綜述了基準氣體熱量計的研究進展。在天然氣能量計量溯源體系中，基準熱量計主要用于測量純氣體熱值，為根據(jù)組成計算天然氣熱值提供基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)熱值結(jié)果的量值溯源；也用于測量混合氣熱值和用于其他熱值方法的校準或驗證。目前，基準氣體熱量計在測量CH4之外的純氣體熱值和混合氣熱值等方面，仍然亟待深入研究。

1、天然氣能量計量的量值溯源體系

天然氣的能量計量代替體積計量是國際發(fā)展趨勢。國際標準ISO15112-2011《天然氣-能量測定》規(guī)定了天然氣能量計量的技術路線和量值溯源體系，我國修改采用了該標準，制定了國家標準GB/T22723-2008《天然氣能量的測定》，并在我國逐步推廣實施能量計量。能量計量中應用Z廣泛的方式是采用在線氣相色譜測量天然氣的組成，通過計算得到單位體積內(nèi)的天然氣熱值，同時用流量計測量天然氣流量；兩者的乘積得到單位時間內(nèi)通過管線的天然氣的總熱值；Z終通過積分得到一段時間內(nèi)通過管線的天然氣總的能量值。

可見，天然氣能量計量的兩個主要待測參數(shù)分別是:天然氣組成和流量。天然氣的組成通過氣相色譜測定，氣相色譜通過有證標準物質(zhì)校準。通常，氣相色譜測量天然氣組成的不確定度約為0.6%。天然氣流量通過氣體流量計測定，流量計通過流量計量標準裝置校準。通常，流量測量的不確定度約為0.8%。因此，通過組成和流量合成得到的天然氣熱值，其總的不確定度約為1%。

除了在線氣相色譜法，連續(xù)燃燒的熱量計也可以在線測量天然氣熱值。Culter-Hammer熱量計連續(xù)測量天然氣熱值，其不確定度約為0.2%～0.3%；水流式熱量計的不確定度約為1.0%。由于安裝和使用不便，連續(xù)燃燒的熱量計已很少用于天然氣在線能量計量。Culter-Hammer熱量計的準確度較高，可用于檢驗在線氣相色譜測量方法，以及驗證氣體標準物質(zhì)，仍有一定應用價值。

2、基準氣體熱量計的意義

基準氣體熱量計是指具有Zgao準確度等級的氣體熱值測定裝置，一般具有如下特點:首先，采用熱量計測量氣體燃燒釋放出的熱量；其次，能夠直接測量氣體熱值，熱值能夠溯源到國際單位(SI)單位上，不需要其他已知熱值的氣體來校準儀器；Z后，具有Zgao準確度等級。

基準氣體熱量計在天然氣能量計量中的主要作用是:

首先，測定純氣體熱值，為通過天然氣組成計算熱值提供基礎數(shù)據(jù)。目前，構(gòu)成天然氣主要組分純氣體熱值的不確定度約為0.15%。近年來，德國聯(lián)邦物理研究院(PTB)和法國國家實驗室(LNE)研制的基準氣體熱量計測量CH4熱值的不確定度可以達到0.05%。

其次，測定混合氣(天然氣)的熱值，用于驗證根據(jù)組成計算混合氣熱值的計算方法?；鶞蕷怏w熱量計提供可靠的熱值測量值，通過與計算值相比較，從而改進天然氣熱值計算方法。

Z后，驗證氣體成分標準物質(zhì)的定值結(jié)果。氣體成分標準物質(zhì)通常用重量法配制。如果標準物質(zhì)中含有高沸點的長鏈烴，配制值的不確定度較大。因此，可以用基準氣體熱量計測量其熱值，間接驗證配制值是否準確。

3、基準氣體熱量計的發(fā)展

基準氣體熱量計的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩個階段:

(1)diyi階段:20世紀30年代，美國國家標準局(NBS，美國國家標準與技術研究院(NIST)的前身)的Rossini建立了電能標定的等溫式熱量計用于測量純氣體熱值。該裝置采用等溫式熱量計測量氣體熱值，通過電能標定的方式將熱值溯源到溫度、質(zhì)量、電流和時間等SI單位上。燃氣在玻璃燃燒器內(nèi)燃燒，燃氣質(zhì)量通過稱量生成的水的質(zhì)量而得到。

20世紀70年代，英國曼徹斯特大學以Rossini熱量計為基礎，建立了純氣體熱值測量裝置，測定并發(fā)表了純氣體熱值數(shù)據(jù)。NBS和曼徹斯特大學的兩套數(shù)據(jù)的偏差小于0.017%。ISO6976-2005《天然氣熱值、密度和相對密度及化合物沃泊指數(shù)的計算》采用了兩套數(shù)據(jù)的平均值作為國際標準值，并沿用至今，一般認為這套數(shù)據(jù)的不確定度(CH4熱值)為0.15%。

以后的基準氣體熱量計大多數(shù)以Rossini熱量計為基礎加以改進形成。Rossini熱量計是一種離線間歇式測量的方法，其主要優(yōu)勢在于以水為吸熱介質(zhì)的等溫型熱量計，具有穩(wěn)定的熱容量，因此測量結(jié)果重復性高。另外，應用替代法原理，用電能加熱的方式標定儀器熱容量，可以方便地實現(xiàn)熱值的量值溯源。Rossini熱量計的主要問題在于氣體尾氣不完全燃燒的產(chǎn)物組成缺乏準確定量，氣體質(zhì)量測量的準確性有待提高。

(2)第二階段:2002年以來，PTB、LNE和歐洲一些天然氣公司聯(lián)合開展基準氣體熱量計研究，共24人參與，經(jīng)費500萬歐元，已持續(xù)近10年。裝置仍然以Rossini熱量計為基礎，即采用等溫型熱量計原理和電能標定。PTB和LNE各研制一套基準熱量計，兩者基本原理和結(jié)構(gòu)相同，具體細節(jié)略有差別。

與NBS的Rossini熱量計相比，PTB等熱量計采用高精度天平直接稱量氣體質(zhì)量；測定燃燒產(chǎn)物的組成，以修正氣體熱值結(jié)果。據(jù)報道，氣體熱量計測量CH4氣體熱值不確定度約為0.05%。目前，該工作仍在進行中，乙烷等其他純氣體熱值的結(jié)果尚未報道，也未用于混合氣的熱值測定。PTB等熱量計的主要問題可能有:測量CH4之外的純氣體或混合氣熱值時，產(chǎn)物組成復雜，難于準確定量，影響結(jié)果準確性。

測量結(jié)果不確定度評定還不盡科學合理，有待深入研究，以便獲得廣泛認可。由于天然氣中大部分可燃組分都是CH4，因此從純氣體熱值定值角度看，PTB等工作已滿足工業(yè)領域的主要需求。值得一提的是，PTB的CH4熱值數(shù)據(jù)(890.578kJ/mol)與ISO6976-2005的標準值(890.63kJ/mol)差別極小，僅為0.006%。因此，新的實驗結(jié)果對ISO6976的直接影響很小。

此外，俄羅斯計量院和韓國一些研究單位也開展了基準氣體熱量計的研究，但技術水平不如PTB等單位。

4、我國基準氣體熱量計研究進展

ZG計量科學研究院于20世紀80年代借鑒Rossini的方法，建立了氧彈熱量計測量純CH4熱值的實驗裝置，2009年復建該裝置。該裝置采用商用氧彈熱量計測量CH4氣體熱值，熱量計的熱容量采用苯甲酸熱值標準物質(zhì)校準，因此氣體熱值通過標準物質(zhì)溯源到SI單位。測量CH4氣體熱值的不確定度約為0.6%。由于原理的局限，該裝置的不確定度水平大幅度提高的余地有限。

2012年，參考PTB等單位的工作，開始研制基準氣體熱量計，即具有電能標定實現(xiàn)量值溯源、高準確度測量氣體質(zhì)量以及準確分析產(chǎn)物組成等重要技術特征的高準確度氣體熱量計。研究計劃采用兩步走的策略:

diyi步，從2012年到2014年，建立高準確度氣體熱量計，并用于測定CH4、氫氣、乙烷和丙烷等幾種純氣體熱值，預期不確定度為0.2%。

第二步，從2015年到2016年，改進上述氣體熱量計，實現(xiàn)純氣體熱值測量不確定度0.05%，混合氣熱值測量不確定度0.10%～0.15%，并申報國家計量基準。

5、結(jié)語

基準氣體熱量計在天然氣能量計量溯源體系中，用于測定純氣體熱值，提供高準確度基礎數(shù)據(jù)，還用于測定混合氣熱值，驗證氣相色譜法，具有一定的意義。我國應加強國內(nèi)和國外技術機構(gòu)的合作，加快推進基準氣體熱量計的研制，從源頭上提高天然氣能量計量準確度，支撐天然氣能量計量。