一种天然气分析系统性能评价方法与流程

1.本发明涉及天然气输配技术领域，具体涉及一种天然气分析系统性能评价方法。


背景技术：

2.目前，国家层面已经出台法律法规推进天然气能量计量的实施落地，例如国内天然气分析系统采用《天然气的组成分析气相色谱法》(gb/t 13610)进行线性、重复性和复现性检测。但天然气计量尚处于从体积计量向能量计量过度的关键时期。我国原本的天然气计量应用体积计量，经过数十年的发展，体积计量的技术成熟，相关的计量法规、标准、规范全面。从体积计量向能量计量过度的过程中，最重要的改变就是天然气热值的测量，需要应用到天然气分析系统，即天然气色谱仪，现有的《天然气的组成分析气相色谱法》(gb/t 13610)无法实现天然气分析系统全量程的性能评价，尤其涉及到公平、公开的贸易计量领域，无法确定天然气分析系统性能指标的精确度，
3.究其原因在于，目前能够针对天然气分析系统的性能进行评价的方法在国内是缺失的，相当于丧失了能量计量的公平性、公正性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种天然气分析系统性能评价方法，用以解决目前国内缺失能够针对天然气分析系统的性能进行评价的方法的问题。
5.本发明提供一种天然气分析系统性能评价方法，包括：
6.获得天然气分析系统的组分以及每种组分的发热量的最大允许误差和最大容许偏差；
7.根据所述天然气分析系统的组分，并通过均匀分布的原则确定标准气体混合物的组分及不确定度；
8.利用待评价的天然气分析系统对每组所述标准气体混合物的组分依次进行10次组分分析，记录峰面积原始数据；对峰面积原始数据进行漂移校正获得漂移校正后的峰面积；对所述漂移校正后的峰面积进行粗大误差剔除，获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积；
9.利用广义最小二乘法进行标准气体混合物的组分和所述漂移校正后的峰面积之间的回归分析，得到天然气分析系统的校准函数和每种组分的分析函数；
10.利用天然气分析系统的校准函数分别计算出10000组天然气混合物每种组分对应的峰面积，再利用分析函数计算每个峰面积的对应的组分，计算出每种组分的不确定度和发热量的不确定度；
11.判断待评价天然气分析系统评价结果是否合格，给出天然气分析系统的性能评价结论。
12.具体地，所述确定标准气体混合物的组分及不确定度包括以下步骤：
13.根据天然气分析系统的单质种类确定标准气体混合物的种类，标准气体混合物的
单质种类应与天然气分析系统的单质种类相同；
14.根据每种单质的种类的分析函数的阶数确定所需标准气体混合物的组数；
15.根据天然气分析系统最后一次的性能评价所得到的分析函数的阶数，确定标准气体混合物的组数；
16.根据天然气分析系统的不确定度来确定标准气体混合物的不确定度。
17.具体地，所述获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积包括以下步骤：
18.用待评价的天然气分析系统依次对每组标准气体混合物的组分行10次组分分析，并记录大气压力和峰面积原始数据；
19.对峰面积原始数据进行漂移校正获得漂移校正后的峰面积；
20.对所述漂移校正后的峰面积进行粗大误差剔除，获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积。
21.具体地，所述得到天然气分析系统的校准函数和每种组分的分析函数包括以下步骤：
22.根据标准气体混合物每种组分的不确定度和最终峰面积，计算每种组分的平均峰面积和标准偏差；
23.根据标准气体混合物每种组分的峰面积与组分的数据，采用广义最小二乘法回归处理，分别按照一阶、二阶和三阶多项式计算每种组分校准函数的回归系数和拟合度；
24.根据每种组分的一阶、二阶和三阶校准函数确定每种组分最终的校准函数，以拟合度接近于1为最优，若出现拟合度相同，以阶数小者为优；
25.根据每种组分的含量与峰面积数据，采用广义最小二乘法回归处理，分别按照一阶、二阶和三阶多项式计算每种组分分析的回归系数和拟合度；
26.根据每种组分的一阶、二阶和三阶分析函数确定每种组分最终的分析函数，以拟合度接近于1为最优，若出现拟合度相同，以阶数小者为优。
27.具体地，所述计算出每种组分的不确定度和发热量的不确定度包括以下步骤：
28.构建蒙特卡洛模型模拟10000组天然气混合物的方法，每组天然气混合物的组分应在待评价的天然气分析系统组分分析范围以内，以甲烷为平衡气体，按照相同间隔，使用差减法计算出10000组天然气混合物的成分，应避免产生非自然天然气组分；
29.根据10000组模拟天然气混合物的组分，分别计算10000组模拟天然气混合物的高位发热量；
30.利用校准函数计算每组模拟天然气的每种组分对应的峰面积；
31.利用分析函数计算每组模拟天然气的每种组分计算得到的峰面积，对应的测量组分；
32.计算每组模拟天然气的每种组分的分析不确定度；
33.计算模拟天然气混合物每种组分的平均测量误差和不确定度；
34.根据测量摩尔分数计算每组测量组分的高位发热量及每组测量组分的不确定度；
35.计算模拟天然气混合物高位发热量的平均测量误差和模拟天然气混合物高位发热量的标准不确定度。
36.本发明还涉及一种天然气分析系统性能评价装置，包括
37.第一处理单元，用于获得天然气分析系统的组分以及每种组分的发热量的最大允
许误差和最大容许偏差；
38.第二处理单元，用于根据所述天然气分析系统的组分，并通过均匀分布的原则确定标准气体混合物的组分及不确定度；
39.第三处理单元，用于利用待评价的天然气分析系统对每组所述标准气体混合物的组分依次进行10次组分分析，记录峰面积原始数据；对峰面积原始数据进行漂移校正获得漂移校正后的峰面积；对所述漂移校正后的峰面积进行粗大误差剔除，获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积；
40.第四处理单元，用于利用广义最小二乘法进行标准气体混合物的组分和所述漂移校正后的峰面积之间的回归分析，得到天然气分析系统的校准函数和每种组分的分析函数；
41.第五处理单元，用于利用天然气分析系统的校准函数分别计算出10000组天然气混合物每种组分对应的峰面积，再利用分析函数计算每个峰面积的对应的组分，计算出每种组分的不确定度和发热量的不确定度；
42.第六处理单元，用于判断待评价天然气分析系统评价结果是否合格，给出天然气分析系统的性能评价结论。
43.本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
44.本发明还涉及一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时上述的方法的步骤。
45.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
46.本发明公开了一种天然气分析系统性能评价方法，基于计算机强大的计算能力，实现了天然气分析系统在全量程的性能评价，为推动天然气能量改革政策的落地提供技术支持和助力手段，为管网计量升级蓄能蓄力。本发明公开了一种天然气分析系统性能评价方法，弥补了国内天然气分析系统性能评价方法的缺失，确定天然气分析系统的误差和不确定度，助力国家层面的天然气能力计量落地及实施。
具体实施方式
47.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
48.本发明公开了一种天然气分析系统性能评价方法，为了解决目前国内缺失能够针对天然气分析系统的性能进行评价的方法的问题，首先，获得天然气分析系统的组分以及每种组分的发热量的最大允许误差和最大容许偏差；然后，根据所述天然气分析系统的组分，并通过均匀分布的原则确定标准气体混合物的组分及不确定度；再获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积；接着利用广义最小二乘法进行标准气体混合物的组分和所述漂移校正后的峰面积之间的回归分析，得到天然气分析系统的校准函数和每种组分的分析函数；再次利用天然气分析系统的校准函数分别计算出10000组天然气混合物每种组分对应的峰面积，再利用分析函数计算每个峰面积的对应的组分，计算出每种组分的不确定度和发热量的不确定度；最后，判断待评价天然气分析系统评价结果是否合格，给出天然气分析系统的性能评价结论。本发明公开了一种天然气分析系统性能评价方法，弥补了国内天然气分析系统性能评价方法的缺失，确定天然气分析系统的误差和不确定度，助力国
家层面的天然气能力计量落地及实施。
49.实施例1
50.实施例1提供一种天然气分析系统性能评价方法，用于评价天然气分析系统，该方法包括以下步骤：
51.步骤s1：获得天然气分析系统的组分以及每种组分的发热量的最大允许误差和最大容许偏差。
52.天然气是一种混合物，由多种单质(例如：甲烷、乙烷等)组成，每种单质的质量百分比含量为此组成的组分。这里的“组分”指的是天然气分析系统的某一单质的种类及其含量，“发热量”指的是天然气在标况下充分燃烧可以获得的热量，“每一组分的发热量”指的是该组分的发热量。
53.步骤s2：根据所述天然气分析系统的组分，并通过均匀分布的原则确定标准气体混合物的组分及不确定度。
54.其中，标准气体的组分包括单质气体的种类以及每种单质气体的含量，气体的种类由天然气分析系统的单质种类确定，标准气体的组分根据天然气分析系统的组分通过均匀分布的原则计算得到。
55.所述步骤s2具体包括以下步骤：
56.步骤s21：根据天然气分析系统的单质种类确定标准气体混合物的种类，标准气体混合物的单质种类应与天然气分析系统的单质种类相同。
57.步骤s22：根据每种单质的种类的分析函数的阶数确定所需标准气体混合物的组数。
58.例如：每种单质的种类的分析函数为一阶需要3组标准气体混合物，每种单质的种类的分析函数为二阶需要5组标准气体混合物，每种单质的种类的分析函数为三阶需要7组标准气体。
59.步骤s23：根据天然气分析系统最后一次的性能评价所得到的分析函数的阶数，确定标准气体混合物的组数。
60.例如，如果天然气分析系统是首次进行性能评价应选择7组标准气体混合物。
61.步骤s24：根据天然气分析系统的不确定度来确定标准气体混合物的不确定度。
62.其中，标准气体混合物的不确定度应小于天然气分析系统的不确定度；标准气体混合物中每种单质的含量应在天然气分析系统的分析范围之内均匀分布，最低摩尔分数不低于0.01％，最终确定标准气体的组分以及每种组分的不确定度。
63.步骤s3：利用待评价的天然气分析系统对每组所述标准气体混合物的组分依次进行10次组分分析，记录峰面积原始数据；对峰面积原始数据进行漂移校正获得漂移校正后的峰面积；对所述漂移校正后的峰面积进行粗大误差剔除，获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积。
64.其中，“组分分析”指的是：应用天然气分析系统对天然气混合物每种组分进行分析得到的分析结果，分析结果为组分的峰面积。
[0065]“10次组分分析”指的是利用待评价的天然气分析系统对每组标准气体混合物的组分进行10次组分分析，得到10组分析结果。
[0066]
具体地，所述步骤s3包括以下步骤：
[0067]
步骤s31：用待评价的天然气分析系统依次对每组标准气体混合物的组分行10次组分分析，并记录大气压力和峰面积原始数据。
[0068]
步骤s32：对峰面积原始数据进行漂移校正获得漂移校正后的峰面积，其漂移校正表达式为：
[0069][0070]
式中，y
i,j,k
为标准气体中第i种单质第j含量第k次分析漂移校正后的峰面积；
[0071]
y’i,j,k
为标准气体中第i种单质第j含量第k次分析的峰面积；
[0072]
pa为标准气体中第i种单质第j含量第k次分析时实验室大气压；
[0073]
i为正整数，i小于或等于标准气体混合物的单质种类数；
[0074]
j为正整数，j小于或等于标准气体混合物的组数；
[0075]
k为正整数，k小于或等于组分分析的次数。
[0076]
步骤s33：利用grubbs检验方法，对所述漂移校正后的峰面积进行粗大误差剔除，获得每组标准气体混合物的每种组分的最终峰面积。
[0077]
步骤s4：利用广义最小二乘法进行标准气体混合物的组分和漂移校正后的峰面积之间的回归分析，得到天然气分析系统的校准函数和每种组分的分析函数。
[0078]
其中，所述步骤s4具体包括以下步骤：
[0079]
步骤s41：根据标准气体混合物每种组分的不确定度和最终峰面积，计算每种组分的平均峰面积和标准偏差；
[0080]
步骤s42：根据标准气体混合物每种组分的峰面积与组分的数据，采用广义最小二乘法回归处理，分别按照一阶、二阶和三阶多项式计算每种组分校准函数的回归系数和拟合度，其中拟合度的表达式为：
[0081][0082]
式中，γ
ri
为第i种单质校准函数拟合度；
[0083]
γ
rij
为第i种单质第j含量校准函数拟合度；
[0084]yij
为第i种单质第j含量的平均峰面积；
[0085]
u(y
ij
)为第i种单质第j含量的平均峰面积y
ij
的标准不确定度；
[0086]
为第i种单质第j含量带入校准函数计算得到的修正点峰面积。
[0087]
步骤s43：根据每种组分的一阶、二阶和三阶校准函数确定每种组分最终的校准函数，以拟合度接近于1为最优，若出现拟合度相同，以阶数小者为优；
[0088]
步骤s44：根据每种组分的含量与峰面积数据，采用广义最小二乘法回归处理，分别按照一阶、二阶和三阶多项式计算每种组分分析的回归系数和拟合度；
[0089]
步骤s45：根据每种组分的一阶、二阶和三阶分析函数确定每种组分最终的分析函数，以拟合度接近于1为最优，若出现拟合度相同，以阶数小者为优。
[0090]
步骤s5：构建蒙特卡洛模型模拟10000组天然气混合物，利用天然气分析系统的校准函数分别计算出10000组天然气混合物每种组分对应的峰面积，再利用分析函数计算每个峰面积的对应的组分，计算出每种组分的不确定度和发热量的不确定度。
[0091]
其中，所述步骤s5包括以下步骤：
[0092]
步骤s51：构建蒙特卡洛模型模拟10000组天然气混合物的方法，每组天然气混合物的组分应在待评价的天然气分析系统组分分析范围以内，以甲烷为平衡气体，按照相同间隔，使用差减法计算出10000组天然气混合物的成分，应避免产生非自然天然气组分。
[0093]
步骤s52：根据10000组模拟天然气混合物的组分，分别计算10000组模拟天然气混合物的高位发热量h
s,tn
，其表达式为：
[0094][0095]
式中，h
s,tn
为第n组模拟天然气混合物的高位发热量；
[0096]
x
tin
为第n组模拟天然气混合物第i种单质的组分；
[0097]
[hc]i为第i种单质的理想气体摩尔发热量；
[0098]
n为正整数，最大值为模拟天然气混合物的次数。
[0099]
步骤s53：利用校准函数计算每组模拟天然气的每种组分对应的峰面积。
[0100]
步骤s54：利用分析函数计算每组模拟天然气的每种组分计算得到的峰面积，对应的测量组分。
[0101]
步骤s55：计算每组模拟天然气的每种组分的分析不确定度[u(x
in
)]，其表达式为：
[0102][0103]
式中，u(x
in
)为第n组模拟天然气混合物第i种单质组分的分析不确定度；
[0104]
u(x
a,i
)为标准气体混合物中第i种单质的标准不确定度的平均值；
[0105]
u(x
b,i
)为标准气体混合物中第i种单质峰面积的标准不确定度的平均值；
[0106]
u(x
c,in
)为第n组模拟天然气混合物第i种单质对应确认分析函数的回归标准偏差。
[0107]
步骤s56：计算模拟天然气混合物每种组分的平均测量误差[δ(xi)]和不确定度[u(xi)]，其中平均测量误差和不确定度的表达式为：
[0108][0109]
式中，x
tin
为第n组模拟天然气混合物的第i种单质的组分；
[0110]
x
min
为分析函数计算得到的第n组模拟天然气混合物第i种单质的测量组分；
[0111]
δ(x
in
)为第n组模拟天然气混合物的第i种单质组分的测量误差；
[0112]
δ(xi)为模拟天然气混合物的第i种单质组分的平均测量误差；
[0113]
u(x
in
)为标准气体混合物第i组分第j浓度的分析不确定度；
[0114]
u(xi)为第i种单质组分的不确定度。
[0115]
步骤s57：根据测量摩尔分数(x
mij
)计算每组测量组分的高位发热量(h
s,mn
)及其不确定度[u(h
s,mn
)]，其表达式参见式3和式4。
[0116]
步骤s58：计算模拟天然气混合物高位发热量的平均测量误差[δ(hs)]和模拟天然气混合物高位发热量的标准不确定度[u(hs)]，其表达式如下：
[0117][0118]
式中，h
s,tn
为第n组模拟天然气混合物的高位发热量；
[0119]hs,mn
为第n组天然气混合物测量组分的高位发热量；
[0120]
δ(h
s,n
)为第n组模拟天然气混合物高位发热量的测量误差；
[0121]
δ(hs)为模拟天然气混合物高位发热量的平均测量误差；
[0122]
u(h
s,mn
)为第n组模拟天然气混合物高位发热量的分析不确定度；
[0123]
u(hs)为模拟天然气混合物高位发热量的标准不确定度。
[0124]
步骤s6：判断待评价天然气分析系统评价结果是否合格，给出天然气分析系统的性能评价结论，具体包括以下步骤：
[0125]
步骤s61：每种组分和高位发热量同时满足以下计算式，则待评价天然气分析系统评价结果合格。
[0126]
第i种单质组分：
[0127][0128]
式中，δ(xi)为第i种单质组分的测量误差；
[0129]
u(xi)为第i种单质组分的不确定度；
[0130]
mpe(xi)为第i种单质组分的最大允许误差；
[0131]
mpb(xi)为第i种单质组分的最大容许偏差。
[0132]
高位发热量：
[0133][0134]
式中，δ(hs)为天然气高位发热量的平均测量误差；
[0135]
u(hs)为天然气高位发热量的标准不确定度；
[0136]
mpe(hs)为高位发热量的最大允许误差；
[0137]
mpb(hs)为高位发热量的最大容许偏差。
[0138]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
[0139]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或
变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
[0140]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。