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  天然氣是一種礦產(chǎn)物質(zhì), 從地下開(kāi)采出來(lái)時(shí), 都處于水飽和狀態(tài)。雖然在成為商品天然氣前都要進(jìn)行脫水處理, 但由于脫水方法和工藝及經(jīng)濟(jì)性的限制, 商品天然氣或多或少都含有水。天然氣中的水分不但會(huì)影響到天然氣的輸送、增壓和使用中的安全, 同時(shí)也會(huì)影響天然氣的質(zhì)量和計(jì)量準(zhǔn)確度。
在早期天然氣開(kāi)發(fā)利用中, 由于技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因, 天然氣輸送管道上沒(méi)有安裝在線(xiàn)水含量測(cè)定儀器, 用于計(jì)量的天然氣物性參數(shù)計(jì)算方法的輸入?yún)?shù)也沒(méi)有考慮水含量。隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,在線(xiàn)水含量測(cè)定儀器已經(jīng)成為天然氣輸送管道中常規(guī)配置的在線(xiàn)測(cè)定儀器之一, 水含量也成為物性參數(shù)計(jì)算方法的輸入?yún)?shù)之一。在國(guó)外, 天然氣計(jì)量只有在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的高位發(fā)熱量計(jì)算方法中考慮水含量的影響, 并且只有干氣或飽和水兩種狀況。目前某些廠(chǎng)家在其在線(xiàn)色譜儀產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理軟件中, 已經(jīng)把實(shí)際水含量納入物性參數(shù)計(jì)算
的輸入?yún)?shù)。
隨著我國(guó)天然氣的開(kāi)發(fā)和利用力度的加大, 其貿(mào)易量也隨之增加。為了解決國(guó)內(nèi)資源不足, 已經(jīng)開(kāi)展液化天然氣(LNG)的引進(jìn)項(xiàng)目, 管道天然氣的引進(jìn)也提上議事日程。我國(guó)天然氣的計(jì)量方式也將從單純的體積計(jì)量方式向以能量計(jì)量為主, 體積計(jì)量為輔的慣例轉(zhuǎn)換。而水含量對(duì)流量計(jì)量結(jié)果的影響將涉及到能量?jī)r(jià)格的制定。
本文使用現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)方法, 探討了水含量對(duì)天然氣計(jì)量結(jié)果的影響。
1、流量計(jì)算公式
天然氣計(jì)量方式有體積計(jì)量和能量計(jì)量?jī)煞N,能量計(jì)量建立在體積計(jì)量的基礎(chǔ)上。在能量計(jì)量方式中, 能量流量計(jì)算公式如下:
E=qHs
式中:E 為天然氣標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的能量流量(MJ/s 或kWh/s);q 為天然氣標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量或質(zhì)量流量(m3/s 或kg/s);HS 為天然氣標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的高位發(fā)熱量(MJ/m3 、kWh/m3 或MJ/kg 、kWh/kg)。不管是體積計(jì)量方式還是能量計(jì)量方式, 都涉及到流量計(jì)量。
1.1差壓式流量計(jì)
孔板、噴嘴、文丘利等以測(cè)量差壓、壓力和溫度參數(shù)計(jì)算流量的流量計(jì)稱(chēng)作差壓式流量計(jì), 此類(lèi)流量計(jì)直接計(jì)量結(jié)果為質(zhì)量流量。為了方便體積計(jì)量, 某些標(biāo)準(zhǔn)中也提供標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量的計(jì)算公式。
1.2體積式流量計(jì)
為方便起見(jiàn), 把超聲、渦輪和容積式等直接測(cè)量工作條件下的體積流量的流量計(jì)歸類(lèi)為體積式流量計(jì)。此類(lèi)流量計(jì)要求把工作條件下的體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量。
1.3質(zhì)量式流量計(jì)
質(zhì)量式流量計(jì)是直接測(cè)量質(zhì)量流量的流量計(jì), 在體積計(jì)量方式中, 要求把質(zhì)量流量換算為成標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量。
1.4臨界流流量計(jì)
臨界流流量計(jì)通常只作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì),計(jì)量結(jié)果也是質(zhì)量流量。
2、水含量對(duì)流量計(jì)算結(jié)果影響分析
2.1影響因素分析
天然氣中的水是天然氣的組成部分, 對(duì)天然氣流量計(jì)量的影響是通過(guò)流量計(jì)量使用的物性參數(shù)傳遞的。與流量計(jì)算有關(guān)的物性參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的壓縮因子、密度、相對(duì)密度和高位發(fā)熱量, 工作條件下的壓縮因子、密度和臨界流函數(shù)以及摩爾質(zhì)量和超壓縮因子。根據(jù)習(xí)慣, 可在密度或壓縮因子和摩爾質(zhì)量或超壓縮因子和相對(duì)密度三組參數(shù)中選擇其一, 本文選擇了密度。
2.1.1標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度和高位發(fā)熱量
標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度和高位發(fā)熱量計(jì)算方法有ISO6976、ASTM D3588和GB/T11062,GB/T 11062 是參照ISO 6976 制定的。水含量對(duì)密度和高位發(fā)熱量計(jì)算結(jié)果的影響是通過(guò)組成摩爾分?jǐn)?shù)的改變使理想氣體密度和高位發(fā)熱量和壓縮因子計(jì)算結(jié)果發(fā)生改變, 從而改變密度和高位發(fā)熱量的計(jì)算結(jié)果。
2.1.2工作條件下的密度
工作條件下的密度計(jì)算方法有ISO 12213、AGA NX -19、AGA No 8和GB/T 17747,GB/T 17747 是參照ISO 12213 制定的。水含量對(duì)密度計(jì)算結(jié)果的影響是由組成摩爾分?jǐn)?shù)的改變或計(jì)
算方法不能處理水組分而引起的。
2.1.3工作條件下的臨界流函數(shù)
工作條件下的臨界流函數(shù)計(jì)算方法有JJG620 —1994和AGA 0。水含量對(duì)臨界流函數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響是由組成摩爾分?jǐn)?shù)的改變或計(jì)算方法不能處理水組分而引起的。
2.1.4摩爾質(zhì)量
水含量對(duì)摩爾質(zhì)量計(jì)算結(jié)果的影響是由組成摩爾分?jǐn)?shù)的改變而引起的。
2.2相對(duì)偏差計(jì)算公式
為了方便, 下文提及的天然氣流量(q)和發(fā)熱量(Hs)均采用以體積為基礎(chǔ)的單位。相對(duì)偏差計(jì)算的參照值為不含水的計(jì)算值。
2.2.1差壓式流量計(jì)
以標(biāo)準(zhǔn)孔板為例, 由S Y/ T 6143 標(biāo)準(zhǔn)中的式(14)和GB/T 18603 中的式(B4)推導(dǎo)出差壓式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量相對(duì)偏差(ED)計(jì)算公式如下:

2.2.2體積式流量計(jì)
由GB/T 18603 中的B 式(B1)推導(dǎo)出體積式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量相對(duì)偏差(E V)計(jì)算公式如下:

2.2.3質(zhì)量式流量計(jì)
由GB/T 18603 中的式(B4)推導(dǎo)出質(zhì)量式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量相對(duì)偏差(Em)計(jì)算公式如下:

2.2.4臨界流流量計(jì)
由JJG620 —1994 檢定規(guī)程中的式(6)和GB/T18603 中的式(B4)推導(dǎo)出臨界流流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量相對(duì)偏差(EC)計(jì)算公式如下:

2.2.5高位發(fā)熱量相對(duì)偏差計(jì)算公式標(biāo)準(zhǔn)參比條件下高位發(fā)熱量相對(duì)偏差(EH)計(jì)算公式如下:

　式(2)～ 式(6)中:ρ為氣體密度(kg/m3);下標(biāo):n 為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的參數(shù), 0 為不含水參數(shù)計(jì)算值, w 為含水參數(shù)計(jì)算值, 1 為操作條件下的參數(shù);C＊為臨界流函數(shù);M 為氣體摩爾質(zhì)量(kg/kmol)。
3、水含量對(duì)流量計(jì)量影響實(shí)例
3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
1)典型的10 個(gè)天然氣組成數(shù)據(jù)列于表1 ;
2)標(biāo)準(zhǔn)參比條件為101 .325kPa , 20 ℃;
3)工作壓力從0 .5MPa ～ 10 .0MPa , 溫度為20 ℃, 對(duì)應(yīng)的飽和水含量用ISO 18453規(guī)定的方法計(jì)算, 結(jié)果繪于圖1 ;
4)根據(jù)統(tǒng)計(jì)需要, 在干氣和飽和氣體之間, 分20 個(gè)水含量點(diǎn)結(jié)合表1 中的組成數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算;
5)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的密度和高位發(fā)熱量用GB/T 11062 規(guī)定的方法計(jì)算;
6)工作條件下的密度用GB/T 17747 -2 規(guī)定的方法計(jì)算, 臨界流函數(shù)分別用JJG620 —1994 和AGA No10 規(guī)定的方法計(jì)算。

3.2水含量對(duì)流量計(jì)算的影響
把3.1 中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與2 .2 中的公式結(jié)合計(jì)算相應(yīng)項(xiàng)目的相對(duì)偏差。鑒于篇幅有限, 對(duì)每個(gè)項(xiàng)目的2600 個(gè)相對(duì)偏差數(shù)據(jù)(高位發(fā)熱量為200 個(gè))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
3.2.1 差壓式流量計(jì)
相對(duì)偏差在-0 .028 %至0 .009 %之間, 與流量計(jì)的測(cè)量不確定度相比, 水含量的影響可以忽略。
3.2.2體積式流量計(jì)
相對(duì)偏差在-0 .003 %至0 .000 %之間, 與流量計(jì)的測(cè)量不確定度相比, 水含量的影響可以忽略。
3.2.3質(zhì)量式流量計(jì)
相對(duì)偏差在-0 .049 %至0 .027 %之間, 與流量計(jì)的測(cè)量不確定度相比, 水含量的影響可以忽略。
3.2.4臨界流流量計(jì)流量
用JJG620 —1994 方法計(jì)算臨界流函數(shù)(干氣)與AGA No10 方法計(jì)算臨界流函數(shù)(濕氣)所引起的臨界流流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量相對(duì)偏差在-0 .046 %至2 .134 %之間, 如此大的偏差不但源于JJG620 —1994 的方法不能處理含水天然氣, 也有JJG620 —1994 計(jì)算方法準(zhǔn)確度低的原因。
只用AGA No10 方法計(jì)算臨界流函數(shù)所引起的臨界流流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參比條件下體積流量相對(duì)偏差在-0 .030 %至0 .014 %之間。
3.2.5高位發(fā)熱量
相對(duì)偏差在-2 .160 %至0 .000 %之間, 實(shí)施能量計(jì)量時(shí)應(yīng)考慮此因素的影響。