天然气热力学参数计算方法及应用

    ■文/苏奕儒

   本文介绍并分析了美国气体输送协会AGA10报告里关于天然气的声速、焓值及其他热力学参数计算方法，并对天然气组分参数对热力学参数计算结果的影响进行分析。最后，对天然气各个热力学参数计算方法的应用领域进行了探讨。

   天然气作为一种优质的清洁燃料和化工原料正在越来越广泛地应用于生活和生产的各个领域，对天然气的开发和应用也得到了国家的大力提倡。在天然气的开采、输送和使用过程中，其热力学参数的准确计算直接影响到企业的计量、贸易结算和工艺控制等各个方面。

   与空气、蒸汽等其它气体相比，天然气由于组成成分众多，其热力学参数的计算也更为复杂。国内外的许多科研机构都对天然气的这些热力学参数计算方法进行了深入的研究。其中，美国气体协会输送计量委员会10号报告《AGAReportNo.10》（以下简称AGA.10报告）提供的天然气声速、比焓、临界流系数、等熵指数、定压和定容比热容等热力学参数计算方法则是目前计算天然气热力学参数最准确的方法。

    天然气热力性质计算方法

   AGA.10报告计算天然气热力学参数都是以计算天然气压缩因子为基础的，天然气压缩因子计算方法详见《AGA ReportNo.8》（以下简称AGA.8报告）。AGA.8报告通过天然气组分状态，结合温度、压力等参数推导出天然气压缩因子、摩尔密度和质量密度等参数计算关系式。AGA.10报告在AGA.8报告基础上，利用热力学关系式，推导出等压热容、等容热容、等熵指数、比热容比、声速、焓和熵等热力学参数；计算临界流量系数的方法则是基于《ASME/ANSIMFC-7M-1987》推到而来。

   AGA.10报告计算天然气热力学参数温度适用范围为：-130°C～200°C，压力达到138MPa。这个范围可以覆盖绝大部分的管道性质的天然气，因此其应用范围相当广泛。该报告的另一个特性就是计算准确度高。以声速计算为例，在上述温度、压力和组分范围内，其声速计算不确定度优于1.0%；当温度范围缩小至（-60°C～120°C），压力低于17MPa时，计算不确定度优于0.3%；当温度范围继续缩小至（-8°C～62°C），压力低于12MPa时（大部分工业管道天然气可以满足该状态要求），计算不确定度可优于0.1%。

   采用AGA.10报告计算时，因计算参数众多，计算过程十分复杂，且涉及到数值计算（如数值逼近）的应用，因此只能通过计算机编程进行解决。但这也同时为天然气计量、工艺控制等方面提供了更为准确而快捷的渠道。

    天然气组分参数变化对热力学性质的影响

   天然气组成成分复杂（在AGA.10报告里是以各组成成分的摩尔百分比进行计算），组成成分的变化会直接影响到热力学参数计算结果的变化，这也是天然气区别于其他类型气体（如空气、蒸汽等）的特性之一。

   本文以国内外5种工业应用、具有商业品质的天然气样品为例，分析不同组成成分对天然气热力学参数的影响。这5种天然气样品的组成成分如下：

   在相同的温度T=20°C和压力P=4.0Mpa条件下，采用AGA.10报告计算方法对上述5种不同组分的天然气样品进行热力学性质计算，结果如表2所示。

   从计算结果可以看出，不同组分的天然气热力学性质差别较大。在这5种天然气中，计算得到的比焓最大差值达到27.1%；声速值最大差值达到26.1%；临界流系数最大差值达到2.3%。

    天然气热力学参数计算的应用

    1．天然气能量计量的应用

   目前我国天然气的贸易交接仍以体积计量为主，但是天然气的价值应体现在其能量值上，因此采用传统的体积计量方式并不科学。从上节分析可以看出，相同温度和压力下，天然气的比焓最大差值可达27.1%，而据相关专家统计分析，我国天然气的体积发热量的最大差异可达31%。通过使用AGA.10报告的计算方法，结合天然气组分、温度、压力数据的处理，可以实现天然气的体积计量转化为能量计量。

    2．文丘里喷嘴检定的应用

   临界流文丘里喷嘴常用来作为天然气流量计检定的标准装置，其中临界流系数则是一个重要的应用参数。如果采用传统的表格插值计算法，则其准确性比较差，不确定度在一般不会优于0.25%；而采用AGA.10报告的计算方法时，其临界流参数计算不确定度可以提高到0.1%，并极大地提高了天然气组成的使用范围。

    3．超声流量计诊断及检验的应用

   随着超声流量计在天然气计量中的广泛应用，天然气一个重要的热力学参数——声速的计算应用也被逐渐发掘出来。声速计算的第一个重要应用是在超声流量计的自诊断上。它是利用天然气组分、温度和压力数据，得到声速的计算值，并与流量计的声速测量值进行比较分析。若两者相差较大，则可初步判断流量计运行出现故障，该类型故障可能是以下原因引起：①色谱分析仪、温度传感器和压力传感器部件出现故障或数据传输出现问题；②流量计探头发生故障；③管道脏污等。

    声速计算的另一个重要应用是在超声流量计使用中的检验上。根据《JJG1030-2007超声流量计检定规程》里附录C“使用中检验”的规定，在满足流量计无故障报警及其他要求后，对被检流量计测量声速值与计算的声速值进行比较，可以对超声流量计进行使用中的检验。如果检验合格，则流量计实流检定周期可由2年延长到6年，这种使用中检验的方法为企业节约了大量的流量计送检成本。

    结 语

   天然气的组成成分众多，热力学参数计算过程复杂，其组成成分的变化对热力学参数计算结果影响很大。AGA.10报告作为一种准确有效的天然气热力学参数的计算方法，已经在天然气能量计量、文丘里喷嘴检定、以及超声流量计的诊断和检验等领域得到了应用。随着天然气的更加广泛深入地应用，其热力学参数的准确计算及合理应用将显得越来越重要。

    （作者单位：福建省节能监察（监测）中心）

    《中国质量技术监督》2012年8月刊