GBT 17747.3-1999 天然气压缩因子的计算 第3部分：用物性值进行计算

前言本标准等效采用 天然气压缩因子的计算用物性值进行计算 本标准在技术内容和编写格式上与 完全一致 本标准取消了国际标准的附录 和附录本标准中高位发热量和相对密度采用的参比条件同我国石油气体所采用的标准参比条件不同 为方便使用在 和 增加了注 和注 在附录 的表 和表 中补充了我国石油气体规定的标准参比条件和同本标准采用的参比条件间的换算关系式天然气压缩因子的计算 标准包括以下 个部分第 部分 导论和指南 第 部分用摩尔组成进行计算 第 部分用物性值进行计算 本标准是第 部分 用物性值进行计算本标准的附录 附录 附录 附录 是标准的附录本标准的附录 是提示的附录本标准由原中国石油天然气总公司提出本标准由石油工业天然气专业标准化技术委员会归口并负责解释本标准起草单位中国石油天然气集团公司四川石油管理局天然气研究院本标准主要起草人罗勤陈赓良曾文平 许文晓富朝英陈荣松前言国际标准化组织 是各国家标准化机构 成员组成的世界性的联合会 制定国际标准的工作通常由 技术委员会完成 对技术委员会提出的项目感兴趣的每个成员都有权参加 与 保持联系的各政府或非政府的国际性组织也可以参加此项工作 所有电工技术方面的标准化工作 与国际电工委员会 保持密切的合作由技术委员会通过的国际标准草案交各成员进行表决投票要求至少有 的成员同意才能作为国际标准正式发布国际标准 是由天然气技术委员会 下的天然气分析分委员会制定的天然气压缩因子的计算 标准包括以下 个部分第 部分导论和指南第 部分用摩尔组成进行计算第 部分用物性值进行计算附录 附录 附录 附录 是标准的附录 附录 附录 附录 是提示的附录中华人民共和国国家标准天然气压缩因子的计算第 部分 用物性值进行计算国家质量技术监督局 批准 实施范围本标准规定了天然气 含人工掺合物的天然气和其他类似混合物仅以气体状态存在时的压缩因子计算方法 该计算方法是用已知的高位发热量 相对密度和 含量及相应的压力和温度计算气体的压缩因子 如果存在 也需知道其含量 在含人工掺合物的气体中常有这种情况注 已知高位发热量相对密度 含量和 含量中任意三个变量时 即可计算压缩因子 但 含量作为输入变量之一的计算方法不作为推荐方法 一般是使用前面三个变量作为计算的输入变量该计算方法又称为 计算方法主要应用于在输气和配气正常进行的压力 和温度 范围内的管输气 不确定度约为 也可用于更宽范围但计算结果的不确定度会增加 见附录有关该计算方法应用范围和应用领域更详细的说明见引用标准下列标准所包含的条文 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文 本标准出版时所示版本均为有效 所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性力学的量和单位热学的量和单位天然气发热量密度相对密度和沃泊指数的计算方法天然气压缩因子的计算第部分导论和指南天然气压缩因子的计算第部分用摩尔组成进行计算定义相关于本标准的所有定义见 文中出现的符号所代表的含义及单位见附录计算方法原理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一组合适的特征的可测定的物性值来表征和计算 这些特征的物性值与压力和温度一起作为计算方法的输入数据该计算方法使用高位发热量相对密度和 含量作为输入变量 尤其适用于无法得到气体摩尔全组成的情况 它的优越之处还在于计算相对简单 对含人工掺合物的气体需知道 的含量方程计算方法是基于 标准维利方程 表示为 方程见该 方程是由 维利方程推导出来的 方程是基于摩尔组成的计算方法方程可写作式中 高位发热量 相对密度 气体混合物中不可燃和可燃的非烃组分 的含量及温度 的函数摩尔密度由方程 得出式中计算方法把天然气混合物看成本质上是由等价烃类气体 其热力学性质与存在的烃类的热力学性质总和相等 和 组成的五组分混合物 为了充分表征烃类气体的热力学性质 还需要知道烃类的发热量 压缩因子 的计算公式如下为了能模拟焦炉混合气一般所采用的 摩尔分数与 含量存在一个固定的比例关系 若不存在 则设 这样在计算中可将天然气混合物看成是由三个组分组成的混合物 见附录计算按三个步骤进行 首先 根据附录 描述的迭代程序通过输入数据得到同时满足已知高位发热量和相对密度的五种组分的组成 其次按附录 给出的关系式求出 和 最后 用适宜的数值计算方法求解联立方程 和 得到 和由输入数据计算压缩因子 的计算程序流程见附录 中的图输入变量优先选择的输入数据组计算方法的输入变量包括绝对压力热力学温度和高位发热量 体积基 相对密度含量及 含量 用作输入数据组 组的物性值有和 组相对密度指 的 规定参比条件下的相对密度 高位发热量指的 规定参比条件下的高位发热量可选择的输入数据组除 中优先选择的输入数据组 之外 还有其他三组可选择的输入数据用于 计算方法和 组和 组和 组用以上输入数据组得到的计算结果仅在小数后第四位上可能有差异 本标准推荐使用输入数据组应用范围管输气计算方法对管输气的应用范围如下绝对压力热力学温度的摩尔分数的摩尔分数高位发热量相对密度注 将本条中的高位发热量和相对密度换算为我国石油气体标准参比条件下的高位发热量和相对密度 则高位发热量范围为 相对密度范围为天然气中其他组分的摩尔分数不作为输入数据 但是他们必须在下列范围之内和更高碳数烃类计算方法仅适用于单相气态 高于露点 混合物在操作压力和操作温度下压缩因子的计算 该方法还适用于更宽压力和温度范围下管输气压缩因子的计算但不确定度增加 见图图 压缩因子计算的不确定度范围 给出的不确定度范围仅适合于满足下面条件的天然气和类似气体更宽的应用范围超出 所给出范围的应用范围如下绝对压力热力学温度的摩尔分数的摩尔分数高位发热量相对密度注 将本条中的高位发热量和相对密度换算为我国石油气体标准参比条件下的高位发热量和相对密度 则更宽的高位发热量范围为 相对密度范围为天然气中其他主要组分摩尔分数的允许范围如下管输气中微量和痕量组分含量范围见计算方法不能超出以上范围使用 附录 所描述的计算机执行程序不允许组成范围超过以上各极限值不确定度管输气压缩因子计算的不确定度计算方法在温度 天然气组成为见图 时 计算管输气压缩因子其计算结果的预期不确定度 如下压力在最高为 的范围内时为 压力在 时为当 时在温度为 的范围内 仅当最大压力为 时 计算结果的不确定度 才能保持在 以内 不确定度水平是通过比较实测的天然气压缩因子数据而得到的更宽的应用范围压缩因子计算的不确定度超出 给出气质范围的气体压缩因子计算的预期不确定度见附录输入变量不确定度的影响表 列出的是相关输入变量的典型不确定度值这些值可在最优操作条件下获得根据误差传播分析 输入变量的不确定度会对压力为 温度在 范围内的压缩因子计算结果产生约 的附加不确定度 当压力大于 时附加不确定度会更大且大致与压力成正比例增加表 相关输入变量的典型不确定度值输入变量 绝对不确定度绝对压力热力学温度相对密度高位发热量结果的表述压缩因子计算结果应保留至小数点后四位同时给出压力和温度以及所使用的计算方法计算方法 验证计算机程序时压缩因子计算结果应给出更多的位数附录标准的附录符号和单位符号含义 单位摩尔发热量 展开式中的零次项 常数 方程摩尔发热量 展开式中的一次项 一次 方程摩尔发热量 展开式中的二次项 平方 方程温度展开式中的项方程温度展开式中的项方程温度展开式中的项 方程温度展开式中的项方程第二维利系数方程组分 和组分 间二元交互作用第二维利系数 方程摩尔发热量 展开式中的零次项常数 方程摩尔发热量 展开式中的一次项一次 方程摩尔发热量 展开式中的二次项平方 方程温度展开式中的项 方程温度展开式中的项方程温度展开式中的项 方程温度展开式中的项方程第三维利系数方程组分 组分 和组分 间三元交互作用第三维利系数 方程相对密度 空气 方程迭代计算中摩尔发热量 的变化值 方程 和高位发热量摩尔发热量摩尔质量 方程 和绝对压力摩尔气体常数热力学温度摄氏温度 方程摩尔体积组分的摩尔分数二元非同类交互作用维利系数 和 表 和三元非同类交互作用维利系数 的混合规则参数 方程压缩因子质量密度方程 和摩尔密度附加的下标符号意义标准状态等价烃类一氧化碳二氧化碳氢气氮气附加的后缀符号意义空气 标准组成的干空气方程方程 中使用的特别 值等价烃 方程 和氮气 方程 和二氧化碳 方程 和氢气 方程 和一氧化碳 方程 和理想 理想气体状态迭代计数码迭代计数码迭代计数码附录标准的附录计算方法描述本附录给出了用于 计算方法的方程和系数值 同时描述了 计算方法所采用的计算机执行程序 该程序提供了标准的求解方法 验证计算机程序用的压缩因子数据见附录 如果计算机程序能够得到与之相等偏差在 之内的计算结果则可使用计算结果应如附录 中示例保留至小数点后四位计算方法的计算机执行程序压缩因子 的计算按 所述分 个步骤进行 如图 所示图 计算方法流程图组分的摩尔分数输入数据包括压力温度 高位发热量 相对密度以及 和 的摩尔分数 前三个参数值的单位凡不是 和 的首先必须按附录 中给出的换算关系分别换算成以 和为单位的值 然后 用输入数据计算下列中间数据烃类气体的摩尔分数的摩尔分数的摩尔分数等价烃的摩尔发热量等价烃的摩尔质量第二维利系数标准状态下的摩尔密度标准状态下的质量密度气体的高位发热量注 方程 中每一个符号代表一个物理量除以所选单位见附录 因而每一个符号是一个无量纲的数值在所要求的温度下 用中间数据计算天然气第二维利系数和第三维利系数 和将 求得的第二维利系数 和第三维利系数 代入维利方程计算给定压力和温度下的压缩因子注 所用符号的定义见附录中间数据的计算用图 中给出的迭代方法 由方程 计算 个中间数据这些方程中所使用的常数值见表空气理想理想图 中间数据迭代计算的流程图用摩尔发热量 迭代计算 内循环按顺序从方程 进行计算在第 次迭代得到第一组近似值 迭代计算初值是方程 中所使用的其他常数值见表表 方程 所使用的常数值同常 数 值 单 位理想空气内迭代循环的收敛判断标准是标准状态下气体密度计算值 与标准状态下已知气体密度值 可直接测量或由相对密度计算得到之差的绝对值小于 即如果未满足则用方程 计算方程 中所使用的摩尔发热量 的改进值其中式中 当前迭代下的密度值 由 开始计算用 作摩尔发热量输入数据通过方程 求得的密度当方程 左边小于 时 本次迭代计算结束 用第二维利系数的迭代计算开始用第二维利系数 迭代计算外循环由前面迭代计算得到的中间数据 和 以及输入数据 和 计算整个气体在标准状态下第二维利系数 的改进值天然气第二维利系数由方程 求得注 方程 中缺少的一些项 如 等不会提高计算准确度故设为零式中式中 和 温度函数的二次多项式方程 二次多项式表示的第二维利系数 和 是温度的函数一般形式是非同类交互作用维利系数 和 由方程 和 表示方程 中所涉及的系数见表方程 得到的 值 用于方程 计算 的第 次近似值然后反向使用方程 计算 值 由方程 求得式中 在 的摩尔发热量在 的摩尔发热量表 纯气体第二维利系数和非同类交互作用维利系数温度展开式中系数 和 的数值温度为 时 的单位是外迭代循环 的收敛判断标准 是测得的高位发热量 与计算的高位发热量 之差的绝对值 小于 即如果不满足 则将由方程 求得的 值用作方程 的新的输入值并用 和的当前值从方程 开始整个迭代程序也就是内迭代循环 重新开始当 和 两个收敛判断标准同时满足时即得到了摩尔分数 和 及摩尔发热量 等中间数据的最终结果维利系数计算天然气的第二维利系数 和第三维利系数 由 和 输入数据 及 和 中间数据 以及摩尔发热量 求得 见图 和图 压缩因子计算流程图第二维利系数 的计算按照 所描述步骤由方程 计算某一温度 下的第二维利系数 其中第三维利系数 的计算某一温度 下天然气的第三维利系数由方程 计算注 方程 中缺少的一些附加项不会提高计算准确度 故设为零方程 中式中 和 温度函数的二次多项式和 也是温度函数的二次多项式 即方程 和 中的系数见表表 纯气体第三维利系数和非同类交互作用维利系数的温度展开式中系数 和 的数值 温度为 时 的单位是其他非同类交互作用维利系数由方程 求得式中 由 给出注 方程 表明 取决于温度的非同类交互作用维利系数 主要由各纯组分的第三维利系数决定后者也取决于温度压缩因子和摩尔密度的计算压缩因子和摩尔密度计算的最后步骤是在给定压力 下联解方程 和 迭代计算中的第一个近似值 由方程 给出式中某一温度 下的第二维利系数 由方程 计算见图 然后根据方程 求改进计算值式中 某一给定温度 下混合气体的第三维利系数 由方程 计算 迭代计算的收敛判断标准 是由方程 计算的压力 与给定压力 之差的绝对值小于 见方程如果未满足则将摩尔密度的当前值 作为方程 的新的输入值 以计算摩尔密度改进值如果方程 左边值小于 迭代计算结束 最终的 就是摩尔密度值 压缩因子由方程 计算质量密度可由方程 式计算空气在应用于密度计算之前 和 值应先取到小数点后第四位密度计算结果保留至三位有效数字计算方法的一致性检验下列的试验用于对输入数据进行部分一致性检验 宜在 计算方法中应用输入数据应满足 判断标准中间数据 必须满足下列条件第三次迭代循环输入数据的内在一致性应满足附录标准的附录计算示例用经过验证的计算机程序对下述实例 见表 进行了压缩因子计算 所得出的压缩因子计算结果 见表 可作为编制的计算机程序验证用数据 如果编制的计算机程序能够得到与之相等 偏差在之内 的计算结果 则可使用 该经验证的计算机程序包含附录 中所描述的计算机执行程序表 输入数据气样 气样 气样 气样 气样 气样表 压缩因子计算结果条件气样 气样 气样 气样 气样 气样注 计算用的气体即是 附录 中的 个气体气体摩尔组成全分析的数据见附录标准的附录换算因子参比条件维利方程和 计算方法的计算机子程序使用的参比条件如下高位发热量燃烧参比条件体积计量参比条件相对密度体积计量参比条件计算中注意保证用于高位发热量和相对密度的参比条件输入值的正确性 一些国家通常使用上述参比条件而另一些国家使用其他的参比条件由于在各种参比条件下所测发热量的单位均为因此特别容易造成混淆 表 给出了世界主要天然气贸易国所使用的参比条件对那些用非公制发热量单位的例如用 作为发热量单位 则要求对单位和参比条件都进行换算表 不同国家发热量测定采用的公制参比条件中国澳大利亚奥地利比利时加拿大丹麦表 完法国德国爱尔兰意大利日本荷兰俄罗斯 或英国美国注 所有参比压力均为是燃烧参比温度是气体计量参比温度压力和温度的单位及换算因子如果输入变量压力 和温度 的单位不是所需的 和 则必须将它们换算成 和 以适用于计算机执行程序 单位间的换算因子见表表 压力和温度的换算因子压力 温度不同参比条件间高位发热量和相对密度的单位和换算因为高位发热量和相对密度是气体混合物组成的函数 而各个特定组分的热力学性质又以特定的方式取决于温度和压力 所以原则上不知道组成 就不可能精确地将某参比条件下的发热量和相对密度换算成另一参比条件下的发热量和相对密度然而 相关参比条件在热力学上总是相近的 且天然气主要组分的含量变化不大 所以对于典型的天然气实际上可以在所换算物性值准确度基本上不损失的情况下给出相应的换算因子单位间的