建筑环境与能源测试技术 第4版 课件 第8章 燃气参数测量

2026/8/151第8章燃气参数测量Gasparametermeasurement学习目标通过本章内容的学习，让学生了解到燃气中各成分所占的比例，了解热值是衡量燃气的一个重要指标，结合生活中的燃气使用，引发学生对燃气安全的重视，同时结合计量知识，培养学生的节能意识。学习要求掌握燃气的基本知识、掌握燃气的基本组分及其分析、掌握燃气的热值对使用过程的影响，了解使用燃气的安全事项，了解燃气火焰传播速度及燃气浓度报警仪的作用，并学会使用相关的测量仪器对燃气进行准确计量。重点难点重点：燃气流量计量、燃气成分分析和热值测量。难点：气相色谱法的燃气组分分析。本章导航07火焰传播速度和爆炸极限测量06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量01燃气参数测量基本知识目录8.1燃气参数测量基本知识定义:是指可以作为燃料的气体，它通常是以可燃气体为主要成分的、多组分的混合气体。种类:天然气(NaturalGas):从地下油气田开采出来的可燃气体，主要成分为甲烷。是目前应用最广泛的燃气类型。人工燃气(ManufacturedGas):以固体或液体燃料为原料加工制得，如焦炉煤气、水煤气。常用于特定工业领域。

液化石油气(LPG):石油炼制副产品，主要成分为丙烷和丁烷。常温下可加压液化，便于储存运输。生物气(Biogas):有机物质厌氧发酵产生，也称人工沼气。主要成分为甲烷和二氧化碳，是可再生清洁能源。主要成分:可燃成分:

氢气

(H2),一氧化碳

(CO),甲烷

(CH4),烃类等。不可燃成分:

二氧化碳

(CO2),氮气

(N2)

等惰性气体。其他:

氧气

(O2),水

(H2O),杂质。燃气类别主要成分低热值(MJ/m³)天然气甲烷

(CH4)、石油伴生气、凝析气田气、矿井气18.841-48.358人工燃气氢气

(H2)、一氧化碳

(CO)、焦炉煤气、水煤气、发生炉煤气等5.903-18.254液化石油气丙烷

(C3H8)、丁烷

(C4H10)108.438生物气甲烷

(CH4)21.7718.1燃气参数测量基本知识燃气主要参数：010302050604组成成分烃露点水露点硫含量基础状态参数：温湿度压力计量核心参数：流量体积流量质量流量能量流量（热量流量）安全参数：火焰传播速度物性参数：相对密度热值高位热值低位热值（常用）压缩因子等熵指数070809101112成分与杂质参数07火焰传播速度和爆炸极限测量06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量01燃气参数测量基本知识目录8.2

燃气与烟气的湿度测量燃气中的水分虽然含量不高，但对系统运行影响重大，主要体现在以下四个方面：影响计量准确性水蒸气会占据体积，导致体积流量计量“虚高”，造成贸易结算不公。影响燃烧效率水分会吸收燃烧热量，降低实际可用热值，造成能源浪费。造成设备腐蚀液态水会加速管道和设备的腐蚀，特别是在有酸性气体存在时，危害更大。形成水合物堵塞在一定温压下，水与天然气形成固态水合物，堵塞管道阀门，引发安全事故。燃气称量测湿计基本原理：直接测量法利用干燥剂（如氯化钙、五氧化二磷）对水分的强吸附性，让一定体积的湿燃气连续通过吸收管，使燃气中的水蒸气被完全吸收。称重吸收前后干燥剂的重量得到绝对湿度。计算公式：特点：结构简单，适用于高湿度、大流量、精度较低，易受操作影响。8.2

燃气与烟气的湿度测量燃气露点湿度计基本原理：测出含有水分的燃气露点温度和蒸发温度，查水蒸气分压力,计算出燃气的绝对湿度。或依据焓湿图求得相对湿度。露点湿度计1—燃气入口2—燃气出口3—镀镍薄铜管4—橡胶小球5—温度计6—玻璃容器瓶干湿球燃气湿度计特点：适用于低压燃气操作相对简便，但精度有限原理：类似干湿球温度计，利用湿纱布吸湿降温，干球温度计测实际温度，湿球温度计测湿球温度燃气干湿表1—干球温度计2—湿球温度计3—纱布4—胶塞5—铜管6—胶管7—玻璃杯8—联箱9—压力表10—入口11—出口特点：适用于低压燃气结构简单，操作方便精度一般，受环境影响较大8.2

燃气与烟气的湿度测量烟气冷凝测湿计气体微量水分仪基本原理：快速冷却高温烟气,使其中部分水蒸气凝结为液态水，收集并称重凝结水量，与冷却后烟气的饱和含湿量相加,即可得到烟气中总的含湿量(绝对湿度)。计算公式：适用场景：主要用于测量燃烧后高温烟气的含湿量。适用场景与定位：主要用于天然气等气体的在线连续测量，精准监测微量水分（露点），是保障现代燃气输配系统安全运行的关键仪表。种类：电容式微量水分仪压电晶体振荡式微量水分仪半导体激光式微量水分仪近红外漫反射式（光纤式）微量水分仪电解式微量水分仪：

基本原理：基于法拉第电解定律（电量法），利用电解电流与水分质量的正比关系进行测量。气体微量水分仪计算公式：06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量07火焰传播速度和爆炸极限测量01燃气参数测量基本知识目录8.2

天然气流量测量具体要求:流动状态：测量所用流量计要适应天然气的气体流态。物质属性：流量计的结构设计、安装、检定和校准等要求适应天然气的属性。清洁程度：需考虑天然气中有一定的液体和固体微粒。准确测量：流量测量是组合测量,要准确测量流量,需要准确测量各相关参数。节约能源：计量时,需认真考虑所选流量计的压损。参比条件：ISO

13223规定的标准参比条件:101.325kPa、15℃。我国的标准参比条件:101.325kPa、20℃。安全性：计量准确、操作安全。天然气流量测量方法：体积流量测量质量流量测量能量流量测量：计量更加合理、是目前国际上最流行的用于贸易和消费的计量结算方式。8.2

流量测量仪表仪表选用原则：性能价格比最优综合考虑五方面因素：仪表特性天然气特性环境因素安装因素经济因素商业用燃气仪表类型：容积式流量计(湿式、干式、膜式)速度式流量计(涡轮、涡街、旋进漩涡、超声波)差压式流量计(孔板)质量式流量计(科氏质量流量计)家庭用燃气仪表：多为干式小流量仪表

膜式燃气表

罗茨燃气表小流量计量：膜式表。中小流量计量：燃气公司与工业、商业及福利用户之间供用气量较大，一般选用涡轮、涡街、旋进、罗茨及工业皮膜表。大流量计量：天然气公司之间以及大工业用户之间供用气量大，一般采用孔板、涡轮、旋进智能流量计，超声流量计。

总结：容积式流量计涡轮流量计超声流量计螺旋转子流量计质量流量计燃气流量测量常用仪表1湿式气体流量计(湿式燃气表)计算公式：特点：结构简单，直观易读适用于低压小流量测量准确度受水位、温度、压力影响2干式气体流量计(干式燃气表)—广泛使用原理：皮膜运动计量气体体积多室皮囊结构(A,B,C,D室)滑阀控制气门启闭，实现周期性计量特点：结构相对复杂，但更可靠适用于稍大流量测量体积较大，不适合高压燃气流量测量常用仪表3膜式燃气流量计(膜式燃气表，干式燃气表的一种)—广泛使用类型：传统机械式膜式燃气表、预付费膜式燃气表、智能家用燃气表内部结构示意图实物图特点：结构紧凑，安装方便机械式可靠稳定，预付费便捷广泛应用于家庭燃气计量涉及产品规范：

GB/T6968-2011膜式燃气表

CJ/T112-2008IC卡膜式燃气表

JJG577-2012膜式燃气表智能燃气表实物图

天然气计量发展趋势1计量方式由体积计量向能量方式转变在天然气贸易计量中，以能量的方式进行结算是最公平的方法。随着社会主义市场经济的完善和我国加人WTO，在我国天然气贸易计量中实行能量计量势在必行。2计量技术实现自动化、智能化和远程化整个天然气计量系统，除流量计外，还有能提供补充测量数据的辅助仪表系统(如压力传感器、温度传感器、气体密度计、气相色谱仪等)，以及能按标准程序记录、储存和传输测量数据的计算数据收集和传输系统，甚至计算机网络。天然气计量已逐步向在线、实时、智能、实流检定发展，同时依靠网络技术实现远程化通讯、控制和管理，如SCADA系统应用。3计量仪表的多元化不同的流量计有不同的特点和适应范围,流量仪表选型由此呈现从单一仪表向多元化仪表方向发展。4计量标准体系日趋完善我国天然气计量标准不断发展、丰富和完善,结合国外标准后我国流量计量标准已基本构成完整的体系,正逐步由单一标准向多重标准发展。06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量07火焰传播速度和爆炸极限测量01燃气参数测量基本知识目录

燃气成分分析：了解燃气的“内在”重要性：

燃气是混合气体，成分复杂且多变。目的：检查燃气品质是否达标优化燃烧过程，提升设备效率核心方法：化学分析法：经典方法，但操作繁琐。物理分析法：快速便捷，但精度有限。色谱分析法：高效精准，现代主流。质谱分析法：高分辨，用于复杂组分分析。常用方法：气相色谱法(GC)气相色谱仪原理框图

气相色谱仪：分离与检测的“利器”气相色谱仪示意图核心功能：

分离混合物，鉴定和定量组分。组成：

气路系统、进样系统、色谱柱、温控系统、检测器、信号记录系统。工作原理：

利用不同组分在固定相和流动相中的分配差异进行分离。气路系统：载气的“高速公路”1作用：提供稳定、纯净的载气，驱动样品进入色谱柱。载气：氮气、氢气、氦气等，根据检测器和分离需求选择。净化：必须去除水分和氧气，避免影响柱效和检测器性能。流量控制：稳压阀、稳流阀确保流量稳定。进样系统：样品的“入口”2作用：

将样品准确、快速地引入色谱柱。常用方式：医用注射器六通阀要求：

进样量精确，重复性好。气相色谱仪系统组成色谱柱：分离的“心脏”3作用：

核心分离部件，决定分离效果。根据分析对象选择合适的固定相。类别：填充柱：结构简单，适用于常量分析。毛细管柱(开管柱)：高效分离，适用于微量分析。温度控制系统：稳定的“温床”4作用：

精确控制气化室、柱室、检测室温度。重要性：

温度直接影响分离效果和检测灵敏度。控制方式：

程序升温或恒温控制。检测器：信号的“放大器”5作用：

检测分离后的组分，并将化学信号转化为电信号。常用类型：

TCD,FID,ECD,FPD等。特点：

不同检测器对不同组分具有选择性。微分型检测器：

响应信号与组分浓度成正比，峰面积/峰高定量。检测器性能热

导火焰离子化电子捕获火焰光度类型浓度质量浓度质量通用性或选择性通用基本通用选择选择检测限10-8mg/mL10-14g/mL10-13g/s10-13g/s(P)10-11g/s(S)线性范围104107102~104104(P)103(S)常用检测器的性能气相色谱仪实物图气相色谱仪的定性、定量分析定性分析：“身份识别”技术主要定性方法：保留值定性：将被测物的色谱峰的保留值与标准物的保留值对比来确定对应成分。最常用、最简单，但存在局限性。色谱-质谱联用(GC-MS)定性：先用气相色谱仪将多组分混合物先通过气相色谱仪分离成单个组分,然后逐个送至质谱仪中,获得质谱图。对比总质谱图得到相应组分。是分离、鉴定未知物最有效的手段。辅助定性方法：色谱-红外光谱联用(GC-IR)：提供结构信息计算机检索：快速比对质谱图库，辅助鉴定未知物。定量分析：“精确测量”技术定量依据：

组分量与检测器响应信号（峰面积/峰高）成正比。峰面积计算：

几何法、积分仪法。校正因子：

绝对校正因子：

相对校正因子：定量方法：

归一化法、内标法、外标法。mi：组分的量；Ai：峰面积；fi：定量校正因子气相色谱仪的定性、定量分析归一化法：简便、准确，且操作条件的波动对结果的影响较小。样品中组分的质量分数Pi为：内标法：选择一种与样品性质相近的物质为内标物，加入到已知质量的样品中，进行色谱分离，测量样品中被测组分和内标物的峰面积。

被测组分的质量分数为：校准曲线法：用被测组分的纯物质配制一系列不同含量的标准溶液，在一定色谱条件下分别进样分离，测得相对应的响应值（峰高或峰面积），绘制含量—响应曲线，通过原点的直线部分为校准曲线的线性范围。在同样条件下测得被测组分的响应值，再从曲线上查得相应的含量。Ai：被测组分数次峰面积的平均值As：标准物数次峰面积的平均值Ps：标准物的质量分数天然气气相色谱分析：实战演练典型色谱图：

展示不同色谱条件下天然气的分离情况。色谱条件优化：

选择合适的色谱柱、温度、载气等，实现最佳分离。组分识别：

根据保留时间，识别天然气中主要组分。不同色谱条件下的天然气的典型色谱图各不相同。色谱条件:色谱柱:25%BMEE

Chromosorb

P;柱长:7m;柱温:25℃;载气:氦气,40mL/min;进样量:0.25mL色谱条件:色谱柱:Silicone

200/500

Chromosorb

P

AW;柱长:10m;载气:氦气,40mL/min;进样量:0.25mL色谱条件:色谱柱:3m

DIDP+6m

DMS;载气:氦气,75mL/min;进样量:0.50mL色谱条件:色谱柱1:Squalance,

Chromosorb

P

AW,80~100目,柱长3m;色谱柱2:Porapak

N,80~100目,柱长2m;色谱柱3:5

A分子筛,80~100目,柱长2m组分浓度计算(外标法)数据处理：

有效数字处理，保证结果精度。计算方法：

外标法，基于标准气和样品的响应值计算浓度。数据归一化：

校正误差，确保各组分浓度总和为100%。天然气组分标准气y(%)标准气响应数据气样响应数据气样y(%)气样归一化y(%)氦0.11135.520.90.0170.02氢0.11178.820.00.0120.01氧0.1328.91.00.0040.00氮0.67116.061.00.3520.35甲烷92.02319.8317.191.24391.14乙烷3.9170.5103.35.7295.72二氧化碳0.5799.032.00.1840.18丙烷0.9565.0106.71.5591.56异丁烷0.4685.056.00.3030.30正丁烷0.4373.058.00.3410.34异戊烷0.45402.795.40.1070.11正戊烷0.43398.172.30.0780.08己烷及更重组分

219.00.1890.19总和

100.118100.00气相色谱分析的方法的最新发展：使用双检测器色谱仪分析人工燃气、天然气、液化石油气成分多色谱柱和检测器联用。在气相色谱仪上配置了两个分流/不分流进样口、一个FID检测器和两个TCD检测器、七支色谱柱,允许三个通道同时检测,可以对永久气体和C6以下烃类进行完整的分析。天然气组分计算示例06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量07火焰传播速度和爆炸极限测量01燃气参数测量基本知识目录燃气相对密度测量测量方法：3种：计算法、称量法、本生-希林法本生-希林法原理：

相同条件,具有相等体积、不同种类的气体流过某固定直径的锐孔所需要时间的平方与气体的密度成正比。仪器：

本生-希林式气体相对密度计。步骤：

注入空气和燃气，分别测量流速，计算相对密度。修正：

考虑湿度和压力影响，得到干燃气相对密度。结果计算：湿燃气的相对密度：干燃气的相对密度：燃气相对密度计结构图实物图06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量07火焰传播速度和爆炸极限测量01燃气参数测量基本知识目录燃气热值测量：能量的“标尺”意义：

反映燃气能量含量，影响燃烧效率和成本。测量方法：直接测量法：水流吸热法：

GB/T12206-2006推荐方法，通用可靠。烟气吸热法：

灵敏度高，但需标定。金属膨胀法：

自动化程度高，但精度较低。间接测量法（计算法）。计算法原理:将燃气中各可燃组分的热值乘以相应组分的体积分数,各组数据之和即为燃气的热值。标准:ISO6976,ASTMD3588,GB/T11062。计算公式:烟气吸热法原理:烟气将燃气燃烧产生的热量完全吸收，根据烟气的温度变化推算出燃气热值。特点：反应快,滞后时间比较短，能准确测出燃气热值的变化。但测量前需要对仪器进行标定。金属膨胀法原理:用燃烧燃气来加热两个同心金属制成的膨胀管，燃气热值不同，产生的温度不同，两膨胀管的相互位置变化程度也不同，通过位置变化量求得热值。测量仪器：“西格马”记录式热量计燃气热值测量：水流吸热法水流吸热法——测量仪器《城镇燃气热值和相对密度测定方法》(GB/T

12206—2006)规定,采用容克式水流式热量计测量热值热值测量装置配置图实物图湿式燃气表:流量测量(20~1000L/h)。湿式燃气调压器:压力调节(0.20~0.60kPa)。燃气加湿器&空气加湿器:控制湿度。精密温度计:进出口水温、室温、水温(0.1℃或0.2℃分辨率)。电子秤:称量水的质量(感量2g)。大气压力计:精度0.01kPa。水温控装置:水箱、水温调节器。燃烧器喷嘴:直径与热值、流量匹配(见表8-5)。其他:水桶、冷凝水量筒、秒表等。容克式水流式热量计主要构成：水流吸热法：容克式水流式热量计测量条件环境与流量控制热流量控制:3800~4200kJ/h。空气湿度:相对湿度80±5%。进出口温差:控制在10~12℃。水温与燃气量要求仪表内水温:与室温差

±0.5℃。进入热量计水温:比室温低(2±0.5)℃，且每次测量变化<0.05℃。燃气量要求:高位热值<31400kJ/m³:燃气量>10L。高位热值>31400kJ/m³:燃气量>5L。操作步骤预热系统:运行约10min，参数稳定，出口水温变化<0.2℃。开始测量:冷凝水均匀滴下时，记录燃气表读数和冷凝水量。切换水流:燃气表指针到整数刻度瞬时，切换水流至水桶侧，读取进出口水温(估读到小数点后第二位)。多次读数:分10次读取进出口水温。结束测量:燃气表累计读数达标后，切换水流至排水侧。称重:水流停止2h后，称量水桶内水的质量。重复:重复步骤2-6，共3次。记录其他数据:燃气温度、室温、大气压力、烟气温度。水流吸热法：容克式水流式热量计结果计算燃气体积修正系数f1换算系数F热值计算燃气高位热值燃气低位热值06燃气热值测量05燃气的相对密度测量04燃气成分分析03天然气流量测量02燃气与烟气的湿度测量07火焰传播速度和爆炸极限测量01燃气参数测量基本知识目录火焰传播速度

定义与作用：火焰面的移动速度，亦称燃烧速度、层流火焰传播速度(或正常火焰传播速度)，简称火焰传播速度，用Sn表示燃烧工况的重要参数。影响稳定火焰。设计燃烧器及设备的依据。判定燃气互换性的基本参数。火焰传播基本知识：火焰锋面：未燃气体与已燃气体之间的分界面，也称火焰面。火焰正常传播形式：层流火焰传播:速度：1~100cm/s(研究基础)紊（湍）流火焰传播:速度：>200cm/s(工程常见)不同燃烧空间，火焰的传播各不相同。层流火焰湍流火焰静止均匀混合气体中的火焰传播流管中的火焰锋面火焰传播速度测量

局限：无精确理论公式，依赖实验；难以获得严格的平面火焰面。主要测量方法静力法1管子法：用电影摄影机摄下火焰面移动的照片，依据胶片走动的速度和影与实物的转换比例，可算出可见火焰传播速度用静力法(管子法)测量Sn1—玻璃管2—阀门3—火花点火器4—装有惰性气体的容器管子法测得的可见火焰传播速度与燃气空气混合物成分的关系图(d=25.4mm)l—氢；2—水煤气；3—一氧化碳；4—乙烯；5—炼焦煤气；6—乙烷；7—甲烷；8—高压富氧化煤气火焰传播速度测量火焰传播速度与管径的关系随着管径的增大火焰传播速度上升，并趋向于极限值Sn。但实际上管径增大时焰面要发生皱曲。管径越大，焰面皱曲越烈，因而Sv值随管径的增加而不断上升。当管径小到某一极限值时，向管壁的散热大到火焰无法传播的程度，这时的管径称为临界直径dc。临界直径在工程上是有意义的，可利用孔径小于临界直径值的金属网制止火焰通过。皂泡法：将混合气注入皂泡，点燃混合气体。光学方法测量皂泡膨胀后的半径及时间间隔，可计算出火焰传播速度Sn。缺点:肥皂液蒸发影响湿度，膜渗透性、曲率变化、湍流脉动引入误差。球形炸弹法：装置:类似皂泡法，但用球形容器。原