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天然气能量流量计量及体积发热量计算

时间:2018/06/19来源:未知

  主要先容了国内天然气能量计量的现状, 说明了天然气能量计量的必要性以及天然气能量计量的基本原理。同时, 针对目前中国天然气交易采用体积计量方式的特点, 依据相关国家标准, 就如何进行天然气能量计量作了探讨, 讨论了天然气体积发热量的计算方法, 并结合工程给出了实际算例。

0、引言:

天然气是一种洁净、高效的能源载体, 具有单位发热量大、燃烧完全、燃烧后产物对环境影响小的特点, 同时它还是洁净、优质的工业原材料, 可用于多种精细化工产品和高附加值产品的生产。目前天然气已经越来越广泛地被应用于国民经济的各个领域。

1、天然气的能量计量:

1.1、天然气能量计量现状:

天然气是烃类和少量非烃类混合气体的总称, 不同产地的天然气, 其组成成分和燃烧特性会有所差异, 即使相同体积的天然气, 燃烧所产生的能量也各不相同。因此在天然气交易过程中, 能量计量的方法因其科学、公平和公正, 已经得到越来越多国家和地区的认同, 并广泛用于国际天然气贸易的计量中[1,2]。

由于历史原因, 长期以来中国国内天然气交易一直采用体积计量的方式。据了解, 中国目前商品天然气的高位发热量最小为33.9 MJ/m3, 最大为45.0MJ/m3, 二者相差达31%[3]。因此, 当天然气作为一种燃料使用时, 能量计量显然比体积计量 (或质量计量) 更科学。近年来, 全国天然气标准化技术委员会先后制定了一批天然气能量计量的国家和行业标准, 进一步推动了能量计量方式在国民生产各个领域的应用。

1.2、天然气发热量的测量:

天然气发热量测量的方法一般有直接测定法和间接测定法两种方式。直接测定法测量原理合理, 能够直观地反映出天然气的实际发热量, 但是它对测量设备要求较高, 操作过程复杂, 不太适合大规模应用。针对直接测定法, 中国迄今只发布过GB 12206-1990城市燃气热值测定方法一项国家标准, 主要先容了使用水流式燃气热量计的测定方法, 其测定结果的不确定度为1%[4]。间接测定法则有着分析速度快、实时性好的优点, 对测定环境的要求不高, 也可以方便地反映出实际供出的能量, 是目前现场测量中普遍采用的方法, 本文所先容的体积发热量计算方法属于间接测量法的一种。目前, 在天然气国际上交易中, 尤其西欧地区, 测量天然气发热量的方法也主要是采取间接测定法[5]。

2、天然气体积发热量计算:

本文以浙江省某燃气联合循环工程所用天然气为例, 简要阐明天然气体积发热量的计算方法。天然气是一种多组分的混合气体, 对于不同的地域和气源, 其成分也各不相同, 根据工程前期收到的资料, 已知的天然气各组分的成分如表1中所示。

表1 天然气混合气体各组分体积分数φj  

表1 天然气混合气体各组分体积分数φj

2.1、天然气各组分摩尔分数:

习惯上在分析天然气成分组成时, 天然气组分通常是以体积分数的形式给出的, 故应先将天然气体积分数转换为摩尔分数再进行下一步计算。

目前, 中国使用的天然气燃烧参比条件 (t1, p1) 与计量参比条件 (t2, p2) 相同, 均为 (20℃, 101.325 k Pa) , 因此如无特殊说明, 本文中的燃烧参比条件和计量参比条件均为 (20℃, 101.325 k P) a。

在计量参比条件 (t2, p2) 下, 天然气各组分由体积分数转换为摩尔分数的换算公式如下:

计算公式

式中:xj为天气然中组分j摩尔分数;φj为天气然中组分j体积分数;zj (t2, p2) 为天气然中组分j在温度t2和压力p2下的压缩因子。

天然气各组分的压缩系数zj (t2, p2) 可以根据国标GB/T 11062-1998天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法, 在计量参比条件 (20℃, 101.325k P) a下查得。表2列出了天然气各组分压缩系数zj (t2, p2) 的部分取值。

表2 天然气中各组分的压缩系数zj

表2 天然气中各组分的压缩系数zj

根据天然气各组分体积分数φj和天然气各组分压缩系数zj, 按照式 (1) , 可以计算出天然气各组分的摩尔分数xj, 其计算结果如表3所示。

表3 天然气混合气体各组分摩尔分数xj

表3 天然气混合气体各组分摩尔分数xj

2.2、理想气体体积发热量:

对于理想气体, 若已知其混合物的组分及摩尔分数, 其理想气体体积发热量可由下式求得:

计算公式

式中, H0[t1, V (t2, p2) ]为混合气体的理想体积发热量, MJ/m3;Hj0[t1, V (t2, p2) ]为混合气体中组分j的理想气体体积发热量, MJ/m3;xj为混合气体中组分j的摩尔分数, %。

可燃气体的理想体积发热量根据其燃烧和计量参考条件, 可以在各种文献中查到。针对本文所计算天然气的组分, 表4中列出了天然气各组分在不同的燃烧和计量参考条件下的理想气体体积发热量。

表4 天然气各组分在不同的燃烧和计量参考条件下的理想气体体积发热量[6]

表4 天然气各组分在不同的燃烧和计量参考条件下的理想气体体积发热量[6]

根据国家标准的规定, 中国使用的天然气参比条件为燃烧参比条件 (20℃, 101.325 k P) a和计量参比条件 (20℃, 101.325 k P) a。根据表4中各组分的理想气体高位体积发热量, 通过式 (2) 可以计算出天然气理想气体低位体积发热量H0net和高位体积发热量H0gr, 其发热量为:

计算公式

2.3、真实气体体积发热量:

事实上, 真实的天然气并非理想气体, 在计算天然气体积发热量时, 需要按照实际气体进行相应的修正。按照GB/T 11062-1998天然气发热量、密度、相对密度和沃伯指数的计算方法的要求[6], 实际发热量的修正主要是通过天然气压缩因子Zmin (t2, p2) 来完成的。天然气真实气体体积发热量修正公式如下:

计算公式

式中, H[t1, V (t2, p2) ]为天然气真实气体体积发热量, MJ/m3;H0[t1, V (t2, p2) ]为天然气的理想体积发热量, MJ/m3;Zmin (t2, p2) 为计量参比条件下的压缩因子。

其中, 天然气压缩因子Zmin (t2, p2) 可由各组分的求和因子计算得出, 如下式所示:

计算公式

式中, 计算公式为组分j求和因子;xj为组分j摩尔分数。

表5 天然气各组分在不同计量条件下的压缩因子和求和因子[6] 

表5 天然气各组分在不同计量条件下的压缩因子和求和因子[6]

表5中列出了各组分气体在不同计量条件下的压缩因子Zj和求和因子计算公式。按照计量参比条件 (20℃, 101.325 k Pa) , 根据表5中的各组分的求和因子值, 代入式 (4) 中可以计算出天然气的压缩因子Zmin为:

计算公式

将天然气压缩因子Zmin (20℃, 101.325 k Pa) 的计算结果带入式 (3) 中, 即可以计算出天然气的真实气体低位体积发热量Hnet和高位体积发热量Hgr, 其计算值为:

计算公式

3、结语:

  天然气能量计量使不同品质的天然气有了1个统一的比较平台, 促进了天然气贸易的开展, 因此由流量计量方式向能量计量方式过渡将是中国天然气计量发展的必然趋势。通过对天然气真实气体体积发热量的准确计算, 可以快速地实现由体积计量向能量计量的换算, 从而方便大家对能量计量方式的推广和使用。


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