一种天然气组分检测设备性能评价方法及装置与流程

1.本发明属于天然气组分检测技术领域，具体涉及一种天然气组分检测设备性能评价方法及装置。


背景技术：

2.按照国家发改委、能源局等四部门联合发布的《油气管网设施公平开放监管办法》文件要求，我国国内天然气贸易应在2021年5月前转变为能量计量、计价和结算模式。在能量计量模式下，天然气组成测定结果的准确性将直接影响到发热量计算结果的准确性，对贸易结算能量值产生重要的影响，从而直接影响贸易双方的经济利益。因此，如何确保计量站现场安装的在线气相色谱仪能够给出准确可靠的测量结果，是当前迫切需要解决的重要问题。
3.国内天然气计量站现场天然气单位发热量的获取方式主要仍是用气相色谱仪检测天然气的组成，然后根据gb/t 11062(iso 6976)计算发热量、压缩因子、密度等物性参数。在能量计量方式实施后，天然气组成对发热量和结算用能量值的影响在天然气贸易中的重要性显著增加，贸易双方应按照标准对管理的在线气相色谱仪进行评价，对其检测数据的准确性进行定量分析。但是，针对主要由气相色谱仪构成的天然气分析系统的性能，目前还没有统一、有效的评价方法。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种天然气组分检测设备性能评价方法及装置。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供一种天然气组分检测设备性能评价方法，包括以下步骤：
7.基于待评价设备中通入标准气的测试结果拟合以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的评价响应函数；
8.确定待评价设备的设备响应函数，所述设备响应函数是以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的正比例函数；
9.将组分浓度设定值x代入评价响应函数得到设备响应值y，再将y代入设备响应函数的反函数得到组分浓度测量值x；基于x与x的误差对待评价设备进行性能评价。
10.进一步地，所述标准气按照gb/t 28766-2018中的要求进行制备，若待拟合评价响应函数为三次曲线，至少配备7瓶标准气；若为二次曲线，至少配备5瓶标准气；若为一次曲线，至少配备3瓶标准气。
11.进一步地，在待评价设备对标准气进行测试前进行如下校准步骤：测试只有载气通入待评价设备时的设备响应值，如果所述设备响应值不为0，通过调整待评价设备使所述设备响应值为0。
12.进一步地，利用广义最小二乘法进行多点拟合得到评价响应函数。
13.进一步地，所述评价响应函数为三次曲线。
14.进一步地，所述设备响应函数为y＝kx，k为所述评价响应函数三次曲线的一次项系数。
15.进一步地，基于待评价设备中通入标准气的测试结果进行单点拟合，得到设备响应函数。
16.进一步地，所述方法还包括：分别针对x、x对应的气体组成计算气体的高位体积发热量，得到两组数据，基于所述两组数据的误差大小对待评价设备进行性能评价。
17.进一步地，所述方法还包括：基于x与x的误差大小进行打分，得到待评价设备性能的定量评价。
18.第二方面，本发明提供一种天然气组分检测设备性能评价装置，包括：
19.第一函数确定模块，用于基于待评价设备中通入标准气的测试结果拟合以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的评价响应函数；
20.第二函数确定模块，用于确定待评价设备的设备响应函数，所述设备响应函数是以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的正比例函数；
21.性能评价模块，用于将组分浓度设定值x代入评价响应函数得到设备响应值y，再将y代入设备响应函数的反函数得到组分浓度测量值x；基于x与x的误差对待评价设备进行性能评价。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
23.本发明通过基于待评价设备中通入标准气的测试结果拟合评价响应函数，确定待评价设备的设备响应函数，并基于评价响应函数和设备响应函数计算设定的组分浓度真实值对应的待评价设备输出的组分浓度测量值，根据所述真实值和测量值的误差大小对待评价设备进行性能评价，实现了对天然气检测设备性能的自动评价。本发明还可以通过计算天然气的高位体积发热量进行性能评价；本发明还可以基于所述误差进行打分，实现对天然气检测设备性能的定量评价。
附图说明
24.图1为本发明实施例一种天然气组分检测设备性能评价方法的流程图。
25.图2为多点响应函数的示意图，横轴为设备响应值，纵轴为组分含量的摩尔分数。
26.图3为某气相色谱仪检测载气时某些组分的真实响应函数示意图。
27.图4为本发明实施例一种天然气组分检测设备性能评价装置的方框图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.图1为本发明实施例一种天然气组分检测设备性能评价方法的流程图，包括以下步骤：
30.步骤101，基于待评价设备中通入标准气的测试结果拟合以组分浓度为自变量、以
设备响应值为因变量的评价响应函数；
31.步骤102，确定待评价设备的设备响应函数，所述设备响应函数是以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的正比例函数；
32.步骤103，将组分浓度设定值x代入评价响应函数得到设备响应值y，再将y代入设备响应函数的反函数得到组分浓度测量值x；基于x与x的误差对待评价设备进行性能评价。
33.本实施例提供一种天然气组分检测设备性能评价方法。所述天然气组分检测设备主要是指气相色谱仪等，又常称为天然气分析系统。在未来能量计量的情况下，准确地评价气相在线色谱仪的性能对天然气贸易公平有着重要的意义。天然气分析系统性能评价虽然有gb/t 28766-2018《天然气分析系统性能评价》作为指导，但并未纳入强制性要求。因此，天然气分析性能评价并未引起燃气企业的重视，目前还没有统一、有效的评价方法。为此，本实施例提出一种天然气组分检测设备性能评价方法，通过确定待评价设备的评价响应函数和设备响应函数，计算设定的组分浓度对应的设备响应函数输出的组分浓度测量值，然后根据所述设定值和测量值的误差大小，对待评价设备进行性能评价。
34.本实施例中，步骤101主要用于拟合待评价设备的评价响应函数。本实施例的评价响应函数(包括后面的设备响应函数)是以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的函数。评价响应函数通过对标准气通入待评价设备得到的测试结果(即组分浓度和与组分浓度对应的设备响应值)进行拟合得到的。由于本实施例的评价响应函数是利用标准气试验得到的数据拟合而成的，因此，本实施例的评价响应函数是一个精度很高的函数，相当于模拟一个精度很高的标准仪器的响应函数，专门用于对其它设备进行性能评价。为了获得高精度的评价响应函数，除了按要求配制高质量的标准气体外，基于测试结果的拟合算法的选取、数据点数的选取，以及拟合曲线的选取也很重要。设备响应值与组分浓度近似正比关系，因此一般情况下进行线性拟合即可满足要求。最简单的情况是单点拟合，得到的是一个过原点的正比例函数曲线。单点拟合的优点是需要的标准气数量少，操作简便易行，只需一个数据点或只需制备一瓶标准气进行测试即可得到单点响应函数；其缺点是精度低。现行的色谱仪大多采用单点拟合的响应函数进行组分检测。为了获得高精度的评价响应函数，一般采用二次函数、三次函数或更高次函数，理论上次数越高拟合精度越高，但需要的数据点数或需要制备的标准气瓶数越多。
35.本实施例中，步骤102主要用于确定待评价设备的设备响应函数。色谱仪平时对气体进行组分测量时用到的就是设备响应函数，也就是根据设备响应函数求出注入气体时设备输出的响应值对应的组分浓度。因此，设备响应函数的精度高低决定了色谱仪性能的好坏。如前述，现行的色谱仪多采用单点响应函数对样品气体进行组分浓度测量，因此测量精度较低。本实施例实际上就是通过比较待评价设备的设备响应函数相对评价响应函数的误差对待评价设备进行性能评价。设备的响应函数一般归供应商所有，但供应商在出售设备时一般是不为用户提供所述设备响应函数的。因此，可以通过与供应商协商获得设备的响应函数，但难度较大。另外，我们可以通过利用设备日常测试的数据进行单点拟合获得设备响应函数。本实施例对设备响应函数的确定方法不做限定，后面的实施例将给出两种具体的确定方法。
36.本实施例中，步骤103主要用于对待评价设备进行性能评价。本实施例通过计算设定的组分浓度(真实值)对应的待评价设备输出的组分浓度(测量值)进行性能评价，其技术
原理是：先利用评价响应函数得到真实的组分浓度对应的真实的设备响应值；再利用设备响应函数获得真实的设备响应值对应的组分浓度，这个组分浓度就相当于待评价设备实际测得的气体的组分浓度即测量值。真实值与测量值的误差就反映了待评价设备的性能好坏。具体方法是：先将设定的组分浓度真实值x代入评价响应函数得到设备响应值y，然后再将y代入设备响应函数得到组分浓度测量值x。x与x的误差越小，则待评价设备的性能越好；误差越大，则性能越差。值得说明的是，这里的x、x并不是特指某一组分的浓度，而是指混合气体中所有组分的浓度。
37.作为一可选实施例，所述标准气按照gb/t 28766-2018中的要求进行制备，若待拟合多点分析函数为三次曲线，至少配备7瓶标准气；若为二次曲线，至少配备5瓶标准气；若为一次曲线，至少配备3瓶标准气。
38.本实施例给出了制备标准气的一种技术方案。本实施例按照gb/t28766-2018中的要求进行标准气制备。在首次评价时至少制备7瓶标准气。一般待拟合的分析函数/校准函数的精度要求越高，需要制备的标准气的瓶数越多，比如，待拟合分析函数/校准函数为一次曲线时至少配备3瓶，二次曲线时至少配备5瓶，三次曲线时至少配备7瓶。
39.作为一可选实施例，在待评价设备对标准气进行测试前进行如下校准步骤：测试只有载气通入待评价设备时的设备响应值，如果所述设备响应值不为0，通过调整待评价设备使所述设备响应值为0。
40.本实施例给出了通过空白试验在标准气测试前对待评价设备进行校准的一种技术方案。如前述，色谱仪的分析函数/校准函数应该是过原点的一条曲线(纵截距为0)，即组分浓度为0时设备响应值应为0。但当色谱仪运行一段时间后，纵截距会慢慢变得不再为0，即在没有样品进入系统的情况下，某些组分仍然有残留的设备响应值输出，如图3所示。n2残留可能是由空气中的n2混入校准气测试回路引起的；ch4残留出现的原因可能是样气进样系统与标准气标定系统之间隔离发生渗漏。如果不消除非0纵截距将在设备响应值和组分浓度关系中加进了一个固定的偏差。本实施例通过对待评价设备进行空白试验测出纵截距的大小，即只向待评价设备通入载气(一般为he气)，这时的设备响应值就是所述纵截距。通过多次空白试验得到所述纵截距的平均值，然后调整待评价设备使其为0。
41.作为一可选实施例，利用广义最小二乘法进行多点拟合得到评价响应函数。
42.本实施例给出了拟合评价响应函数的一种技术方案。本实施例采用广义最小二乘法(gls)，根据组分浓度对应的设备响应值拟合评价响应函数。经典最小二乘法的(ols)的估计量是无偏估计，其推导过程基于同方差假设进行。举个例子，用一把尺子量时，因为这把尺子的误差是固定的，所以每次量的方差都是一样的，所以协方差阵是对角阵，且对角线元素都是一样的(同一个尺子的方差)。而广义最小二乘法相当于用不同的尺子来测量，除了尺子误差不固定，每次测量的时候测量者的心情也会对这个误差造成影响，所以外部协方差不是对角阵。因此，经典最小二乘法可以看作是广义最小二乘法的一个特例。经典最小二乘法和广义最小二乘法都属于成熟的现有技术，这里不再给出具体的求解过程。
43.作为一可选实施例，所述评价响应函数为三次曲线。
44.本实施例对评价响应函数曲线进行了限定。为了提高评价响应函数的精度，本实施采用三次曲线作为评价响应函数。值得说明的是，本实施例只是给出一种较佳的实施方式，并不否定和排斥其它可行的实施方式。
45.作为一可选实施例，所述设备响应函数为y＝kx，k为所述评价响应函数三次曲线的一次项系数。
46.本实施例给出了确定设备响应函数的一种技术方案。由于设备响应函数是一个正比例函数y＝kx，因此可以利用拟合得到的评价响应函数(三次曲线)的一次项系数作为k的值。
47.作为一可选实施例，基于待评价设备中通入标准气的测试结果进行单点拟合，得到设备响应函数。
48.本实施例给出了确定设备响应函数的另一种技术方案。本实施例采用拟合方法得到设备响应函数，而且仍然采用拟合评价响应函数用到的标准气的测试结果进行拟合。与拟合评价响应函数所不同的是采用单点拟合获得设备响应函数，因此只需一个数据点即可得到设备响应函数y＝kx；当然也可以利用多个数据点的平均值进行拟合。
49.作为一可选实施例，其特征在于，所述方法还包括：分别针对x、x对应的气体组成计算气体的高位体积发热量，得到两组数据，基于所述两组数据的误差大小对待评价设备进行性能评价。
50.本实施例给出了对待评价设备进行性能评价的另一种技术方案。本实施例不再直接根据x、x的误差大小进行性能评价，而是根据x、x对应的高位体积发热量的误差大小对待评价设备进行性能评价，同样是误差越小，性能越好；误差越大，性能越差。按照国家发改委、能源局等四部门联合发布的《油气管网设施公平开放监管办法》文件要求，国内天然气贸易应转变为能量计量、计价和结算模式，所以天然气能量计量已成为天然气贸易计量的趋势。因此，本实施例利用高位体积发热量的误差进行性能评价，更具有实用价值，也更容易被业内人士接受。高位体积发热量可按照gb/t 11062中的方法进行计算，本实施对具体的计算方法不再详细介绍。
51.作为一可选实施例，所述方法还包括：基于x与x的误差大小进行打分，得到待评价设备性能的定量评价。
52.本实施例给出了对待评价设备进行定量性能评价的一种技术方案。前面的实施例只是基于相应的误差大小进行定性评价，本实施例通过对所述误差进行打分实现定量评价。可采用百分制，也可采用十分制。定量评价更直观，也更易于不同待评价设备之间的比较。
53.图4为本发明实施例一种天然气组分检测设备性能评价装置的组成示意图，所述装置包括：
54.第一函数确定模块11，用于基于待评价设备中通入标准气的测试结果拟合以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的评价响应函数；
55.第二函数确定模块12，用于确定待评价设备的设备响应函数，所述设备响应函数是以组分浓度为自变量、以设备响应值为因变量的正比例函数；
56.性能评价模块13，用于将组分浓度设定值x代入评价响应函数得到设备响应值y，再将y代入设备响应函数的反函数得到组分浓度测量值x；基于x与x的误差对待评价设备进行性能评价。
57.本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
58.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。