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.pdf

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 单位间的换算因子 如果输入变量的单位不是则必须对其进行换算 给定参比条件 见下高位发热量的换算因子见表 表发热量的换算因子 不同参比条件间的换算 如果输入变量和未处于本标准规定的参比条件 见则需对其进行换算 表中列出的 参比条件下的高位发热量和相对密度的换算因子见表 表不同参比条件下的高位发热量和相对密度的换算因子 高位发热量的参比条件 相对密度的参比条件 或 注美国惯例 附录 提示的附录 更宽范围的应用效果 在温度压力最高至的范围内 利用实验测定值数据库对方程进 行了全面检验这些数据取自在给定组成 高位发热量 相对密度范围内的管输气 见 更宽范围下进行压缩因子计算的不确定度的粗略估计见图图图中以压力为纵坐标 横坐 标分别为和含量 图计算高含天然气压缩因子时不确定度的估计范围 图图显示了计算方法在压力最大为的范围内时的应用效果 此并不意 味着可以经常地或不加鉴别地在超出规定的正常范围的条件下使用计算方法 不确定度范 围取决于压力 温度和组成 也强烈地受到相界位置的影响 一般总是选择最坏情况下的极限值 实验数据不足以决定不确定度范围的边界位置时 用虚线将所 估计的不确定度区划为两个区域气体的全组成对相界位置会有强烈的影响 使用者应当进行相界计 算 图计算高含天然气压缩因子时不确定度的估计范围 图计算高含天然气压缩因子时不确定度的估计范围 图计算高含天然气压缩因子时不确定度的估计范围 压力最高至温度在时 压缩因子计算的综合结果总结如下 在给定的压力和 温度范围之内 只有组分摩尔分数在表列出值范围内的气体 其压缩因子计算的不确定度才分别在 和以内 表计算方法的计算综合结果 不确定度 允许的摩尔 分数范围 组分