燃气发热量的测定（天然气发热量及其测定的标准化）

发热量(calorific value)又称为热值，是商品天然气最重要的技术指标之一；由于此指标体现了商品天然气的经济价值，故各国气质标准对此均有明确规定（参见表1）。我国国家标准GB17820-2018规定:一类天然气高位发热量不小于36.0MJ/m3；二类和三类天然气高位发热量不小于31.4 MJ/m3。

上世纪80年代中期起，天然气能量计量在北美和西欧迅速发展，现已成为大规模交接计量中，进行贸易结算时采用的主要计量方式。普遍使用的能量计量方式是分别确定天然气体积流量及其发热量，然后以两者的乘积——总发热量（GCV）作为结算的依据，故准确测定天然气发热量的重要性是不言而喻的。

燃气发热量有高位和低位两种。高位发热量（Hs）是指规定量的天然气在空气中完全燃烧时所释放的热量。在燃烧反应发生时，压力P1保持恒定，所有燃烧产物的温度降到与规定燃烧t1燃烧相同的温度，除燃烧反应中生成的水在t1为下为液态外，其余所有产物均为气态。低位发热量（Hi）也是指规定量的天然气在空气中完全燃烧时所释放的热量。但在燃烧反应发生时，压力P1保持恒定，所有燃烧产物的温度降到与规定燃烧t1燃烧相同的温度，所有产物均为气态；其值约为高位发热量的90%。除特别说明外，天然气能量计量均使用高位发热量。

规定的燃气燃烧时，其计量的温度和压力，称为计量参比条件；规定的燃气燃烧时的温度（t1）和压力(P1)则称为燃烧参比条件(参见表2)。

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）。但基准级（0级）热量计必须采用质量基以降低测量不确定度；商品天然气能量计量过程中在线测定的发热量一般采用体积基。

现有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（简称间接法）；另一类则是以各种类型的热量计直接测定天然气发热量（简称直接法）。应用于天然气能量计量现场在线测定的仪器，1990年以前使用的都是基于直接法测定原理，此后则大多改为间接法原理。但是，根据分析数据计算发热量的间接测定方法是通过标准气混合物(RGM)进行溯源，其溯源链最终只能溯源至由室间比对试验确定的“公议值”，而没有溯源至SI制单位，故存在计量学溯源性方面存在缺陷。鉴此，美国在能量计量的实施过程中又进一步提出了以供出能量为基准的原则，即能量计量的发热量（H）是指单位量天然气在燃烧过程中实际释放的能量，而不是以其中可燃组分含量在规定条件下计算的能量，故直接法是法定的基(标)准方法。

直接法测定发热量的特点是不涉及天然气组成的测定和计算，而是在规定条件下通过燃烧一定量天然气的方法（直接）测定其发热量。总体而言，直接法使用的仪器结构比较复杂，对实验室环境条件要求较高，且其标准化工作也相对滞后。我国在1990年曾发布过国家标准GB12206“城市燃气热值测定方法”，主要介绍了水流式燃气热量计。此标准于2006年修订后更名为“城镇燃气热值和相对密度测定”（GB/T12206）。但由于此标准的规定并非完全针对天然气，且水流式热量计的准确度较差，在常规实验室条件下扩展的不规定度(U)仅为1%(k=2)，不能满足GB/T18603“天然气计量系统技术要求”对发热量测定的准确度要求。

根据国际标准ISO15971“天然气发热量和沃泊指数的测定”的规定，直接法测定仪器中的0级热量计可以最终溯源至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。

为加速天然气计量技术全面与国际接轨的步伐，我国于2009年初发布了国家标准 “天然气能量的测定”（GB/T 22723-2008），目前很多进口LNG的单位已经采用能量计量方式进行结算。同时，天然气能量计量重点实验室正在大力开发关键技术之一就是发热量直接测定的基准装置。

自2007年7月1日起根据欧盟解除管制法令，全面开放天然气市场以来，各种不同来源的天然气（包括液化天然气，LNG）分别从70多个交接点进入欧盟国家的输气管道网络，导致其商品天然气组成经常可能发生大幅度变化，现行的气相色谱分析间接测定发热量的结果需要进一步加以校准，而此类校准的基础即为发热量直接测定。

另一方面，目前应用于GB/T11062（ISO6976）中的各种烃类发热量（基础）数据都是在1930年代和1970年代测定。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1990年代末国际标准化组织天然气技术委员会（ISO/TC193）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其基准装置的建设重新受到国内外普遍重视。

2019年5月国家发展和改革委员会等四部委联合发布了“油气管网设施公平开放监管办法”，要求在该办法实施之日起，两年之内建立天然气能量计量体系。笔者认为：参照国外有关发展经验，要完成上述任务，除了如GB/T22723之类的管理型标准外，至少应转化并大力宣贯如表3所示一系列关键的ISO技术文件，才能全面指导我国能量计量领域的技术进步。

表1 国外商品天然气高位发热量典型值（MJ/m3）*

表2 各国规定的燃烧和计量参比条件

表3 有关天然气发热量测定的关键ISO文件