JJF(冀) 207-2023 天然气热值仪校准规范.docx

河 北 省 地 方 计 量 技 术 规 范JJF（冀） 2072023天然气热值仪校准规范Calibration Specification for Natural Gas Calorific Value Meter2023-02-23 发布2023-05-01 实施发 布JJF（冀） 2072023目录引言 .II1范围 . 12引用文件 . 13术语和计量单位 . 13.1术语 . 13.2计量单位 . 24概述 . 25计量特性 . 35.1示值误差 . 35.2重复性 . 36校准条件 . 36.1环境条件 . 36.2测量标准及其他设备 . 37校准项目和校准方法 . 47.1校准项目 . 47.2校准方法 . 48校准结果 . 79复校时间间隔 . 7附录 A原始记录参考格式 . 8附录 B不确定度评定示例 . 10附录 C校准证书内页参考格式 . 15附加说明 . 16IJJF（冀） 2072023引言本规范依据 JJF 1071国家计量校准规范编写规则编写。参考 GB/T 18603天然气计量系统技术要求、GB/T 28766-2018天然气分析系统性能评价和 GB/T 11062-2020天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法，结合我国天然气热值仪的技术水平及行业现状编制。本规范不涉及与其应用有关的所有安全问题。本规范为首次制订。IIJJF（冀） 2072023天然气热值仪校准规范1范围本规范适用于天然气热值仪（以下简称热值仪）的校准，适用的天然气类别主要为 GB/T 13611-2018 中规定的 10T 和 12T。其他类别天然气可以参考本规范。2引用文件本规范引用了下列文件：JJF 1001 通用计量术语及定义JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示JJF 1993-2022 天然气能量计量技术规范GB/T 11062-2020 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法GB/T 13611-2018 城镇燃气分类和基本特性GB/T 18603 天然气计量系统技术要求GB/T 22723-2008 天然气能量的测定GB/T 28766-2018 天然气分析系统性能评价GB/T 41248-2022 燃气计量系统ISO 19229:2019 气体分析-纯度分析及纯度数据的处理（Gas analysis- Purityanalysis and the treatment of purity data）凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本规范。3术语和计量单位3.1术语3.1.1 干基 dry basis含水蒸气物质的量分数不大于 0.000 05 的天然气，其热值计算时，水的含量设定为零。3.1.2 燃烧参比条件combustion reference conditions天然气燃烧时规定的温度 t1、压力 p1 和含水状态，本规范使用的燃烧参比条件为 20、101.325 kPa、干基。1JJF（冀） 20720233.1.3 计量参比条件 metering reference conditions在测定被燃烧掉天然气的体积时规定的温度 t2 和压力 p2，本规范使用的计量参比条件为 20、101.325 kPa。3.1.4 热值 calorific value单位体积的天然气在空气中完全燃烧所释放的热量。发生燃烧反应时，压力 p1 保持恒定，且所有燃烧产物都冷却到燃烧前的起始温度 t1，除了凝结水，所有其他产物都处于气体状态，也称作“体积发热量”。3.1.5 天然气热值仪 natural gas calorific value meter测量并显示天然气热值的仪器。3.1.6 热值测量范围 calorific value range符合热值仪计量性能要求的最大热值和最小热值所限定的范围。3.1.7 热值仪系数calorific value factor与热值测量有关，为修正仪器测量误差而设定的值。3.1.8 标准气体 reference gas附有权威机构发布证书的标准气混合物，其一个或多个特性值用计量学有效方法确定，并在证书中说明特性值的不确定度及其计量溯源性。3.2计量单位3.2.1热值单位：焦耳每立方米，符号 J/m3；或兆焦每立方米，符号 MJ/m3。3.2.2体积单位：立方米，符号 m3；或升，符号 L。3.2.3流量单位：立方米每分钟，符号 m3/min；或立方米每小时，符号 m3/h；或升每分钟，符号 L/min。3.2.4压力单位：帕（斯卡），符号 Pa；或千帕，符号 kPa。3.2.5温度单位：摄氏度，符号；或热力学温度，符号 K。3.2.6时间单位：秒，符号 s；或分钟，符号 min；或小时，符号 h。4概述热值仪主要由检测模块、主控模块、通信模块和显示器（或软件）等组成，其原理是利用气体成分分析法、天然气的一个或多个特性值与热值的关系等得到天然气热值。主要用于测量 10T 和 12T 天然气的热值，应用于天然气贸易结算、质量管理和工业控制等场合。2序号设备名称技术要求用途1置换气体纯度不低于 99.99% 的氮气或惰性气体气路介质置换2减压器（含压力表）压力表准确度等级减小气瓶压力（适用时）准确度等级0.51.01.52.0最大允许误差±0.5%±1.0%±1.5%±2.0%JJF（冀） 20720235计量特性5.1示值误差热值仪的准确度等级及其最大允许误差对应关系见表 1。表 1准确度等级及最大允许误差5.2重复性热值仪的重复性一般不超过最大允许误差绝对值的 1/2。注：以上指标不适用于合格性判定，仅供参考。6校准条件6.1环境条件6.1.1环境温度：（540）；6.1.2相对湿度：80%；6.1.3大气压：一般为（86106）kPa；6.1.4无明显的机械振动、无较强的电磁干扰；6.1.5环境条件应该保证通风良好。6.2测量标准及其他设备6.2.1测量标准测量标准即标准气体，其理论热值的扩展不确定度应优于被校热值仪的最大允许误差绝对值的 1/3，证书在有效期内，并且标准气体的成分及理论热值应符合被校准热值仪的适用条件（可参考被校热值仪使用说明书或其他技术说明文件）。6.2.2其他设备其他设备应满足表 2 的要求，且应具有有效的检定或校准证书。表 2其他设备3不低于 2.5 级3流量调节器（含流量计）流量计准确度等级不低于 1.5 级调节气路流量（适用时）4压力调节器（含压力表）压力表准确度等级不低于 0.2 级调节气路压力（适用时）序号校准项目1示值误差2重复性3热值仪系数（如适用）JJF（冀）  20720237校准项目和校准方法7.1校准项目校准项目见表 3。表 3校准项目一览表7.2校准方法7.2.1校准前的检查热值仪外表面应光洁，不得有毛刺、划痕和开裂等缺陷。显示器显示清晰，无笔划残缺或显示闪烁的现象。热值仪的各连接端应牢固可靠，线缆表面应完好，无破裂、压痕。7.2.2示值误差及重复性校准7.2.2.1校准前的准备校准前将被校热值仪、标准气体和其他设备放置在同一个校准环境内，按照被校热值仪说明书进行校准前的准备工作，如对热值仪通电预热等。7.2.2.2管路连接校准时管路连接按照图 1 所示或按照被校热值仪说明书提供的方式。在校准压力下，试验管路的各连接处应连接可靠、无泄漏。4JJF（冀） 2072023图 1 典型管路连接示意图7.2.2.3校准热值点及校准次数校准时一般选取 37 MJ/m3、34 MJ/m3、31 MJ/m3 三个热值点，标准气体的理论热值不超过热值点的±5%。每个热值点至少校准 3 次。7.2.2.4校准操作校准时，将热值仪通电预热稳定后，打开置换气体的阀门，调节热值仪的流量和压力到规定的范围之内，给热值仪通入足够量的置换气体后关闭置换气体的阀门，打开标准气体的阀门，调节流量和压力到规定的范围之内，通入足够量的标准气体，待热值仪示值稳定后记录数据，每个校准点至少重复测量 3次。按照上述步骤更换不同的标准气体后校准其他热值点。7.2.3标准气体理论热值计算标准气体的理论热值依据 GB/T 11062-2020 计算。可以使用河北省天然气热值仪校准规范标准气体理论热值计算工具（见附加说明）进行检查。7.2.4示值误差和重复性计算各热值点的示值误差为多次独立测量相对示值误差的算术平均值。单次测量的示值误差按公式（1）计算：Eij =        ´100%(Hm )ij  (Hs )i(Hs )i式中：Eij 第 i 个热值点第 j 次校准时被校热值仪的相对示值误差，%；(1)5n345dn1.692.062.33JJF（冀） 2072023(Hm )ij 第 i 个热值点第 j 次校准时被校热值仪的示值，MJ/m3；(Hs )i 第 i 个热值点通入被校热值仪的标准气体的理论热值，MJ/m3；第 i 个热值点的平均示值误差按公式（2）计算：Ei =   å EijEri = íï1ï   n 1 å1=j1nn j=1式中：Ei 第 i 个热值点的平均示值误差，%；第 i 个热值点的重复性按公式（3）计算：ì Ei,max  Ei,minïïdnn(Eij  Ei )2î,3 £ n < 6, n ³ 6（2）（3）式中：Eri 第 i 个热值点的重复性，%；Ei,max 第 i 个热值点示值误差的最大值，%；Ei,min 第 i 个热值点示值误差的最小值，%；dn 极差系数。极差系数 dn 见表 4。表 4极差系数表7.2.5热值仪系数修正（如适用）热值仪系数修正一般采用以下方法：当热值仪在热值范围内仅有一个热值仪系数时，一般选取 34 MJ/m3 热值点进行校准，校准后热值仪系数通常按公式（4）计算（也可参考被校热值仪使用说明书或其他技术说明文件）。K =   ´ K 'HsHm（4）6JJF（冀） 2072023式中：Hs 通入被校热值仪的标准气体的理论热值，MJ/m3；Hm 被校热值仪的示值，MJ/m3；K ' 校准前热值仪系数；K 校准后热值仪系数。当被校热值点均有对应的热值仪系数时，需按公式（4）对每个热值点修正热值仪系数。热值仪系数修正后，需按 7.2.27.2.4 再次校准，并将新的示值误差和重复性作为校准结果。热值仪系数修正后应加贴计量封印，以防使用不当导致数据发生变化。8校准结果校准完成后按照本规范出具相应的校准证书。校准过程原始记录见附录 A。示值误差不确定度评估方法见附录 B。校准证书内页信息见附录 C。9复校时间间隔复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等因素所决定，送校单位可根据实际情况自主决定复校时间间隔，推荐复校时间间隔为（12）年。7标准气体编号证书编号组分名称摩尔分数(%)摩尔分数相对扩展不确定度(%)(k=2)3理论热值(MJ/m )理论热值相对扩展不确定度(%)(k=2)有效期至JJF（冀） 2072023附录 A原始记录参考格式一、仪器信息器具名称_热值范围_型号规格_出厂编号_制造单位_委托单位_校准证书号_二、校准条件环境温度_大气压力_kPa相对湿度_%置换介质_校准地点_ 校准依据_三、测量标准信息8校准点3（MJ/m ）校准次数热值仪示值（Hm）ij3（MJ/m ）热值仪平均示值（Hm）i3（MJ/m ）标准气体理论热值3（Hs）i（MJ/m ）单次测量示值误差Eij(%)平均示值误差Ei(%）重复性Eri(%)示值误差扩展不确定度 U (%)(k=2)校准前热值仪系数𝐾校准后热值仪系数𝐾371233412331123JJF（冀） 2072023四、校准前检查检查结果：五、校准结果注：气体压力：_kPa           气体流量：_L/min校准日期：_校准员：_核验员：_9标准气体名称甲烷中乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、正己烷、二氧化碳、氮气标准气体组分名称摩尔分数（mol/mol）摩尔分数相对扩展不确定度（k=2）甲烷乙烷丙烷正丁烷异丁烷正戊烷异戊烷新戊烷正己烷二氧化碳氮气平衡气0.5%0.1%0.01%0.01%0.01%0.01%0.01%0.085%1.06%8.1%平衡气1%1%1.5%1.5%1.5%1.5%1.5%1.5%1%1.5%JJF（冀） 2072023附录 B不确定度评定示例B.1概述B.1.1 被校仪表被校热值仪测量范围为（2555）MJ/m3，准确度等级为 1.5 级，根据本规范的校准方法，以 34 MJ/m3 热值点为例，对热值仪示值误差和重复性进行校准。B.1.2 测量标准测量标准见表 B.1 所示。表 B.1测量标准根据 GB/T 11062-2020，计算混合气体的理论热值及其相对扩展不确定度需要已知混合气体各组分的摩尔分数及其标准不确定度。B.1.2.2 标准气体各组分的摩尔分数及其标准不确定度计算本校准过程使用的标准气体为二级标准物质，如表 B.1 所示，除甲烷外，其它各组分的摩尔分数及相对扩展不确定度均已给出，甲烷为平衡气，其摩尔分数𝑥1根据质量平衡原理，由公式（B.1）求得，x1 = 100%  å xini=2式中： xi 第 i 个气体成分的摩尔分数，%；（B.1）10标准气体名称甲烷中乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷、正己烷、二氧化碳、氮气标准气体组分名称摩尔分数 xi （mol/mol）摩尔分数标准不确定度 u(xi ) （mol/mol）甲烷乙烷丙烷正丁烷异丁烷正戊烷异戊烷新戊烷正己烷二氧化碳氮气90.105%0.5%0.1%0.01%0.01%0.01%0.01%0.01%0.085%1.06%8.1%0.0006100.0000250.0000050.000000750.000000750.000000750.000000750.000000750.0000063750.0000530.0006075甲烷摩尔分数𝑥1的标准不确定度𝑢(𝑥1)计算如公式（B.2）所示，u(x1) =   åuni=22(xi )（B.2）标准气体每个组分的摩尔分数的标准不确定度 u(xi ) 计算如公式（B.3）所示，u(xi ) =    ´ xiUr ( xi )k（B.3）由此可得标准气体各组分摩尔分数及其标准不确定度，计算结果如表 B.2 所示。表 B.2标准气体各组分摩尔分数及其标准不确定度B.1.2.3 标准气体理论热值及其相对标准不确定度计算根据 GB/T 11062-2020，标准气体理论热值计算的具体方法是：首先根据气体混合物中各组分的摩尔分数（表 B.2 的数据）对混合物中所有组分的理想气体摩尔发热量（GB/T11062-2020 表 3）进行加权，然后将所有项相加求得理想状态气体混合物的摩尔发热量，再进一步将其转化为以体积为基准的理想气体发热量，最后根据体积校正因子将以体积为基准的理想气体发热量转化为真实气体的体积发热量。其不确定度计算公式见 GB/T 11062-2020 附录 B 所示，计算过程参考 GB/T 11062-2020 附录 D，经河北省天然气热值仪校准规范标准气体理论热值计算工具检查，得出标准气体的理论热值𝐻s=34.069 MJ/m³，相对扩展不确定度𝑈r(𝐻s)=0.140%，k=2。11序号设备名称技术参数测量范围1氮气纯度 99.99%/2减压器（含压力表）压力表 1.6 级输入压力（010）MPa输出压力（00.4）MPa3流量调节器（含流量计）流量计 1.5 级（166）L/min4压力调节器（含压力表）压力变送器 0.1 级（025）kPa次数（n）123456标准气体理论热值3（MJ/m ）34.069热值仪示值3（MJ/m ）34.29034.35534.30434.32134.31434.369JJF（冀） 2072023B.1.3 其他设备表 B.3其他设备B.1.4  测量结果使用理论热值为 34.069 MJ/m³的标准气体对热值仪进行 6 次重复性测量，得到被校热值仪的示值，见表 B.4 所示。表 B.4热值仪示值测量结果Hm  HsB.2 热值仪示值误差测量模型B.2.1 数学公式单次测量示值误差的计算如公式（B.4）所示：E =  ´100%Hs（B.4）式中：E 被校热值仪相对示值误差，%；Hm 被校热值仪的示值，MJ/m3；Hs 标准气体理论热值，MJ/m3。注：被校热值仪的示值和标准气体的理论热值均为计量参比条件下的热值。B.2.2 不确定度传播律对（B.4）式求合成标准不确定度：12uc (E) =   éëcHm ´ u(Hm )ùû  + éëcHs ´ u(Hs )ùû         （B.5）22¶E1¶EHmcHm =¶Hm HscHs =s¶Hs H 2（B.6）uc (E) =êùé Hmùé 1ë Hs2´ u(Hm )ú + ê 2 ´ u(Hs )úû ë Hs û2é Hmu(Hm ) ùé Hmu(Hs ) ù2=ê´ú + ê´úë HsHm ûë HsHs û2（B.7）éu(Hs ) ùéu(Hm ) ù= E +1   ur (Hm ) + ur (Hs )2=ê(E +1) ´ú + ê(E +1) ´úëHm ûëHs û222B.2.3 不确定度来源分析根据公式（B.7）可知，示值误差不确定度包括：（1）被校热值仪示值引入的相对标准不确定度，为 A 类不确定度；（2）标准气体理论热值引入的相对标准不确定度，为 B 类不确定度。B.3不确定度评定B.3.1 被校热值仪示值引入的相对标准不确定度 ur (Hm )被校热值仪示值引入的相对标准不确定度影响量包括测量重复性和分辨力。B.3.1.1 测量重复性引入的相对标准不确定度𝑢r1(𝐻m)根据公式（B.4）计算 6 次重复测量的示值误差，分别为：0.65%、0.84%、0.69%、0.74%、0.72%、0.88%。根据 7.2.4 公式（2）和公式（3）分别计算示值误差的平均值及重复性：å E j = 0.753%E =1 66 j=1（B.8）å (E j  E)2 = 0.0889%Er =1 65 j=1（B.9）实际校准时取 3 次误差平均值作为该热值点的示值误差，则由热值仪测量重复性引入的标准不确定度为：13序号符号不确定度来源分布相对标准不确定度1ur (Hm )测量重复性/0.0513%2ur (Hs )标准气体理论热值正态分布0.070%ur1m ) =  = 0.0513%ErJJF（冀） 2072023(H3（B.10）B.3.1.1 分辨力引入的相对标准不确定度𝑢r2(𝐻m)热值仪的分辨力为 0.001 MJ/m³，由分辨力引入的相对标准不确定度远小于由测量重复性引入的相对标准不确定度，可忽略不计。因此，由热值仪示值引入的相对标准不确定度即为由重复性引入的相对标准不确定度，所以 ur (Hm ) = ur1(Hm ) = 0.0513% 。B.3.2 由标准气体理论热值引入的相对标准不确定度分量 ur (Hs )由 B.1.2.3 知𝑈r(𝐻s)= 0.140%，k=2，按正态分布，则：urs ) =    = 0.070%Ur (Hs )0.140%(Hk2B.3.3 相对标准不确定度分量汇总表热值仪相对标准不确定度分量汇总如表 B.5 所示。表 B.5相对标准不确定度分量汇总表（B.11）B.3.4  合成标准不确定度合成标准不确定度按公式（B.7）计算：rruc (E) = E +1 u2 (Hm ) + u2 (Hs ) = (0.753% +1) 0.0513%2 + 0.070%2 = 0.0877%B.3.5 扩展不确定度被校热值仪示值误差的扩展不确定度计算（取 k=2）：𝑈(𝐸) = 𝑘𝑢c(𝐸)= 2×0.0877%=0.18%B.4报告测量结果被校热值仪在 34 MJ/m3 校准点的测量结果为：示值误差 E=0.75%；重复性 Er=0.09%；扩展不确定度U (E) =0.18%，k=2。14证书编号：环境条件及地点温度校准地点相对湿度大气压力kPa校准依据：测量标准：标准气体标准气体编号证书编号组分名称摩尔分数(%)摩尔分数相对扩展不确定度(%)(k=2)理论热值3(MJ/m )理论热值相对扩展不确定度(%)(k=2)有效期至校准结果校准点3（MJ/m ）热值仪平均示值3（MJ/m ）标准气体理论热值3（MJ/m ）平均示值误差（%）重复性（%）示值误差扩展不确定度 U(k=2)校准前仪表系数𝐾校准后仪表系数𝐾附录 C校准证书内页参考格式下次送校请带此证书。15JJF（冀） 2072023附加说明为便于计算标准气体的理论热值，本规范依据 GB/T 11062-2020 编制了河北省天然气热值仪校准规范标准气体理论热值计算工具，可发送电子邮件索取，邮箱地址：HebeiNGCVM。16JJF(冀)2072023