天然气压缩因子的分析及其计算

天然气压缩因子的分析及其计算谢莉莉刘劲松/上海公正燃气计量站摘 要 根据天然气压缩因子的2种计算方法：用摩尔组成进行计算和用物性值进行计算编制计算机程序，并运用此程序研究天然气压缩因子与温度、压力之间的关系。关键词 天然气；压缩因子；计算方法0 引言天然气是重要的能源之一，随着天然气贸易量的增加，其流量计量越来越被人们重视。在天 然气流量计量中，天然气压缩因子是决定其准确 与否的关键因素之一。天然气压缩因子是实际气体状态采用理想气 态方程时引入的偏差修正系数。实际上，符合理 想气态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 对气体流量测量的准确性和可靠性难以评价，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 方程进行描述。在高压、低温下，任何气体理想 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，因而需要引入一个 压缩校正因子 Z 来修正气体的状态方程，如式（1） 所示。对于压缩因子大多是文献上查得的或是通过图表获得。若是用图表方式，则整个计算过程不仅费 时费力，而且计算误差大，结果不准确。而国外 的进口流量计，像压缩因子等技术核心不公开， 因此有必要编制一套计算程序来计算天然气压缩 因子，确保天然气流量计量的准确性。本文将介 绍程序的编制简要以及运用该程序研究压缩因子 与温度、压力之间的关系，并对两种方法进行比较。1计算程序编制天然气压缩因子的计算方法有 2 种：用天然气的摩尔组成进行计算和用天然气的物性值进行 计算。编制计算机程序的主要任务就是对天然气压 缩因子进行分析，对描述压缩因子的特征方程进 行解剖，并根据分析结果和解剖过程对上述的 2 种方法编制计算机程序。这 2 种方法都需要运用 多 个 参 数 表， 这 些 参 数 看 似 简 单， 但 错 综 复 杂， 必须对此进行深入的研究，找出它们之间的关系， 对计算方程进行简化。1.1 用摩尔组成计算（1）因此，天然气压缩因子 Z 在天然气这一重要能源计量中起着举足轻重的作用。虽然 GB/T 17747-1999天然气压缩因子的计 算对天然气压缩因子进行了详细的描述，但是用 摩 尔 组 成 进 行 计 算 又 称 为 AGA8-92DC 计算方法，是用已知各气体详细的摩尔分数组成和 相关压力、温度计算气体压缩因子。该方法要求 对 摩 尔 分 数 超 过 0.000 05 的 所 有 组 分 进 行 分 析。首先，将压力 p 、温度 t 、高位发热量 Hs ,C8 的所有烃类以及 N2、CO2 和 He，对含人工掺合相对密度 d 、二氧化碳摩尔数 xCO2、氢气摩尔数xH2 输入到方程中去，找出密度与空气密度的关系以及二氧化碳摩尔数与氢气摩尔数之间的关系，确定第二维利系数 B 和甲烷（CH4）高位发热量 的值，再计算密度。当在迭代计算中同时满足两 个收敛判断标准时，即得到了迭代中间数据的最 终结果，求得第二、第三维利系数后代入维利方 程中就能计算给定压力和温度下的压缩因子 Z。1.3 程序的准确性验证物的天然气，H2、CO 和 CH4 也是重要的分析组成，对更宽类别的天然气，H2O 蒸汽和 H2S 等组分分 析更是不可忽视的。AGA8-92DC 计算方法所使用的方程是基于这 样的概念：管输天然气的容量性质可由其气体的 组 成 来 表 征 和 计 算。 因 此 AGA8-92DC 计 算 方 法 所使用的方程涉及的系数颇多，需要多次运用连 加、二重求和甚至三重求和等数学方法。编程时主要是利用参数的特点来简化方程。*例 如 通 过 观 察， 计 算 系 数 Cn 方 程 中 的 参 数 gn、qn、 fn 的值只有 0 或 1，因此涉及这三个参数因子 的值也只有 2 种可能性，通过这种化简方法得到程序的准确与否关系到该程序能否运用于实际的流量计量中去。GB/T 17747-1999 对于每个计 算方法都提供了 60 个已经核实的计算示例，利用 编制的计算机程序，对 60 个样本进行了计算，全 部与标准数据一致，这就充分说明了所编制程序 的正确性。为了方便验证计算机程序的准确性，在编程 时建立了一个 EXCEL 数据库，存放了每个方法的60 个计算示例的所有数据。如果要使用样本示例 验证程序，只需输入 160 中的任意一个数字，程 序就会自动显示各个组分的成分以及计算应得的 压缩因子数值，点击“开始计算”按钮得到程序 计算结果，程序的准确性便能一目了然。1.4 其他*的系数 Cn 的各个表达式不仅式子简单，而且计*算方便，相比直接运用 Cn 方程，在很大程度上提高了计算机的计算速度。 另外，也可利用方程本身所具有的特点来简化方程，降低编程的难度。例如第二维利系数 B 的计算方程涉及三重求和，颇为复杂。如果直接 运用 B 的表达式计算，可以想象计算量是巨大的， 算法编译难度大，需要运用三重循环，较为费力 费时。在编制程序的前期，对 B 进行了研究，在 拆分了 B 的各个分式，并代入有特定值的参数后 发现：B 的分式 B3 B18 的表达式非常有规律，类 似上三角阵，而且相互类似，只需运用一个循环 语句就可以得到 B 的计算结果。1.2 用物性值计算为了使程序在使用时更为方便，添加了许多人性化的设计。1）错误提示 本 程 序 中 的“ 错 误 提 示 ” 功 能 是 一 大 亮 点，提高了使用的效率，极大地方便了操作使用者。 在使用过程中，由于天然气中各个组分的范围各 不相同，用户在输入数据时要经常翻找资料，十 分不便，因此在编制的过程中加入了错误提示， 一旦用户输入的数据超过范围，程序会出现诸如 “数据超出应用范围，是否重新输入？”的对话框， 使用户能够快速了解正确的范围，避免不必要的 错误，也方便了用户。虽然数据超出应用范围时，程序会出现错误 提示，但是用户还是能继续运算压缩因子。不过， 数据超出应用范围时的压缩因子不能满足不确定 度要求，只是有个大致数据可以估计压缩因子的 取值范围，提高了程序使用的广泛性。2）天然气流量换算公式用物性值进行计算又称为 SGERG-88 计算方法，是用已知的高位发热量、相对密度和 CO2 含 量及相应的压力和温度计算气体的压缩因子。SGERG-88 计算方法所使用的方程是基于这 样的概念：将天然气混合物本质上看作 5 种组分( 等价烃类气体、N2、CO2、H2、CO) 构成的混合物， 其容量性质可由一组合适的、特征的、可测定的 物性值来表征和计算。SGERG-88 计算方法的方 程相对前者较为简单，且技术内核的开放程度较 高，尤其适合用于无法得到气体摩尔全组成的情 况。但是它使用了多次迭代，中间数据较多，参 数之间的关系以及计算步骤都较为错综复杂，稍 不留意就会产生错误。根据这个方法编制程序的 难点主要在于：理清各个参数之间的迭代循环关 系，关注中间过程。本程序还附加了工况流量和结算流量的换算的影响是巨大的，在实际运用中，压力是必须予公式，可以方便用户计算结算流量。2天然气压缩因子分析利用编译程序，对温度、压力和压缩因子之间的关系进行分析。2.1 温度和压缩因子的关系以 考 虑 的 最 重 要 因 素 之 一。 虽 然 在 1 MPa 以 下，压缩因子变化不大，但毕竟还有近 2.7% 的误差， 在贸易结算中不得不考虑。在 AGA8-92DC 计 算 方 法 中， 当 压 力 固 定为 6 MPa 时，温度与压缩因子的关系如图 1，在 SGERG-88 计算方法中，当压力固定为 6 MPa 时， 温度与压缩因子的关系如图 2。可以看出，曲线的趋势是向上的，也就是说 在一般的输气条件下，当天然气的压力固定不变 时，天然气的压缩因子是随温度的逐渐增加而增 大。也就是说，温度对天然气压缩因子的影响很大， 当温度变化时，不能把天然气压缩因子当作常数 看待，否则，必定造成天然气流量计量的极大误差。图 3 温度为 270 K 时不同压力下的压缩因子图 4 温度为 270 K 时不同压力下的压缩因子图 1 压力为 6 MPa 时不同温度下的压缩因子2.3 AGA8-92DC 和 SGERG-88 两 种 方 程 中 压 缩因子计算值的比较通过图 5、图 6 可以很直观地看出：两种方法在相同状态下的压缩因子相差无几；再从数值 上观察，压缩因子的区别仅在小数点后的第 3 或 第 4 位。因此，可以得出：两种计算方法在输气图 2 压力为 6 MPa 时不同温度下的压缩因子2.2 压力和压缩因子的关系在 AGA8-92DC 计 算 方 法 中，当天然气温度为270 K 时，天然气压力和压缩因子之间的关系如图3， 在 SGERG-88 计 算 方 法 中， 当 天 然 气 温 度 为270 K 时，天然气压力和压缩因子间的关系如图 4。 可看出，在一般的输气条件下，当温度固定不变时，天然气的压缩因子随压力的增加而有减 小的趋势。也就是说，天然气的压力对压缩因子图 5 压力为 6 MPa 时不同温度下的压缩因子行核查，为天然气流量仪表的检定、校准提供了一个有效的工具。其次，可以分析天然气流量仪表应用在组分不同的介质中可能造成的误差，也 为进一步分析、研究天然气压缩因子提供了手段。 由于天然气压缩因子的计算十分复杂，计算程序 的编制为其他非专业人员进行天然气流量计算提 供了可能。参考文献：1全国天然气标准化技术委员会. GB/T 17747-1999S . 北京：中国标准出版社，1999.Starling K E, Savidge J L. Compressibility Factors of Natural Gas and Other Related Hydrocarbon GasesJ. AGA Transmission Measurement Committee Report, 1994(8): 204.图 6 温度为 270 K 时不同压力下的压缩因子2和配气压力及温度范围内结果基本相等。3结束语目 前 上 海 的 燃 气 市 场 是 人 工 煤 气、 天 然 气、液化气“三足鼎立”，按规划，到 2015 年，城市 燃气基本实现天然气化。在天然气比重不断增加 的今天，天然气流量计量就显得尤为重要。就天 然气压缩因子进行分析研究，编制计算程序，对 开展天然气流量计量具有积极的指导意义。首先， 此程序的功能之一利用工况流量计算结算流量， 此功能能够使用户清楚地了解到工况流量和结算 流量之间的关系，准确地开展天然气贸易计量。 由于目前市场上的天然气流量仪表大多为进口装 置，技术核心不对外公开，导致无法对其中参数 的准确性进行验证。在这种情况下，利用此程序 可以顺利地对此类流量仪表中的压缩因子参数进Analysis and calculation of compression factorof natural gasXie LiliLiu Jinsong（Shanghai Gongzheng Measurement Station for GasFlow）Abstract: The computer program is worked out according to two different methods of compression factor of natural gas: calculation using molar- composition analysis and Calculation using physical The relations between compress factor and temperature or pressure are researched by the computer program.Keywords: natural gas；compression factor；method of calculation（上接第 26 页）谬误。利用公式推导指出了检测粒径只需选取一 种即可，这样可操作性更强，效率更高。最后作 者对比了 GB50073-2001 与我国 GMP 空气洁净度 级别，同时指出其中容易造成错误认识的地方。5 刘俊杰, 柏婧, 朱能. 医药工业洁净室悬浮粒子测试方法的分析J. 洁净与空调技术, 2004(01)：31-33.Analysis of the problems in air cleanliness testLiang Xiwen参考文献：（Guang Dong Qing Yuan Supervision Insititue ofQuality and Metrology）1Technical Committee ISO/TC 209 Cleanrooms and associatedcontrolled environments. ISO14644-1S. Switzerland, 1999. 中国电子工程设计院. GB50073-2001S. 北京：中国计划出版 社，200