面；界面4是本地分銷商與居民用戶之間的界面；界面5是本地分銷商與工業(yè)用戶之間的界面；界面6是本地分銷商與商業(yè)用戶之間的界面^[10]。

圖2　氣體生產(chǎn)商到用戶可能的計(jì)量交接界面圖

注：1～6表示天然氣計(jì)量不同交接界面。

依托天然氣管網(wǎng)，天然氣生產(chǎn)商或進(jìn)口商到終端用戶之間可能經(jīng)過不同運(yùn)營主體、多個(gè)層級的計(jì)量交接界面。可能涉及氣體儲存商、氣體輸送商、區(qū)域分銷商、本地分銷商等運(yùn)營主體之間的多個(gè)天然氣貿(mào)易交接界面。在中國，氣體儲存商一般不是獨(dú)立運(yùn)營，可能依托于天然氣生產(chǎn)商或輸送商。從氣體生產(chǎn)商到終端用戶之間并不是必須經(jīng)過圖2的所有交接界面，可能只經(jīng)過部分交接界面，根據(jù)天然氣生產(chǎn)輸送消費(fèi)實(shí)際情況，氣體儲存商、氣體輸送商、區(qū)域分銷商和本地分銷商等一個(gè)或多個(gè)中間計(jì)量交接界面可能不存在。天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)干線、支線、城市燃?xì)?、終端用戶不同交接界面之間的流量、管徑和壓力等指標(biāo)存在明顯差異，管輸規(guī)模差別很大，對計(jì)量系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行管理要求不一樣。不同等級天然氣交接界面對應(yīng)不同的計(jì)量系統(tǒng)配置和準(zhǔn)確度要求。

2　天然氣計(jì)量要求

2.1　天然氣計(jì)量過程

天然氣計(jì)量實(shí)現(xiàn)了交接天然氣計(jì)量結(jié)果的單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠。中國天然氣計(jì)量以體積計(jì)量為主，以立方米為結(jié)算單位。氣體的體積量值與狀態(tài)緊密相關(guān)，同樣質(zhì)量的天然氣在不同壓力、溫度條件下，體積量不一樣，體積計(jì)量結(jié)果就不一樣。各個(gè)國家規(guī)定了特定的溫度和壓力作為貿(mào)易交接計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)參比條件，以保證計(jì)量結(jié)果統(tǒng)一。中國的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為：溫度20 ℃（293.15 K），壓力101.325 kPa，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的量值作為貿(mào)易計(jì)量交接值。

天然氣計(jì)量具有連續(xù)性特點(diǎn)，通過計(jì)量站內(nèi)的天然氣計(jì)量系統(tǒng)完成。天然氣計(jì)量系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)輸入、輸出的復(fù)雜系統(tǒng)。天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)測量原理如圖3，流量計(jì)算機(jī)通過采集流量計(jì)工作條件下的天然氣流量數(shù)據(jù)，溫度變送器、壓力變送器等儀表的溫度、壓力數(shù)據(jù)，氣相色譜儀（在線或離線）的天然氣組成數(shù)據(jù)，應(yīng)用相關(guān)流體力學(xué)模型計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)參比條件下瞬時(shí)天然氣體積流量、質(zhì)量流量或能量流量。流量計(jì)、在線氣相色譜分析儀、流量計(jì)算機(jī)是天然氣計(jì)量系統(tǒng)的關(guān)鍵計(jì)量器具。天然氣計(jì)量交接量值不是瞬時(shí)流量值，而是通過對計(jì)量周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下瞬時(shí)天然氣體積流量值對時(shí)間積分得到的體積總量。

圖3　天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)的測量原理示意圖

天然氣計(jì)量站內(nèi)還包括分析檢測水露點(diǎn)、硫化氫、總硫等天然氣質(zhì)量指標(biāo)的儀器設(shè)備^[11-16]。

天然氣計(jì)量結(jié)果是通過流量、溫度、壓力、組成等直接測量參數(shù)值計(jì)算得到的導(dǎo)出量值。天然氣溫度、壓力、組成參數(shù)在計(jì)量條件下相對穩(wěn)定，測量技術(shù)較成熟，量值準(zhǔn)確度較高。通過流量計(jì)獲取的工作條件下天然氣的流量值是影響計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確度的最重要因素，大型計(jì)量站往往具有多套計(jì)量系統(tǒng)，多臺流量計(jì)同時(shí)并聯(lián)工作。流量計(jì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平往往能體現(xiàn)一個(gè)國家的天然氣計(jì)量能力。常見的天然氣流量計(jì)類型包括：速度式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)。速度式流量計(jì)以其準(zhǔn)確度高、量程比寬、壓力損失小等特點(diǎn)在長輸、干線天然氣管道計(jì)量中使用越來越普遍，其測量原理是基于與管道內(nèi)天然氣流速有關(guān)的聲速變化等物理現(xiàn)象，通過測量管道內(nèi)流體速度來測量流體流量。典型的速度式流量計(jì)包括超聲流量計(jì)和渦輪流量計(jì)，超聲流量計(jì)具有非接觸和沒有動部件的特點(diǎn)，在干線管道天然氣計(jì)量中占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)是差壓式流量計(jì)，通過管道中流量檢測元件產(chǎn)生的差壓與管道的幾何尺寸的相互關(guān)系來計(jì)算流量，差壓式流量計(jì)價(jià)格相對較低。在有足夠壓力的短距離輸送支線管道天然氣計(jì)量中，孔板流量計(jì)使用較多^[17]。

20世紀(jì)80年代以前世界上天然氣貿(mào)易計(jì)量都采用體積計(jì)量，目前仍然采用體積計(jì)量的國家主要有中國、俄羅斯及部分中亞國家。能量計(jì)量兼顧了天然氣的組成和體積，更能公平合理體現(xiàn)天然氣的能源屬性。歐美日韓等工業(yè)發(fā)達(dá)國家天然氣計(jì)量主要采用能量計(jì)量。1978年美國通過的《天然氣政策法》規(guī)定將天然氣貿(mào)易結(jié)算方式由體積計(jì)量改變?yōu)槟芰坑?jì)量，歐洲國家在20世紀(jì)90年代中后期開始由體積計(jì)量改變?yōu)槟芰坑?jì)量^[16-20]。中國在LNG國際貿(mào)易和個(gè)別管道天然氣貿(mào)易交接中也采用了能量計(jì)量^[18-22]。

2.2　天然氣計(jì)量保障體系

科學(xué)、先進(jìn)、實(shí)用的計(jì)量保障體系對推進(jìn)中國天然氣技術(shù)進(jìn)步和天然氣利用，提升天然氣生產(chǎn)能力，促進(jìn)天然氣消費(fèi)升級，提高經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平，維護(hù)國家和人民的利益具有重要意義。天然氣計(jì)量科學(xué)技術(shù)水平是國家科技實(shí)力與能力的重要體現(xiàn)。近年來，隨著天然氣工業(yè)跨越式發(fā)展，中國天然氣計(jì)量科學(xué)技術(shù)水平持續(xù)提升，圍繞測量原理、方法、設(shè)備等方面不斷創(chuàng)新，基本形成配套的天然氣計(jì)量技術(shù)體系。結(jié)合天然氣工業(yè)的實(shí)際情況，中國配套建立了以體積計(jì)量為基礎(chǔ)的天然氣計(jì)量技術(shù)和管理體系，主要包括計(jì)量法、計(jì)量行政法規(guī)和計(jì)量規(guī)章等法律法規(guī)；計(jì)量技術(shù)規(guī)范、計(jì)量檢定規(guī)程、計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量管理等技術(shù)和管理文件；計(jì)量量值傳遞與溯源體系；計(jì)量監(jiān)督；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量器具管理與應(yīng)用、計(jì)量數(shù)據(jù)與資料管理、計(jì)量人員資質(zhì)和授權(quán)等。

天然氣計(jì)量器具應(yīng)符合相應(yīng)計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)要求，具有有效的檢定或校準(zhǔn)證書。中國已具備常用天然氣計(jì)量器具自主生產(chǎn)能力，但對國際貿(mào)易等關(guān)鍵計(jì)量系統(tǒng)，流量計(jì)、在線氣相色譜儀等主要計(jì)量器具依賴進(jìn)口。在計(jì)量量值傳遞與溯源方面，國家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站、南京分站和武漢分站有3套原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，并分別將原級標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞至廣州分站、烏魯木齊分站、北京采育檢定點(diǎn)等國家授權(quán)檢定點(diǎn)，共同構(gòu)成完整的低、中和高壓體積流量量值傳遞和溯源鏈。

中國的天然氣計(jì)量技術(shù)體系支撐了天然氣的生產(chǎn)和貿(mào)易需求，助推了天然氣工業(yè)的快速發(fā)展。隨著新形勢下國家對天然氣工業(yè)提出高質(zhì)量發(fā)展要求以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國天然氣計(jì)量技術(shù)和法律保障體系在不斷建設(shè)、優(yōu)化、完善和發(fā)展^[23]。

2.3　計(jì)量結(jié)果的獲取

天然氣計(jì)量結(jié)果是通過符合天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求的計(jì)量器具，測量工作條件下的天然氣溫度、壓力及體積流量，結(jié)合組成分析系統(tǒng)，得到天然氣組成數(shù)據(jù)并計(jì)算工作條件下和標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣壓縮因子，按式（1）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣瞬時(shí)體積流量值。

式中q_n表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣瞬時(shí)體積流量，m³/h；q_f表示工作條件下的天然氣體積流量，m³/h；p_f表示工作條件下的天然氣壓力，MPa；T_f表示工作條件下的天然氣溫度，K；Z_f表示工作條件下的天然氣壓縮因子；p_n表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣壓力，MPa；T_n表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣溫度，K；Z_n表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣壓縮因子。

上述參數(shù)中，工作條件下的流量參數(shù)值q_f由流量計(jì)獲取，流量信號采樣時(shí)間響應(yīng)不大于2 s；工作條件下的p_f和T_f兩個(gè)測量參數(shù)值由計(jì)量系統(tǒng)壓力、溫度變送器獲取，壓力、溫度采樣時(shí)間應(yīng)不大于5 s；Z_f和Z_n兩個(gè)計(jì)算參數(shù)值一般通過各自條件下的壓力和溫度值，結(jié)合在線或離線氣相色譜儀得到的組成分析數(shù)據(jù)，按相關(guān)天然氣壓縮因子計(jì)算的國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得，在線氣相色譜儀組成分析響應(yīng)時(shí)間一般不超過15 min；標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的p_n和T_n分別為0.101 3 MPa和293.15 K^[24-26]。

天然氣進(jìn)行貿(mào)易交接計(jì)量時(shí)，按式（2）通過計(jì)量周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時(shí)體積流量值對時(shí)間積分計(jì)算得到的天然氣累積體積量進(jìn)行結(jié)算。

式中Q_n表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下在t₀～t時(shí)間內(nèi)的天然氣累積體積量，m³；t₀表示進(jìn)行累積流量積分的起始時(shí)間，s；t表示進(jìn)行累積流量積分的結(jié)束時(shí)間，s。

3　計(jì)量準(zhǔn)確度保障

3.1　天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求

中國天然氣市場巨大且保持快速增長，天然氣貿(mào)易交接計(jì)量量值和金額巨大，管網(wǎng)系統(tǒng)中不同運(yùn)營主體間必須進(jìn)行計(jì)量交接。計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠是天然氣計(jì)量的基本要求。天然氣計(jì)量準(zhǔn)確度是天然氣計(jì)量測得值與真實(shí)值間的一致程度，計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度水平是天然氣工業(yè)科學(xué)技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。

《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求：GB/T 18603—2023》^[27]規(guī)定了天然氣計(jì)量站貿(mào)易計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、投產(chǎn)運(yùn)行、準(zhǔn)確度、驗(yàn)收維護(hù)等方面的技術(shù)要求。標(biāo)準(zhǔn)適用范圍是標(biāo)準(zhǔn)參比條件下設(shè)計(jì)通過能力大于100 m³/h、工作壓力大于0.1 MPa（表壓）的天然氣計(jì)量系統(tǒng)，主要包括圖2中界面1、界面2、界面3 和部分界面5和界面6的天然氣貿(mào)易計(jì)量。GB/T 18603將天然氣計(jì)量系統(tǒng)分為4個(gè)不同設(shè)計(jì)通過能力的交接界面，不同計(jì)量界面對應(yīng)相應(yīng)的計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度等級。計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度等級分為A、B、C3個(gè)級別。不同等級的天然氣計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量器具配置要求見表2。準(zhǔn)確度等級不一樣，要求配置的測量參數(shù)項(xiàng)目也不一樣。

表2　不同等級計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量器具配置要求統(tǒng)計(jì)表

對于界面4、部分界面5和界面6等小流量低壓燃?xì)庥脩?，具有?shù)量多、交接天然氣量少、交易金額較小等特點(diǎn)，計(jì)量準(zhǔn)確度要求相對較低。一般用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的一體化膜式燃?xì)獗砘虺暡ㄈ細(xì)獗砑纯蓾M足計(jì)量要求，不需要?dú)庀嗌V儀、流量計(jì)算機(jī)等設(shè)備，本文不涉及燃?xì)獗碛?jì)量技術(shù)要求。

3.2　計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求

天然氣計(jì)量系統(tǒng)通過測量單元獲取相關(guān)參數(shù)值，按一定數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算得到計(jì)量結(jié)果，天然氣計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量特性通過計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求來保證。中國的天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過規(guī)定天然氣計(jì)量系統(tǒng)流量、溫度、壓力、壓縮因子等參數(shù)最大允許測量誤差（以下簡稱最大允許誤差）來保證計(jì)量結(jié)果符合準(zhǔn)確度要求。最大允許誤差是對給定的測量、測量儀器或測量系統(tǒng)，由規(guī)范或規(guī)程所允許的相對于已知參考量值的測量正負(fù)最大誤差的極限值。最大允許誤差直觀明確地表示了計(jì)量系統(tǒng)特性。最大允許誤差與測量儀器準(zhǔn)確度等級有特定的對應(yīng)關(guān)系。準(zhǔn)確度等級是測量儀器最具概括性的特性，經(jīng)常用于表征測量儀器的測量特性。

GB/T 18603—2023規(guī)定的不同等級的計(jì)量系統(tǒng)流量、溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)測量值的最大允許誤差值見表3。由于天然氣溫度在常溫范圍內(nèi)變化相對較小，溫度的最大允許誤差類別用絕對誤差表示，其余參數(shù)最大允許誤差都用相對誤差表示。從表3可見，不同等級的計(jì)量系統(tǒng)配置的計(jì)量器具需要滿足的準(zhǔn)確度要求不一樣。計(jì)量系統(tǒng)等級越高，最大允許誤差值越低，對計(jì)量器具準(zhǔn)確度要求越高。A級計(jì)量站的設(shè)計(jì)、建設(shè)、投資、運(yùn)行、管理、計(jì)量器具配置等方面要求高于B級計(jì)量站和C級計(jì)量站。

表3　計(jì)量系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)最大允許測量誤差統(tǒng)計(jì)表

3.3　不確定度評定

測量不確定度（以下簡稱不確定度）是以被測量為研究對象，根據(jù)所用到的信息，表征被測量值分散性的非負(fù)參數(shù)。不確定度已經(jīng)取代測量誤差用來表示測量結(jié)果的可信程度。標(biāo)準(zhǔn)不確定度是以標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的不確定度，是國際通用的不確定度表征方式。完整的測量結(jié)果應(yīng)包括被測量的測得值及其不確定度。不確定度評定是天然氣計(jì)量系統(tǒng)性能評價(jià)和天然氣計(jì)量科學(xué)研究的重要內(nèi)容。天然氣計(jì)量結(jié)果及天然氣流量量值傳遞朔源體系各級標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量器具應(yīng)包括不確定度評定結(jié)果及有關(guān)信息^[28-29]。

天然氣計(jì)量結(jié)果的不確定度評定是通過工作條件下的天然氣流量、壓力等分量來評定標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量不確定度。天然氣貿(mào)易交接量值是計(jì)量周期內(nèi)的累積體積量，是計(jì)量周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積流量對時(shí)間的積分運(yùn)算結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量不確定度與累積體積量不確定度是一致的。天然氣體積流量變化范圍較大，用相對不確定度評定結(jié)果較為合理。由于天然氣計(jì)量的不可復(fù)現(xiàn)性，測量不確定度的B類評定結(jié)果可以作為天然氣計(jì)量的不確定度。

標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣體積流量不確定度由式（1）中工作條件下的天然氣流量、壓力、溫度、壓縮因子和標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子這5個(gè)不相關(guān)分量的不確定度合成，標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓力和溫度值是常數(shù)，不作為不確定度評定分量。不確定度可以通過不同的方式獲取，按照《測量不確定度評定與表示 ：JJF 1059.1—2012》^[30]，可以采用通過計(jì)量部門檢定合格的測量儀器的最大允許誤差作為被測量可能值區(qū)間的半寬度，通過最大允許誤差計(jì)算對應(yīng)被測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度見式（3）～（7）。

各個(gè)分量按照表3最大允許誤差評定得到的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度結(jié)果見表4，工作條件和標(biāo)準(zhǔn)參比條件下壓縮因子最大允許誤差值均按照表3壓縮因子最大允許誤差值選取，其中工作條件下天然氣流量不確定度分量值最大。

表4　各分量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積流量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式（8）合成。

式中u_r(q_n)表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣瞬時(shí)體積流量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣體積流量的相對擴(kuò)展不確定度按式（9）計(jì)算，不同等級計(jì)量系統(tǒng)天然氣體積流量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度和相對擴(kuò)展不確定度評定結(jié)果見表5。

式中U_r(q_n)表示標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣瞬時(shí)體積流量的相對擴(kuò)展不確定度；k表示包含因子，取k=2。

表5　不同等級計(jì)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積流量的

不確定度表

3.4    A級站不確定度評定示例

上文依據(jù)GB/T 18603規(guī)定的相關(guān)參數(shù)，用最大允許測量誤差值評定了不同等級計(jì)量系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣體積流量的不確定度。除了用最大允許誤差值評定外，天然氣體積流量的不確定度還可以通過計(jì)量器具的檢定證書、校準(zhǔn)證書、產(chǎn)品技術(shù)說明書等信息評定得到。實(shí)際運(yùn)行的計(jì)量站配置的計(jì)量器具性能指標(biāo)通常情況下會優(yōu)于GB/T 18603的規(guī)定值。《天然氣計(jì)量系統(tǒng)性能評價(jià)：GB/T 35186—2017》^[31]給出了天然氣計(jì)量系統(tǒng)的不確定度評定方法。A級站計(jì)量系統(tǒng)由于交接的天然氣量大、涉及金額高，對計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度要求最高。本文以西南地區(qū)某一在運(yùn)A級計(jì)量站具體配置的計(jì)量器具為例，按照GB/T 35186評定其不確定度。

該A級站流量計(jì)采用不確定度為0.21%（k=2）的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)，流量計(jì)重復(fù)性為0.2%。采用智能絕壓變送器測量壓力，準(zhǔn)確度等級為0.1級，滿量程為10 MPa，運(yùn)行壓力為6 MPa。采用一體化智能溫度變送器測量溫度，不確定度為0.2 K，運(yùn)行溫度為20 ℃（293.15 K），并安裝在線氣相色譜儀。經(jīng)檢定合格，天然氣組成分析使用二級標(biāo)準(zhǔn)氣體，分析的重復(fù)性符合GB/T 13610要求?？紤]流量計(jì)校準(zhǔn)重復(fù)性影響，工作條件下的體積流量相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式（10）計(jì)算，工作條件下的壓力、溫度測量相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別按式（11）和式（12）計(jì)算，評定未考慮設(shè)備周期偏移引入的不確定度。

式中u_r(q_S)表示檢定時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；E_r表示流量計(jì)重復(fù)性；ξ_P表示智能絕壓變送器準(zhǔn)確度等級；p_k表示智能絕壓變送器滿量程值，MPa；p_f表示運(yùn)行壓力測量值，MPa；u_c(T_f)表示溫度測量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，K；T_f表示溫度測量值，K。

按實(shí)際情況評定的A級站相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度和相對擴(kuò)展不確定度見表6。

表6　某A級計(jì)量站不確定度評定示例表

取u_r(Z_n)=0.03%（GB/T 35186附錄B.9.2）、u_r(Z_f)=0.05%（GB/T 35186附錄B.8.2.1），按式（8）和式（9）分別計(jì)算得到：u_r(q_n)=0.27%、U_r(q_n)=0.54%。

4　天然氣計(jì)量發(fā)展方向

4.1　進(jìn)一步提升量值傳遞與計(jì)量溯源性能力建設(shè)

提高量值傳遞與計(jì)量溯源性能力和技術(shù)水平，滿足中國天然氣工業(yè)的快速發(fā)展需要。加強(qiáng)國際國內(nèi)天然氣計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值比對，在進(jìn)一步提高天然氣量值傳遞與計(jì)量溯源性技術(shù)水平的同時(shí)，加快計(jì)量技術(shù)國際接軌。加快建設(shè)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓天然氣原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，更加合理布局中國天然氣計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)，滿足不斷增長的流量計(jì)檢定需求。在量值傳遞體系中以檢定為主，適當(dāng)增加校準(zhǔn)方式。流量計(jì)溯源從檢定為主轉(zhuǎn)變?yōu)闄z定、校準(zhǔn)、比對、使用中檢驗(yàn)、現(xiàn)場檢定等多種方式并存，提高流量計(jì)溯源效率。

4.2　進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)量技術(shù)創(chuàng)新能力

氫能是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，摻氫天然氣輸送和利用是天然氣工業(yè)新的發(fā)展方向，開展天然氣制氫、摻氫對天然氣管網(wǎng)材質(zhì)、終端設(shè)備、流體物性參數(shù)和計(jì)量系統(tǒng)的影響研究，確保管網(wǎng)和計(jì)量系統(tǒng)滿足摻氫天然氣輸送和計(jì)量需求，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。開展通過超聲流量計(jì)結(jié)合壓力、溫度等非天然氣組成參數(shù)獲取天然氣發(fā)熱量的新技術(shù)研究。深化激光多普勒、粒子成像等光學(xué)原理計(jì)量技術(shù)研究，拓展天然氣計(jì)量檢定新方法。加快推進(jìn)高準(zhǔn)確度超聲流量計(jì)、氣相色譜儀等關(guān)鍵計(jì)量儀器設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程，進(jìn)一步提升計(jì)量技術(shù)創(chuàng)新深度和維度。

4.3　加快計(jì)量數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型步伐

天然氣計(jì)量系統(tǒng)和管網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行需要多參數(shù)準(zhǔn)確測量、復(fù)雜運(yùn)算和海量數(shù)據(jù)傳輸，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)智能化決策，推進(jìn)天然氣管網(wǎng)和計(jì)量技術(shù)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型升級；加強(qiáng)天然氣計(jì)量技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，制定可擴(kuò)展標(biāo)記語言等格式的數(shù)字化規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，便于計(jì)量儀器設(shè)備直接使用；規(guī)范統(tǒng)一天然氣計(jì)量數(shù)據(jù)格式，提升計(jì)量數(shù)據(jù)共享利用率。加強(qiáng)現(xiàn)代信息技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)量技術(shù)深度融合，加強(qiáng)計(jì)量結(jié)果的智能判斷，實(shí)現(xiàn)計(jì)量管理智能化，對提高中國天然氣管網(wǎng)運(yùn)行效率和計(jì)量技術(shù)水平具有重要意義。

4.4　體積計(jì)量向能量計(jì)量轉(zhuǎn)變是天然氣計(jì)量發(fā)展方向

體積計(jì)量雖然實(shí)施較為簡便，但不能科學(xué)公正地表征天然氣的能源商品特性。能量計(jì)量更能體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)原則，是目前國際天然氣計(jì)量的主要方式。國家積極推進(jìn)天然氣計(jì)量方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰坑?jì)量，先后出臺《關(guān)于加快建設(shè)全國統(tǒng)一大市場的意見》、《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》等一系列重要文件，明確提出“穩(wěn)妥推進(jìn)天然氣市場化改革，加快建立統(tǒng)一的天然氣能量計(jì)量計(jì)價(jià)體系”。中國基本建成實(shí)施天然氣能量計(jì)量的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等保障體系。國家市場監(jiān)管總局（天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成并投入運(yùn)行，政府企業(yè)協(xié)作并積極開展天然氣能量計(jì)量試點(diǎn)示范，上述舉措必將加快中國天然氣體積計(jì)量向能量計(jì)量轉(zhuǎn)變，推進(jìn)計(jì)量方式與國際接軌^[32-40]。

5　結(jié)論

1）天然氣工業(yè)的體制機(jī)制改革和國家管網(wǎng)公司的成立宣告中國天然氣管網(wǎng)“全國一張網(wǎng)”格局的形成，實(shí)現(xiàn)了管道資源共享，避免重復(fù)投資和重復(fù)建設(shè)帶來的資源浪費(fèi)。不同運(yùn)營主體的天然氣交接界面都需要進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)，不同等級天然氣計(jì)量站的計(jì)量系統(tǒng)要求不同。

2）中國建立了以體積計(jì)量為基礎(chǔ)的天然氣計(jì)量技術(shù)體系，主要包括計(jì)量相關(guān)的法律法規(guī)及管理制度、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、檢定規(guī)程、計(jì)量器具管理與應(yīng)用、計(jì)量監(jiān)督、計(jì)量溯源與量值傳遞體系等。

3）不確定度評定是天然氣計(jì)量系統(tǒng)性能評價(jià)和天然氣計(jì)量科學(xué)研究的重要內(nèi)容。完整的天然氣計(jì)量結(jié)果應(yīng)由不確定度評定說明表示結(jié)果的可信程度。天然氣計(jì)量系統(tǒng)的不確定度評定結(jié)果表明，中國的天然氣計(jì)量系統(tǒng)能夠滿足天然氣計(jì)量需求。

4）天然氣計(jì)量發(fā)展方向主要有4個(gè)方面：①加強(qiáng)計(jì)量量值傳遞與溯源能力建設(shè)；②流量計(jì)溯源從以檢定為主發(fā)展為檢定、校準(zhǔn)、使用中檢驗(yàn)、現(xiàn)場檢定等多種方式并存；③加快計(jì)量數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型步伐；④加快推進(jìn)中國天然氣計(jì)量方式從體積計(jì)量向能量計(jì)量轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)計(jì)量方式與國際接軌。