热量计，0级热量计的开发与应用 [控制热量]

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天然气作为一种清洁高效的低碳能源，在我国力争在2030年实现碳达峰和2060年前实现碳中和（即“双碳”目标）的能源转型过程中扮演着关键角色[微信：junge239]。天然气的核心价值在于其提供的热量，而非体积，因此按能量进行计量和定价是当前国际上最流行、最公平合理的贸易和消费计量及结算方式。遗憾的是，尽管我国多年前就发布了能量计量的国家标准，但由于种种原因，短期内实现这项先进技术的可能性还不大。

要在中国推广能量计量，必须首先解决天然气发热量测定结果的溯源及其不确定度评估问题。目前，我国尚未发布符合国际惯例的溯源准则，许多能量计量实验室使用的分析方法标准和多元标准气混合物（RGM）都不符合新版国际标准“分析系统性能评价”的规定，导致大量评估结果缺乏可比性，实用价值有限。国内唯一的能量计量重点实验室所使用的、测量不确定度优于0.5%的认证级十元RGM全部依赖进口，一旦涉及国际仲裁，后果将不容乐观。然而，根据国际标准化组织（ISO）的规定和其他国家的经验，在解决天然气能量计量专用的多元RGM研制问题之前，建立一台具有相应测量不确定度的0级热量计，不失为完善溯源链的另一种有效方法。

0级热量计是一种用于测定气体发热量的基准仪器。国际标准对其有特定的要求：（1）所有相关的物理测量都必须通过不间断的比较链溯源到国际单位制；（2）0级热量计直接测量质量（m）和温升（Δt）这两个参数；（3）测量结果以质量为基础，表示为kJ/g或MJ/kg；（4）其基本结构形式均基于1931年美国国家标准局研制的Rossini型等环境双体式热量计进行设计（见图1）。

使用0级热量计精确测定甲烷发热量是现代燃烧量热学的重要研究成果，不仅具有重要的理论意义，也具有巨大的经济价值。据英国EffecTech公司估计，对于一座规模为500MW的天然气发电站，如果能量计量的准确度达到1%，当电价为0.06欧元/（kW?h）时，对年产值的影响将达到270万欧元。

自1848年首次测定甲烷发热量以来，全球仅有5次使用0级热量计在5个不同实验室中独立进行的测定记录，其结果高度一致（见表1）。

　　三．0级热量计的测量不确定度估计

　　试验证实建于德国联邦物理技术研究院（PTB）的0级热量计在进行纯甲烷发热量测定时，其扩展不确定度达到了优于0.05%的水平。测量过程中主要的不确定度来源于量热系统的绝热温升的增加。其它来源还有:点火与熄火过程的能量校正，水蒸气蒸发损失的热焓，以及气体供应管线的能量校正等等。

　　近期文献中报导了韩国标准科学研究院研制成功了使用金属燃烧器的0级热量计。此类燃烧器可以由自动化的机械制造，大大提高了燃烧器的加工精度和耐用性，而且可以严格地保证产品规格的一致性。以该0级热量计进行的8次纯甲烷发热量测定，其结果平均值与国际标准值的偏差仅为0.16%，此偏差主要来源于燃烧甲烷的质量测定。该0级热量计的测量不确定度虽稍逊于建于德国PTB的0级热量计，但可以满足对能量计量用多元RGM定值的要求。

　　必须指出，2018年韩国的天然气消费量仅为600亿立方米，且全部依赖进口液化天然气（LNG）；韩国标准科学研究院在天然气工业标准化领域的研发工作，更是名不见经传。但该国为了改善其天然气能量计量的溯源性与国际仲裁中的发言权，独立自主开发成功了适合本国国情0级热量计，此项经验很值得我们借鉴。反观我国2020年的天然气消费量已经达到了3300亿立方米以上，其中进口天然气量的占比超过42%；但折腾了10多年，连一个切实可行的0级热量计建设方案也未见报导，个中缘由发人深省。鉴此，笔者作为一个从业60余年的天然气工业人颇觉汗颜!

　　表1部分研究者的甲烷发热量测定值（kJ/mol，250C）

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