GBT 30491.2-2024 天然气 热力学性质计算 第2部分：扩展应用范围的单相（气相、液相和稠密相）流体性质标准立项发展报告

天然气热力学性质计算第2部分：扩展应用范围的单相（气相、液相和稠密相）流体性质标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:NaturalGas—CalculationofThermodynamicProperties—Part2:Single-Phase(Gas,Liquid,andDense-Phase)FluidPropertieswithExtendedRangeofApplication摘要关键词：天然气；热力学性质；单相流体；状态方程；扩展应用范围；标准；稠密相1引言天然气作为一种清洁高效的化石能源，在全球能源消费结构中的占比持续提升。近年来，随着液化天然气（LNG）贸易的快速增长、天然气地下储气库的大规模建设、高压长距离输送管道（如中俄东线天然气管道，设计压力达12MPa）的投产运行，以及深层/超深层（埋深超过4500m）和高压/超高压气藏的开发（地层压力可达100MPa以上），天然气的温度-压力工况已远远超出常规输配条件的范围。在此类极端条件下，天然气呈现的气相、液相及稠密相（dense-phase）行为对热力学性质计算的精度要求远超传统经验方法的适用边界。热力学性质（如压缩因子、密度、焓、熵、比热容、焦耳-汤姆逊系数等）是天然气工业设计计算不可或缺的基础数据，广泛应用于管道水力/热力计算、气体计量与能量测定、LNG液化冷箱设计、储气库注采方案优化、气液分离工艺设计、加工处理流程模拟及尾气回收系统分析等环节。计算精度的高低直接影响到工程设计的可靠性、计量交接的公平性和生产运行的经济性。以压缩因子为例，在高压条件下（如15MPa），压缩因子计算偏差1%将导致体积计量误差约1%，对大型输气管道而言年输送量偏差可达数亿立方米，相应货值损失以千万元计，其经济影响十分显著。天然气是一种多组分混合物，其热力学行为随组分构成、温度与压力条件的改变而呈现高度复杂性。在接近临界区域或进入稠密相区后，气体与液体的界限逐渐模糊，流体表现出强烈的非理想性。此前的天然气热力学性质计算标准（如GB/T30491.1）主要覆盖常规输配条件下的气相行为，难以满足新型应用场景下对液相和稠密相热力学性质精确计算的需求，亟需制定针对扩展温度与压力范围的专项标准，以填补该领域的标准空缺。GB/T30491.2-2024正是在此背景下立项并制定的国家标准。该标准参照ISO20765-2:2015《天然气热力学性质计算第2部分：扩展应用范围的单相（气相、液相和稠密相）流体性质》等国际标准，结合我国天然气工业的实际需求和技术积累，规定了基于GERG-2008（欧洲气体研究小组2008年多参数状态方程）等先进热力学模型的单相流体热力学性质计算方法。2标准编制依据与技术背景2.1国内外相关标准现状在国际层面，ISO/TC193（天然气标准化技术委员会）已建立了较为完善的热力学性质计算标准体系。ISO20765-1:2005规定了常规输配条件下天然气气相热力学性质的计算方法，ISO20765-2:2015则将适用范围扩展至更宽的温度（从约90K至500K）和压力（最高可达100MPa）范围，涵盖气相、液相及稠密相单相流体。此外，美国气体加工供应商协会（GPA）发布的GPASTD2172方法在工业界也得到了广泛应用。国际标准化组织的相关标准代表了当前该领域国际先进水平。在国内层面，我国天然气标准化技术委员会（SAC/TC244）归口管理天然气领域国家标准。此前已发布实施GB/T30491.1-2014《天然气热力学性质计算第1部分：输配气相性质》，该标准等同采用ISO20765-1:2005，主要适用于常规管输条件下的气相热力学性质计算。然而，对于液化、储气库、超高压输送和非常规气藏开发等扩展工况下的液相和稠密相热力学性质计算，国内尚无可直接使用的基础性方法标准，这在很大程度上制约了相关工程设计和技术研发的标准化、规范化。2.2标准立项必要性分析标准立项的必要性主要体现在以下四个方面。第一，适应天然气工业技术发展的迫切需要。我国天然气工业正从常规中低压输配向高压输送、液化储存、地下储气库等多业态综合方向发展，各环节涉及的温度-压力窗口远超传统标准的适用范围。以LNG产业为例，我国已成为全球第二大LNG进口国，2023年LNG进口量约7200万吨，LNG的液化、储存、气化等环节的温度低至约111K（-162°C），远低于常规输配标准的适用下限；储气库注采运行压力可达35MPa（如中原文96储气库、呼图壁储气库设计最高运行压力分别约为22MPa和35MPa）。在这些工况下，准确计算天然气热力学性质是保证工程设计安全可靠、运营经济高效的基本前提。第二，满足国际贸易与计量交接的公平性需求。天然气贸易计量已由单纯的体积计量向能量计量方向转变，国家发展改革委等部门于2023年联合印发了《关于推进天然气能量计量计价体系建设的实施方案》，能量计量的核心在于单位体积（或质量）天然气热值的准确确定，而热值换算与压缩因子、密度、热力学焓值等性质直接相关。在超高压和低温等扩展工况下，基于理想气体假设或简化经验公式的计算方法将产生不可忽略的偏差，直接影响贸易结算的公平性，因此迫切需要更为精确的计算标准作为技术支撑。第三，支撑深层油气资源开发的战略需求。我国深层、超深层天然气资源丰富，塔里木盆地、四川盆地等地区已发现多个埋深超过6000m的高压气藏，其地层压力可达100MPa以上。深层气藏开发中的流体相态评价、产能预测、完井与采气工艺设计等均需要对天然气在高温高压条件下的热力学性质进行精确计算，而现有的常规计算方法在适用压力范围内存在明显局限。第四，服务碳达峰碳中和目标的间接需要。天然气作为过渡能源在“双碳”进程中扮演重要角色，提高天然气利用效率、降低输送与加工过程中的能耗损失，离不开精确的热力学性质数据支撑流程模拟与用能优化。尤其是CCUS（碳捕集、利用与封存）技术中涉及CO₂混合物在超临界状态下的物性计算，亦可参考本标准中稠密相流体的计算方法进行扩展应用。3标准技术内容解析3.1标准适用范围GB/T30491.2-2024规定了天然气及类似流体（包括含氮气、二氧化碳等酸性组分的天然气）在单相状态下的热力学性质计算方法。标准适用于温度范围约为90K至500K、压力最高可达100MPa的扩展工况范围，涵盖气相、液相和稠密相等三种单相状态。需指出的是，该标准的适压温度域以表1的边界限定为准（详细温度-压力边界条件在标准正文中以数据表形式给出）。该范围覆盖了天然气从液化（LNG）、常规输配、高压储存至超深层气藏等全部工程应用场景，具有广泛的实用价值。3.2核心计算方法标准的核心方法基于多参数亥姆霍兹自由能状态方程——GERG-2008方程，该方程由欧洲气体研究小组（GERG）于2008年公开发布，是目前国际公认的天然气热力学性质计算精度最高的状态方程之一。GERG-2008方程采用无量纲亥姆霍兹自由能作为基础变量，将其分解为理想气体贡献部分和剩余（真实流体）贡献部分，其中剩余部分又包含了纯流体项和混合项，能精确描述天然气中各主要组分（CH₄、C₂H₆、C₃H₈、i-C₄H₁₀、n-C₄H₁₀、i-C₅H₁₂、n-C₅H₁₀、N₂、CO₂、H₂S等）的纯流体行为及其二元交互作用。其纯流体项参数通过拟合各组分高精度实验数据获得，混合项则基于二元混合物的实验数据回归得到。基于该方程，可以通过亥姆霍兹自由能对各热力学变量（温度、密度）的偏导数关系，推导出压力、压缩因子、密度、焓、熵、内能、比热容、声速、焦耳-汤姆逊系数等一系列热力学性质的解析表达式。例如，压力可由式p=ρ²(∂f/∂ρ)_T得到，而等压热容与等容热容之差则可通过状态方程的导数关系精确计算。该方法的优势在于：其一，热力学一致性良好，所有导出的性质均源自同一个自由能函数，不存在相互矛盾的问题；其二，精度高，在标准覆盖范围内，压缩因子的计算不确定度在气相区通常优于±0.1%，在液相区的密度计算不确定度可控制在±0.5%以内（液化天然气典型工况下密度计算不确定度约为±0.3%）；其三，适用范围广，可统一处理气相、液相和稠密相。3.3标准的主要技术特点（1）明确的流体组分适用范围和质量追溯要求。标准界定了适用于计算的天然气组成范围和界限（包括各组分摩尔分数的上下限），确保状态方程在组分空间的适用性。同时，标准规定了输入数据（组分分析数据）的测量不确定度要求和质量标准，要求用户对输入数据的质量进行评估并记录，以保证计算结果的可靠性。（2）统一的热力学性质计算方法与完备的计算流程。标准针对内部状态变量（温度T和压力p）计算给出了一套完备的处理流程，包括初值估算、密度根求解、亥姆霍兹自由能计算、导出性质计算等步骤。特别是针对稠密相和液相区的密度根求解问题，标准给出了合理稳健的数值处理策略，有效避免了迭代计算中的发散和收敛到非物理解的风险。（3）全面的不确定度评估框架。鉴于热力学性质计算结果不仅取决于状态方程的精度，还受到输入组分数据不确定度、计算工况与标准适用范围的偏离程度等因素的影响，标准设置了评估整体计算不确定度的框架和方法，有助于用户合理判断计算结果的可靠性。（4）灵活的计算路径选择。标准允许用户在计算精度和计算效率之间进行灵活选择，即允许采用全精度计算（完整的GERG-2008方程）或简化计算路径（如采用设定的简化混合规则或参考简化方法），简化方法应在标准规定的精度损失允许范围内使用。这一特性增强了标准的工程适用性和灵活性。3.4与GB/T30491.1的衔接与分工GB/T30491.1-2014《天然气热力学性质计算第1部分：输配气相性质》规定了常规输配条件下（温度约263K至338K，压力最高约12MPa）天然气气相热力学性质的计算方法，即采用基于AGA8-DC92方程的简化计算方法。本部分（第2部分）则适用于更为宽泛的温度（90K至500K）和压力（最高100MPa）范围，涵盖了第1部分不涉及的液相和稠密相工况。两者形成互补关系：对于常规输配工况，工程应用仍可采用GB/T30491.1提供的简化算法以提高计算效率；对于扩展工况（低温液化、超高压输送、储气库等），则应优先采用本部分的精确计算方法。两个部分共同构成了我国天然气热力学性质计算的完整标准体系。4主要起草单位介绍4.1中国石油天然气集团有限公司的行业地位中国石油天然气集团有限公司（以下简称“中国石油”）是国有重要骨干企业，也是全球主要的油气生产与供应商之一，2023年位列《财富》世界500强第5位。中国石油业务涵盖油气勘探开发、炼油化工、管道储运、销售贸易、工程技术服务及新能源等全产业链，是我国最大的天然气生产商和供应商，年天然气产量超过1800亿立方米，运营管道总里程超过3万公里。在天然气领域，中国石油拥有从勘探开发、集输处理、管道输送、地下储气库到LNG接收站等完整的业务链，具备丰富的工程实践经验和深厚的技术积累。4.2技术支撑与研究基础中国石油下属的中国石油规划总院、中国石油勘探开发研究院及塔里木油田分公司等机构在天然气热力学性质领域开展了长期深入的研究，已建成高压物性实验平台（具备最高达200MPa的压力测试能力和宽温度范围（-160°C至200°C）的物性测试条件），积累了大量高温高压及低温条件下天然气物性实验数据。同时，中国石油在天然气物性计算软件国产化替代方面持续投入，研发形成了具有自主知识产权的天然气物性计算软件模块，为标准的制定提供了坚实的技术支撑。相关研究成果已在我国多个高含硫气田开发、大型储气库建设和LNG工程中得到成功应用，技术成熟度高，工程适用性强。此外，中国石油作为SAC/TC244全国天然气标准化技术委员会的副主任委员单位和多个分技术委员会的秘书处挂靠单位，长期深度参与天然气领域国家标准的制修订和国际标准化工作，在标准化实践经验、标准编写规范把握及行业协调能力方面具有突出优势。5标准实施的预期影响与应用前景5.1对天然气工程设计的影响本标准发布实施后，将为天然气工程设计提供统一、规范的高精度计算方法。在长距离高压输气管道设计中，采用本标准计算压缩因子和焓值，可准确预测管道沿线的压力温度分布，优化压缩机站间距和功率配置；在LNG接收站和液化工厂设计中，精确的液相和稠密相热力学性质数据将有助于优化冷箱换热网络，降低单位液化能耗（目标降低3%至5%的能耗）；在储气库注采方案设计中，准确的焓熵计算可为注采过程中的温度场预测和热应力分析提供可靠输入，保障运行安全。对于地下储气库和高压气藏开发，在100MPa级超高压工况下的流体密度和压缩因子精确计算将直接服务于储量评估、产能预测和采气工艺设计。5.2对计量交接与贸易公平的保障作用随着我国天然气能量计量计价体系建设的推进，天然气发热量、密度、压缩因子等参数的准确测定和计算已成为计量交接的核心环节。本标准所提供的高精度计算方法，特别是稠密相区压缩因子的精确计算（不确定度优于±0.1%），将有效降低计量交接环节的系统偏差。据此估算，对于一条年输量300亿立方米的天然气管道，仅压缩因子计算精度提升一项，即可减少因计算偏差导致的交接争议和经济损失数千万元/年量级，为天然气贸易的公平公正提供技术保障。5.3对科学研究与软件产业发展的促进该标准的发布为天然气热力学性质的实验室研究提供了统一的基准参照。高校和科研机构在开展天然气物性实验研究时，可依据本标准进行数据比对与验证，提高研究工作的规范性和数据的可比性。同时，标准对计算方法的规定也为流程模拟软件、管网仿真软件和计量系统软件的开发提供了明确的技术规范。国内软件开发商可依据标准开发具有自主知识产权的天然气物性计算模块，逐步改变该领域高端软件长期依赖进口的局面。6结论与展望GB/T30491.2-2024《天然气热力学性质计算第2部分：扩展应用范围的单相（气相、液相和稠密相）流体性质》是我国天然气领域一项重要的基础性方法标准。该标准的发布实施填补了我国在宽范围天然气热力学性质计算方法标准方面的空白，标志着我国天然气标准化工作在该领域与国际先进水平的全面接轨，也是我国天然气工业技术能力和标准化水平持续提升的重要体现。该标准以GERG-2008先进状态方程为核心，建立了覆盖温度90K至500K、压力最高100MPa的统一计算方法体系，为天然气液化、高压输送、地下储气库运行、深层气藏开发以及能量计量等多元应用场景提供了精确可靠的热力学性质计算依据，具有显著的经济效益和社会效益。展望未来，随着天然气工业向更深层位、更极端工况和更多元化利用方式发展，天然气热力学性质计算标准体系仍需持续完善。建议在以下方向加强研究和标准制修订工作：一是开展含氢天然气（掺氢比例10%至20%）及富氢燃料气