天然氣發(fā)熱量計算標(biāo)準(zhǔn)差異性分析

李天琦

（1.大慶油田設(shè)計院有限公司；2.國家石油天然氣大流量計量站）

天然氣貿(mào)易計量方式有體積、質(zhì)量和能量計量三種方式，北美、歐洲等國家實(shí)施能量計量計價，我國以體積計量方式為主，目前正在逐步向能量計量計價的方式轉(zhuǎn)變。在能量計量過程中，不同產(chǎn)地、不同氣源的天然氣因其組分不同，單位體積蘊(yùn)含的發(fā)熱量差異較大[1]。

天然氣發(fā)熱量的測定方法分為直接法和間接法。直接法是將天然氣在熱量計中燃燒，直接測量其釋放的熱量的方法。直接法能夠直觀地反映出天然氣的實(shí)際發(fā)熱量，但是對測量設(shè)備要求較高。我國發(fā)熱量直接測量技術(shù)測量不確定度為0.17%（k=2），達(dá)到ISO 15971 規(guī)定的1 級水平，可以滿足現(xiàn)場發(fā)熱量測量結(jié)果核查和爭議仲裁要求；但未建立ISO 15971 標(biāo)準(zhǔn)定義的0 級發(fā)熱量裝置，與歐美發(fā)熱量直接測定不確定度優(yōu)于0.10%相比還有一定差距[2]。中國計量科學(xué)研究院保存的水流式熱量計測量不確定度小于1.0%，不能滿足GB/T 18603《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》中A級站的發(fā)熱量測定不確定度小于0.5%的要求[3]。

間接法是利用氣相色譜法分析出天然氣組分，然后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算發(fā)熱量的方法[4]。間接法計算發(fā)熱量易于操作，準(zhǔn)確性高，是國際天然氣貿(mào)易中發(fā)熱量測定的主流方法。

1 發(fā)熱量計算標(biāo)準(zhǔn)差異性分析的必要性

不同國家天然氣發(fā)熱量計算選用的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同[5]，主流的發(fā)熱量計算標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 6976《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》[6]（以下簡稱ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)）、GB/T 11062《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》、 GPA 2172《貿(mào)易交接天然氣混合物的發(fā)熱量、相對密度、壓縮因子和理論碳態(tài)烴含量的計算》[7]（以下簡稱GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)）和ASTM D 3588《計算氣體燃料熱值、壓縮因子和相對密度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》[8]（以下簡稱ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)）。

根據(jù)GB/T 18603 《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》，我國設(shè)計通過能力超過100 m3/h 的天然氣計量站，使用天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)計算發(fā)熱量時，規(guī)定采用的計算標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11062 標(biāo)準(zhǔn)，是ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)的等同翻譯版本。

歐洲統(tǒng)一發(fā)布的天然氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，各國內(nèi)部交接計量多遵循本國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。國際交接計量遵循國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，發(fā)熱量計算主要采用ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)。

美國氣體協(xié)會（AGA）、美國氣體加工協(xié)會（GPA）、美國石油學(xué)會（API）及美國材料與試驗協(xié)會（ASTM） 均發(fā)布有涉及天然氣分析測試技術(shù)、天然氣取樣技術(shù)、天然氣流量測量技術(shù)等與天然氣能量計量技術(shù)密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在美國發(fā)熱量計算采用的標(biāo)準(zhǔn)一般為GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)和ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)。

上述標(biāo)準(zhǔn)都介紹了天然氣發(fā)熱量的計算方法，但在適用范圍、參比條件、計算方法、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引用等方面存在差異。因此有必要對發(fā)熱量計算標(biāo)準(zhǔn)開展研究，歸納總結(jié)各發(fā)熱量計算標(biāo)準(zhǔn)之間的異同點(diǎn)，為天然氣貿(mào)易雙方對天然氣發(fā)熱量計算標(biāo)準(zhǔn)的選擇提供參考。

2 適用范圍及參比條件

2.1 ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)

ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的標(biāo)準(zhǔn)，適用于已知?dú)怏w摩爾組成，計算天然氣、天然氣代用品和其他氣體燃料的高位發(fā)熱量、低位發(fā)熱量、密度、相對密度、高位沃泊指數(shù)和低位沃泊指數(shù)。對于以體積為基準(zhǔn)的發(fā)熱量的計算，此方法僅適用于在參比條件下壓縮因子大于0.9 的混合物。

ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行參比壓力為101.325 kPa，計量參比溫度和燃燒參比溫度為0 ℃、15 ℃、15.55 ℃、 20 ℃、 25 ℃氣體發(fā)熱量的計算。ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)以國際單位制為主，在附錄中列舉了部分發(fā)熱量在國際單位制和非國際單位制之間換算的換算因子。

2.2 GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)

GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)是美國氣體加工協(xié)會時制定的標(biāo)準(zhǔn)，適用于根據(jù)天然氣混合物的組分在參比條件下計算混合氣體的發(fā)熱量、相對密度、壓縮因子和理論液態(tài)烴液體含量。在計算時需考慮水的影響，分為干氣和濕氣兩種情況進(jìn)行發(fā)熱量的計算。標(biāo)準(zhǔn)中干氣的定義為每百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺（MMSCF）天然氣中水含量不超過7 磅。

GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引自GPA 2145標(biāo)準(zhǔn)[9]，可以進(jìn)行參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa和參比溫度15 ℃、參比壓力101.325 kPa兩種參比條件的發(fā)熱量計算。此外GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)介紹了基于參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa，計算其他壓力下氣體發(fā)熱量的方法。

2.3 ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)

ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)由美國材料與試驗協(xié)會編制，適用于所有常見類型的氣態(tài)燃料（例如干式天然氣、重型氣體、油氣、焦?fàn)t煤氣和罐式煤氣等氣體）體積發(fā)熱量的計算。

ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引自GPA 2145 標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa 的天然氣發(fā)熱量計算。

3 計算方法

因ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)與GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)熱量計算方法、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)引用標(biāo)準(zhǔn)相同，因此僅對比研究GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)和ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)

ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)在忽略了對理想氣體摩爾發(fā)熱量進(jìn)行焓修正的前提下，認(rèn)為以摩爾為基準(zhǔn)或以質(zhì)量為基準(zhǔn)的真實(shí)氣體發(fā)熱量等于相應(yīng)的理想氣體發(fā)熱量。通過以體積為基準(zhǔn)的理想氣體發(fā)熱量計算真實(shí)氣體發(fā)熱量，首先需要求得天然氣的壓縮因子。

當(dāng)p0=101.325 kPa 時， 計量參比壓力p2在90~110 kPa 的范圍內(nèi)，天然氣的壓縮因子計算公式為：

式中：p0為參比壓力，kPa；p2為計量參比壓力，kPa；t2為計量參比溫度，℃；xj為天然氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù)； ()t2，p0為求和因子，ISO 6976 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給出。

燃燒溫度為t1，計量溫度為t2，計量壓力為p2時，理想氣體體積發(fā)熱量：

真實(shí)氣體體積發(fā)熱量：

式中：xj為天然氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；為天然氣各組分的理想摩爾發(fā)熱量，kJ·mol-1，ISO 6976 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給出；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 462 1 J·mol-1·K-1；T2為熱力學(xué)溫度，K；Z(t2，p2)為氣體的壓縮因子。

3.2 GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)

天然氣的壓縮因子：

式中：pb為參比壓力，psi；xi為天然氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；bi為求和因子，GPA 2145 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給出。

理想氣體體積發(fā)熱量：

真實(shí)氣體體積發(fā)熱量：

式中：xi為天然氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；為天然氣各組分的理想氣體體積發(fā)熱量，Btu/ft3，GPA 2145 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給出；Z為氣體的壓縮因子。

4 計算實(shí)例

根據(jù)兩個標(biāo)準(zhǔn)的參比條件，使用標(biāo)準(zhǔn)中提供的方法對發(fā)熱量進(jìn)行計算，分析計算結(jié)果的差異性。

4.1 參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa

1）使用GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量示例見表1。

得出壓縮因子Z=0.997 56 ，理想氣體體積發(fā)熱量Hvid約為39.559 6 MJ/m3，真實(shí)氣體體積發(fā)熱量Hv約為39.656 2 MJ/m3。

2）使用ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量示例見表2。

表2 使用ISO 6976標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量示例一Tab.2 Example 1 for calculating natural gas(dry)calorific value using ISO 6976 standard

得出壓縮因子Z(15.55,101.325 )=0.997 57。

理想氣體體積發(fā)熱量為：

真實(shí)氣體體積發(fā)熱量為：

4.2 參比溫度15 ℃、參比壓力101.325 kPa

1）使用GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量計算示例見表3。

表3 使用GPA 2172標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量示例二Tab.3 Example 2 for calculating natural gas(dry)calorific value using GPA 2172 standard

壓縮因子Z=0.997 56 ，理想氣體體積發(fā)熱量真 實(shí) 氣 體 體 積 發(fā) 熱量Hv=39.734 6 MJ/m3。

2）使用ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量示例見表4。

表4 使用ISO 6976標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣（干燥）發(fā)熱量示例二Tab.4 Example 2 for calculating natural gas(dry)calorific value using ISO 6976 standard

得出壓縮因子Z(15，101.325 )=0.997 55。

理想氣體體積發(fā)熱量為：

真實(shí)氣體體積發(fā)熱量為：

5 發(fā)熱量計算結(jié)果統(tǒng)計分析

隨機(jī)選取國內(nèi)各地天然氣管網(wǎng)內(nèi)氣體組分20組，通過使用上述計算方法分別計算氣體的體積發(fā)熱量，并使用常用的統(tǒng)計分析方法比較所獲得的結(jié)果之間的差異。ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)和GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)計算發(fā)熱量的相對偏差以及標(biāo)準(zhǔn)偏差見表5，在參比溫度15℃、參比壓力101.325 kPa 下，兩個計算標(biāo)準(zhǔn)之間的相對偏差最大為0.004 3%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 3%。

表5 ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)和GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)計算發(fā)熱量的相對偏差以及標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.5 Relative deviation and standard deviation of calculated calorific value according to ISO 6976 standard and GPA 2172 standardMJ/m3

6 水蒸氣的發(fā)熱量處理

計算過程以干燥氣體為前提，如果氣體實(shí)際含有水，但氣體組分基于干燥氣體分析，說明水蒸氣已經(jīng)取代了一部分氣體，降低了熱值，因此有必要調(diào)整各組分氣體的摩爾分?jǐn)?shù)。

GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)和ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)考慮了水蒸氣對發(fā)熱量的影響，而ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)并未直接說明水蒸氣對發(fā)熱量的影響，而是在文中引用了另一個標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR 29922[10]，討論了水蒸氣對直接測量的發(fā)熱量和計算的發(fā)熱量的影響。

經(jīng)過總結(jié)，上述標(biāo)準(zhǔn)對水蒸氣的發(fā)熱量處理程序相同。水蒸氣可能以分壓pw至計量系統(tǒng)參比溫度t2下的飽和蒸氣壓ps存在于天然氣中，天然氣中的水蒸氣看作是干氣體積減少了pwps，因此測定的發(fā)熱量為干氣發(fā)熱量減去這部分發(fā)熱量，具體公式為：

以第4 節(jié)的數(shù)據(jù)為例，對比干氣發(fā)熱量和以干氣組分分析為基礎(chǔ)計算水蒸氣飽和氣體的發(fā)熱量。在參比溫度15 ℃、參比壓力101.325 kPa，使用ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)計算干天然氣的理想氣體體積發(fā)熱量為39.636 2 MJ/m3。在此參比條件下，飽和蒸氣壓為1.706 kPa， 則飽和天然氣中水的摩爾數(shù)為xw為0.016 837。

因此水蒸氣飽和氣體的體積發(fā)熱量是干氣發(fā)熱量的0.988 316 3 倍，即：Hv( sat )為38.968 8 MJ/m3。

7 結(jié)論

1） 在不同參比條件下使用GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)和ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)計算天然氣的體積發(fā)熱量，計算結(jié)果的差異性比較小。在滿足適用范圍的條件下，兩個標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果的差異性不超過0.01%。

2）ISO 6976標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)參比壓力為101.325 kPa，計量參比溫度和燃燒參比溫度為0 ℃、15 ℃、15.55 ℃、20 ℃、25 ℃氣體體積發(fā)熱量的計算，GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)參比壓力101.325 kPa、參比溫度15℃和參比壓力101.325 kPa、 參比溫度15.55 ℃天然氣體積發(fā)熱量的計算，而ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa 的天然氣體積發(fā)熱量，計算ISO 6976 參比溫度覆蓋范圍更廣。

3） ISO 6976 標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)熱量計算包含摩爾發(fā)熱量、質(zhì)量發(fā)熱量和體積發(fā)熱量，GPA 2172 標(biāo)準(zhǔn)和ASTM D 3588 標(biāo)準(zhǔn)因其引用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)只有純組分的體積發(fā)熱量，只能進(jìn)行體積發(fā)熱量的計算。

4）參比壓力為101.325 kPa，參比溫度分別為0 ℃、15 ℃、15.55 ℃和20 ℃時，干氣發(fā)熱量因水蒸氣的存在分別降低0.603%、1.684%、1.684%、2.308%，因此在天然氣發(fā)熱量計算過程中確定水蒸氣的含量對計算結(jié)果準(zhǔn)確性至關(guān)重要。