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燃气流量计量中压缩因子的修正问题探讨

时间:2018/02/19来源:未知

摘要:在燃气计量中, 压缩因子对计量准确度的影响越来越受到人们的重视。 但究竟什么是气体的压缩因子、燃气压缩因子对计量准确度的影响程度如何、在燃气计量中压缩因子如何实现补偿等一直是人们关心的问题。为此 , 在这些方面进行了一些探讨, 目的是能使大家在围绕压缩因子问题上能达成共识, 同时也希翼有关研究结果能够为相关燃气计量企业在选择燃气计量仪表过程中提供借鉴和参考。

一 、引言:
 通常人们认为的理想气体遵循状态方程 p V =R T , 而实际上符合该方程的理想气体是不存在的 。实验表明 ,只有在低压、高温下实际气体才可以近似被看作为理想气体。
 由于实际气体与理想气体的差异 , 使得对气体流量测量中的度和可靠性难以评价 , 特别是低温、高压管道气体流量的测量 。在这种情况下, 管道中的被测介质就不能用理想气体状态方程来进行描述和处理 。
   在高压低温下 , 任何气体的理想状态方程都会出现明显的偏差 , 而且压力越高 、温度越低, 这种偏差就越大 。实际气体与理想气体的这种偏差, 可以采用 p V 与RT 的比值来说明,这个比值就被称为压缩因子,以符号 Z 来表示。即:Z =p VR T式中 :p 表示气体的压力,M Pa ;V 表示气体的摩尔体积 , m3/kmol ;R 表示摩尔气体常数 , 数值为0 .008314510 M J/(kmol·K);T 表示气体的热力学温度 ,K 。
   被测气体的体积流量换算为标准状态下体积流量公式:Vn=p′gp n×T nT′g×1Z×Vg其中, Z =Z gZ n(3)      p′g= pg+pa(4)       T′g=273 .15 +Tg(5)式中:Vn表示标准状态下的体积流量, m3/h ;pg表示气体工况压力 ,MPa;pa表示当地大气压, MPa ;pn表示标准大气压, M Pa;Tn表示标准状态热力学温度 ,为 293 .15 K ;Tg表示被测介质温度, ℃;Zg表示工作状态下的压缩因子 :Zn 表示标准状态下的压缩因子;Vg 表示气体工况下的体积流量, m3/h 。  气体压缩因子 Z 的数值不仅随气体种类的不同而变化 ,即使是同一气体, 也随其所处的状态(p , T)而异。因此, 每种气体应有不同的 Z =f (p , T)曲线 。

二 、修正计算:
 对单一气体压缩因子 Z 的确定比较困难 ,一般根据实验数据整理成的二参数(pr, Tr)压缩因子图来确定。(注 :pr=ppcr, Tr=TT cr, p 为介质实测压力, pcr为介质临界压力, T 为介质测量温度,T c r为气体介质的临界温度)对自身组分超过 21 种的天然气来说, 压缩因子Z 的确定将变得更加复杂 。以前使用的压缩因子大多是文献上查得的或是通过图表法获得的 。随着计算机技术的广泛应用 , 已经实现了依托于状态方程的、繁杂的天然气压缩因子的理论计算 。
  我国于 1999 年 12 月颁布实施了《天然气压缩因子的计算》的标准 GB/ T17747 .1-3-1999 , 采用国际标准化组织(ISO)天然气技术委员会的2 个以状态方程为基础的计算方法 。 个方程被称为 AGA8-92DC ,该方程源自美国煤气协会(AGA)关于孔板流量计标准的 AGA 报告 ,在已知气体的详细摩尔组成的情况下 , 可以据该方程计算出气体的压缩因子。第二个方程被称为 SGERG-88 方程, 是20 世纪 80 年代由德国 、英国等的学者组成的欧洲气体研究集团(GERG)依据天然气分析数据计算压缩因子而提出的。
  AGA8-92DC 和 SGERG-88 计算方法所使用的方程是基于这样的概念 :任何天然气容量性质均可由组成或一组合适的 、特征的可测定物性值来表征和计算。这些物性值和压力、温度一起被用作计算方法的输入数据。AGA8-92DC 计算方法要求对气体进行详细的摩尔组成分析, 该分析包括摩尔分数超过 0 .00005 的所有组分 , 所有组分的摩尔分数之和应等于 1 ±0 .0001 ,对典型的管输气, 分析组分包括碳数***高到 C7 或 C8 的所有烃类及 N2 、CO2 和He 。对含人工掺合物的天然气 , H2、CO 和 C2H4 也是重要的分析组分 ,对更宽类别的天然气,H2O 蒸气和 H2S 等也是分析组分。SGERG-88 计算方法用高位发热量和相对密度这 2 个特征物理性质及 CO2含量作为输入数据, 该计算方法尤其适用于无法得到完全的气体摩尔组成的情况, 对含人工掺合物的气体 ,需要知道H2 的含量 。两种计算方法在输气和配气压力及温度范围内性能基本相等 。通常输气和配气的操作温度为 263 ~ 338 K(相当于 -10 ~ 65 ℃),操作压力不超过 12 M Pa 。在此范围内 ,如不计包括相关的温度和压力等输入数据的不确定度, 则 2 种计算方法的预期不确定度约为 ±0 .1 %。
 例如:某一天然气供气管线, 实际工作压力范围为 0 .2 ~ 0 .3 M Pa ,介质温度范围为-10 ~ 40 ℃。在这样的工况条件下,当介质压力为 0 .2 MPa, 温度为40 ℃ 时 , 压 缩 因 子 对 流 量 计 量 的 影 响 *** 小Z nZ g=0 .998160 .99577=1 .0024 ;当介质压力为 0 .3 M Pa,温度为 -10 ℃时, 压缩因子对流量计量的影响***大Z nZ g=0 .998160 .98941=1 .0088 ,如表 1 所示 。
表 1 压缩因子数值表
表 1 压缩因子数值表
   如不加压缩因子补偿 ,供气标准体积流量分别为4800 m3/h 和 600 m3/h 。而加压缩因子补偿, 则标准体积流量分别为 4812 m3/h 和 605 m3/h ,相对误差分别为 0 .25 %和 0 .83 %。由此可见, 压缩因子对天然气流量计量的正确度的影响是很大的 ,在计量中对压缩因子的影响应予以补偿 。
  天然气压缩因子计算结果的准确性直接影响到了天然气流量计量的正确度 。对于燃气流量计生产厂家来说, 若要将天然气的压缩因子计算的不确定度控制在 0 .1 %以内,则需要输入天然气的组成分析数据。为此应增加在线气体组态分析硬件, 这将极大地提高燃气流量计的生产成本, 在实际应用中也是不现实的。如利用 AGA8 报告方法, 实时进行天然气压缩因子补偿的流量计算机的售价一般在 4 .5~ 6 万美金之间。这显然是不能被广大的燃气计量企业所接受的 。因此 , 如何在燃气流量测量仪表进行压缩因子补偿的同时降低仪表成本 , 是一个亟待解决的问题。同时也应当注意到, 当介质压力低于0 .1 M Pa 时 , 由于Z nZ g=1 .0000 , 因此 ,在燃气测量中可不进行压缩因子补偿修正 。但当介质的压力超过0 .1 M Pa 时 , 可根据燃气计量仪表的精度和测量范围, 计算出需要进行压缩因子补偿的温度和压力界限,否则该仪表将无法保证对燃气的计量度。
  某地天然气的组分如表 2 所示, 天然气温度范围为 -5 ~ 35 ℃,压力范围为 0 .3 ~ 0 .5 MPa 
表 2  某地的天然气组分表


表 2  某地的天然气组分表
  应用某厂生产的度为 1 .0 级、流量测量范围13 ~ 260 m3/h 的燃气流量计 , 在该工况条件下 ,供气峰谷值分别为 15 m3/h 和 250 m3/h , 流量标准值为 98 .88 m3/h 和 948 .40 m3/h ,温度为 -5 ℃, 压力 为 0 .5 MPa 时 , 压 缩 因 子 为 0 .98409Z nZ g=1 .0143 ;温度为 35 ℃, 压力为0 .3 M Pa 时 ,压缩因子为 0 .99400Z nZ g=1 .0042。
 供气峰谷值为 15 ~ 250 m3/h , 则不带压缩因子补偿时,示值为 96 .9 ~ 937 .5 m3/h ;带压缩因子补偿时,示值为 98 .29 ~ 941 .4 m3/h 。  96 .9(±1 %)=±0 .969 m3/h ,  96 .9 ±0 .97 =95 .93 ~ 97 .87 m3/h ;  937 .5(±1 %)=±9 .375 m3/h ,  937 .5 ±9 .38 =928 .12 ~ 946 .88 m3/h ;  98 .29(±1 %)=±0 .983 m3/h ,  98 .29 ±0 .98 =97 .31 ~ 99 .27 m3/h ;  941 .4(±1 %)=±9 .414 m3/h ,  941 .4 ±9 .414 =931 .99 ~ 950 .81 m3/h 
   由于误差(E)= 指示值(即本文所指的实测值)— 约定真值(即本文所指的标准值)在不带压缩因子修正时:E 1 = 96 .90 -98 .88 =-1 .98 >-0 .969 (m3/h)E 2 =937 .75 -948 .40 =-10 .65 >-9 .414 (m3/h)所以如不带压缩因子修正, 则无法保证所要求的准确度。
  如采用定值压缩因子修正时:E 3 = 98 .29 -98 .88 = -0 .59 <-0 .969 m3/hE 4 = 941 .4 -948 .40 = - 7 .0 <-9 .414 m3/h所以, 如采用定值压缩因子修正时, 可保证所要求的准确度(±1 .0 %)。
计算公式

  例 :温 度 为 10 ℃, 压 力 为 0 .4 M Pa 时 , Zg=0 .98974 。此 时  ΔZg ≤0 .002 ×0 .989742=0 .00196 , 即 0 .98778 ≤Z g ≤0 .99170时 , 仪表的度不受压缩因子变化的影响

 因此, 燃气企业只要根据预测燃气的具体工况条件 ,确定燃气的压缩因子对***终测量结果的影响程度, 结合可选仪表的准确度 ,就能够正确的选择燃气流量仪表 ,消除由于压缩因子引起的测量误差 ,降低燃气的供销差率 , 进一步提高燃气计量的科学性与合理性。
三 、结论:
  从以上分析和表 3 可看出 :对于城市低压 、常温燃气, 当其温度和压力在表 3 中黑粗线所对应的范围以内时, 如合理采用定值压缩因子修正则仍可保证燃气流量测量所要求的准确度(±1 .0 %)。
表3 压缩因子数值表

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