天然气流量计量中压缩因子影响探讨(油气计量论文).docx

2014中国油气计量技术论坛论文 编号：天然气流量计量压缩因子影响探讨 张秋萍 中国石化仪征化纤股份有限公司设备管理部联系电话子邮箱：二一四年五月6天然气流量计量压缩因子影响探讨张秋萍 （仪征化纤股份有限公司设备管理部 江苏仪征211900）摘要：通过分析天然气流量计量原理，利用文献资料提供的实验数据，结合理论研究结论，得出天然气压缩因子的影响因素有：工况压力、温度及气体组份，定性并部分定量给出了这些因素对压缩因子及计量值的影响,探讨了天然气流量计量的最佳解决方案。关键词：压缩因子 工况压力 工况温度 气体组份 计量误差To investigate the influence of compressibility factor of natural gas flow meteringZhang quipping(Equipment management department of Yizheng Chemical Fibre Co.，Ltd.，Yizheng Jiangsu 211900) Abstract: Through the analysis of natural gas flow measurement principle, the experimental data provided by the literature, combined with the theoretical research conclusions, obtained the influencing factors of natural gas compression factor: working pressure, temperature and gas composition, qualitative and quantitative given the impact of these factors on the compression factor and the value of measurement, discusses the optimal solution of natural gas flow measurement.Keywords: compression factor working pressure working temperature gas composition measurement error. 一、引 言目前，国内天然气作为一种重要的清洁能源越来越多地被应用，管输天然气的贸易结算大都采用换算到标准状态（1个标准大气压、20）下的标况体积流量。通常情况下，当气体的压力接近于标准大气压时，可以近似地作为理想气体处理，理想气体遵循状态方程PV=nRT（式中P为气体的绝对压力，V为气体的体积，n为物质的量，R为普适气体常数，T为气体的绝对温度）。标况下体积流量V0为：V0= V1P1P0T0T1 （1）式中：V1为工况体积流量；P0、T0为标准状态下气体的绝对压力、绝对温度；P1、T1为工况下气体的绝对压力、绝对温度。而实际上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。当气体处于高压、低温条件下，会显著偏离理想气体状态方程。工程上采用压缩因子Z对理想气体状态方程进行修正，状态方程表示为：PV=nZRT （2）式中：Z为绝对压力P、绝对温度T下的压缩因子，对于理想气体，任何温度、压力下Z都等于1，对于实际气体，Z的数据与1相差越大，表明其与理想气体的偏离程度越大。考虑压缩因子后，公式（1）转化为标准状态下体积流量公式:V0= V1 P1P0T0T1Z0Z1 (3)式中：Z0、Z1分别是标准状态下、工况状态下气体的压缩因子，Z0/ Z1又称为体积修正系数。二、修正计算对单一气体，压缩因子Z的确定已很复杂，对自身组分复杂的天然气来说，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国家标准GBT177471-31999，采用国际标准化组织(IS0)天然气技术委员会推荐的2个以状态方程为基础的计算方法。第一个方程被称为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一88方程，是20世纪80年代由德国、英国等国家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一88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人数据。AGA892DC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000005的所有组分，所有组分的摩尔分数之和应等于100001，对典型的管输气，分析组分包括碳数最高到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C2 H4 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一88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263338 K(相当于一1O65)，操作压力不超过12 MPa。在此范围内，如不计包括相关的温度和压力等输人数据的不确定度，则2种计算方法的预期不确定度约为01% 。1三、差压式天然气计量系统误差分析在天然气流量计量中，超声波流量计、质量流量计等投资费用高昂，目前依然有大量的天然气流量计量采用费用相对低廉、有丰富使用维护经验的差压式流量计，分析差压式流量计计量准确性的影响因素和影响程度就十分必要了。下面针对我公司天然气流量计量方式加以分析。（一）差压式流量计计算模型我公司选用的流量计算机计算模型为：V1=kP1 （4）式中：V1表示工况流量，k表示流量系数，1表示工况下的流体密度流体密度1计算公式为：1=mV1 （5）式中：m为摩尔质量，V1为工况体积标况流量V0再由式（3）计算得到，式（4）、（5）代入式（3）：V0= k P1P0T0T1Z0Z1P1V0 = k P1P0T0T1Z0Z1P1mp1T0*Z022.4P0T1Z1V0 =k22.4mPP1P0T0T1Z0Z1 (6)（二）公司天然气计量系统现状公司天然气计量采用差压式流量计，进行了工况温度、压力测量，流量计算机进行体积流量计算，没有配备组份分析仪表。正常工作状态是：瞬时流量范围变化很小，工作绝对压力2.0MPa左右，通过调节基本稳定，工作温度四季变化范围为：（-10-30），因温度、压力对压缩因子的影响量无法得到准确的计算数据，也未配备成分分析仪表，目前未对压缩因子进行修正, 体积修正系数在流量计算机中设置为1。（三）体积修正系数的影响量及误差分析从理论分析结论我们知道，影响天然气压缩因子的主要因素是：温度、压力、气体的成分变化。下面着重分析这几方面对Z0/Z1的影响，同时给出Z0/Z1设置为1引起的测量结果误差。1天然气压力变化的影响因上文提到公司流量计工作压力受控，变化很小，对Z0/Z1影响较小。2天然气温度变化的影响我们首先假设天然气成份保持不变，分析温度变化的影响。因操作压力能控制在2.0MPa左右，当温度在（-10-30）范围内变化时，查文献资料2，下表1是某种组份天然气用SGERG-88方法计算出的温度与Z0/Z1之间的关系。表1 用SGERG- 88计算出的温度与Z0/Z1之间的关系2绝对压力（MPa）温度（）-1001020302.01.05791.05061.04441.03911.0344Z0/Z14.01.12741.10941.09451.08221.0716将Z0/Z1值代入公式（6）计算，温度变化对测量结果的影响可计算如下表2。表2 温度变化对测量结果V0的影响温度（）Z0/Z1Z0Z1 Z0/Z1设为1时与理论值V0偏差（%）-101.05791.0285 -2.7801.05061.0250 -2.44101.04441.0220-2.15201.03911.0194-1.90301.03441.0171-1.68从表1、表2可见，当不考虑组份变化、压力变化、差压式流量计系统误差的影响，温度越低Z0/Z1越大，将Z0/Z1简单设为1时，测量值与理论值相对误差越大，在-10 时达-2.78%，对于天然气计量影响很大。3天然气成份变化的影响假设工况压力、温度不变，天然气成份变化对压缩因子也有着不可忽略的影响。查文献资料3，在工况压力为1.15MPa，温度 为288K时，分析某天然气公司几种不同成份的天然气，得到下表3数据。表3 几种气样Z0/Z1比值对比表3甲烷含量%相对密度标况下压缩系数Z0工况下压缩系数Z1Z0/Z1740007170997409583104087833O717099690961210372800706990997l0958310405834206720997609685103008558063909978O96941029387070634O99790970010288同样将Z0/Z1代入公式（6）计算，天然气成份变化对测量结果的影响可计算如下表4。表4 组份变化对测量结果V0的影响甲烷含量%Z0/Z1Z0Z1 Z0/Z1设为1时与理论值V0偏差（%）7400104081.0202-1.987833103721.0184-1.818007104051.0200-1.978342103001.0149-1.478558102931.0145-1.438707102881.0143-1.41从表3、表4可见，当不考虑温度、压力变化、差压式流量计系统误差的影响，甲烷含量越低，Z0/Z1越大，将Z0/Z1简单设为1时，测量值与理论值相对误差越大，在甲烷含量为74%时，达-1.98%，对测量值结果影响较大。综上，当压缩因子、体积修正系数未进行修正，操作条件温度、压力、天然气中气体成份的变化，都使得测量值与实际值产生较大的误差，当这些影响因素出现叠加，再考虑到差压式流量计理论上准确度等级为2.0的系统误差，该套流量计测量不确定度大，要给出定量的误差计算还需要进一步研究与探讨。四、结果讨论天然气计量研究工作已能提供压缩因子的计算软件，进一步减小流量计算误差也变得可行了。可计算温度、压力、天然气成份对压缩因子的影响，将补偿值输入流量计算机，在现有流量计量系统基础上，实施改进，降低误差。目前，国际国内天然气交接计量多采用成熟厂家的多声道超声波流量计，配备在线气相色谱仪进行实时气体成份分析，实时温度、压力变送器数据也接入流量计算机，可以实时进行温度、压力、压缩因子的补偿计算,达到0.5级的准确度等级，缺点是投资费用昂贵