天然气净化厂产品气热值计算及应用

徐中生

中原油田 普光分公司 天然气净化厂，四川 达州  635000

摘要：本文分析了国内外热值计量的方式，主要探讨了一种天然气体积发热量热值的计算方法，并在实际工程应用中用该方法进行了热值计算。将热值计算结果应用于天然气净化厂生产，带来了环保，节能和经济效益。

关键词：天然气 体积发热量 热值 能耗

0、引言

普光天然气净化厂是川气东送主体供气气源，现整体建成混合气产能 100×108 m3/a，具有 120×108m3/a 的原料气处理能力。对产品气进行热值研究，对净化装置平稳运行，节能降耗有重要意义，同时产品气热值也是国家一二类商品气贸易交接的重要参数，是保证普光净化厂外输产品质量的关键指标。

1、天然气能量计量

1.1天然气能量计量现状

世界范围类，多数国家的天然气计量方式为能量计量，我国和俄罗斯及少数西欧国家由于历史原因，仍然采用体积计量的方式。由于天然气组分不同，同样体积的天然气，其产生的热值液有所不同。据调查，我国目前商品天然气高位发热量最小为33.9 MJ/m3， 最大为45.35MJ/m3，二者相差达35%【1】。天然气作为一种清洁、优质能源而言，显然以能量计量更为合理，对供需双方也更公平，近几年来全国天然气标准化技术委员会制定了一批新的天然气能量计量国家和行业标准，修订了前期标准，其对天然气行业有积极的意义。

1.2 天然气热值计算方法

现有的天然气热值计算过方法主要有直接测定法和间接测定法，二者比较，目前我国直接测定法只有一项国家标准GB-T 12206 《城镇燃气热值和相对密度测定方法》，其中直接测定法对设备要求高，操作过程复杂，后期维护使用较繁琐，不适合大规模推广引用。间接测定法具有高效，实时性好，环境测定要求不高，只需计算可得，我国目前发布的间接测定法国家标准有GB_T 11062-2014《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》。根据实验比对，两种测定方法结果相互吻合，对比误差不大于1.73%【2】，在国际天然气贸易结算中，测量天然气的热值计算方法主要采用间接测定法【3】，结合净化厂生产实际，间接测定法优于直接测定法。根据国标，间接测定法有三种发热量计算，即摩尔发热量，质量发热量，体积发热量。天然气净化厂外输计量取样分析仪为体积百分比，因此本文所介绍的方法为间接测定法，采用体积发热量计算。

2、净化厂产品气热值计算

2.1压缩因子的计算

天然气气体热值在计算时，是以理想状况，在规定计量参比条件下进行的。中国通常使用的燃烧参比条件和计量参比条件均为 （20 ℃，101.325 kPa）。为使计算值接近真实值，需要对实际计算值进行修正，这种修正是通过使用压缩因子Zmix来进行的。在计量参比条件下，本文所描述的压缩因子Zmix的计算如式（1）：

           Zmin（t2，p2）=1-[]2                （1）

式中为求和因子，求和因子和压缩因子可在相关国家标准中查找，表1中给出了在不同参比条件下的各纯组分压缩因子和求和因子，其是通过关系式bj=1-Zj计算获得的。

表1 各纯组分物质在不同计量参比条件下的求和因子及压缩因子

组分	0 oC 101.325kPa		15 oC 101.325kPa		20 oC 101.325kPa
	Z		Z		Z
CH4	0.9976	0.0490	0.9980	0.0447	0.9981	0.0436
C2H6	0.9900	0.1000	0.9915	0.0922	0.9920	0.0894
C3H8	0.9789	0.1453	0.9821	0.1338	0.9834	0.1288
n-C4H10	0.9572	0.2069	0.9650	0.1871	0.9682	0.1783
i-C4H10	0.9580	0.2049	0.9680	0.1789	0.9710	0.1703
n-C5H12	0.9180	0.2864	0.9370	0.2510	0.9450	0.2345
i-C5H12	0.9377	0.2510	0.9480	0.2280	0.9530	0.2168
C6H16	0.8920	0.3286	0.9130	0.2950	0.9190	0.2846
N2	0.9995	0.0224	0.9997	0.0173	0.9997	0.0173
CO2	0.9933	0.0819	0.9944	0.0748	0.9944	0.0728
H2O	0.9300	0.2646	0.9450	0.2345	0.9520	0.2191

2.2理想气体体积发热量的计算

已知组成的混合物，在参比条件下，理想气体体积发热量计算我们选取式（2）进行计算：

                              （2）

式中为组分j的理想气体体积发热量，高位热值或低位热值。

χj 为组分j的摩尔分数。

天然气各组分的理想气体体积发热量在各种文献中均可查得【3】，不同燃烧和计量参比条件下的值如表2

表2 天然气各组分在不同燃烧和计量参考条件下的理想气体体积发热量

[3]

组分	理想体积发热量MJ/m3
	15/15 oC		0/0 oC		15/0 oC		25/0 oC		20/20 oC		25/20 oC
	高位	低位	高位	低位	高位	低位	高位	低位	高位	低位	高位	低位
CH4	37.706	33.948	39.840	35.818	39.777	35.812	39.735	35.808	37.044	33.367	37.024	33.365
C2H6	66.07	60.43	69.79	63.76	69.69	63.75	69.63	63.74	64.91	59.39	64.88	59.39
C3H8	93.94	86.42	99.22	91.18	99.09	91.16	99.01	91.15	92.29	84.94	95.25	84.93
n-C4H10	212.79	112.40	128.66	118.61	128.48	118.57	128.73	118.56	119.66	110.47	119.62	110.47
i-C4H10	121.40	112.01	128.23	118.18	128.07	118.16	127.96	118.15	119.28	110.09	119.23	110.08
n-C5H12	149.66	138.38	158.07	146.00	157.87	145.98	157.75	145.96	147.04	136.01	146.99	136.01
i-C5H12	149.36	138.09	157.76	145.69	157.57	145.67	157.44	145.66	146.76	135.72	146.70	135.72
C6H16	177.55	164.40	187.53	173.45	187.30	173.43	187.16	173.41	174.46	161.59	174.39	161.58
H2O	44.433	0	45.074	0					44.224	0

注：a）在任何情况下，燃烧和计量的参比压力均为 101.325 kPa；b）表头“℃”分别指燃烧和计量参比温度。

2.3真实气体发热量的计算

气体混合物在燃烧温度t1和 p2，计量温度t1压力p2时的真实体积发热量按式（3）计算：

                                        （3）

公式中为真实气体体积发热量，高位或低位；是在计量参比条件下的压缩因子。压缩因子，按照式1计算，求和因子按表一给出值带入计算。

2.4摩尔分数的换算

天然气净化厂产品气计量成分分析中，我们通常使用体积分数表示各物质的含量，因此在计算天然气热值时，我们需将体积分数换算成摩尔分数后带入式2中计算。天然气各组分由体积分数装换成摩尔分数计算公式如下：

                                             （4）

式中：为天气然中组分j摩尔分数；为天气然中组分j体积分数；为天气然中组分j在温度t2和压力p2下的压缩因子。

2.5 产品气水含量对热值的计算影响

在天然气热值表示中使用高位热值和低位热值，对于低位热值而言，所有水分均以气态形式体现，因此不必考虑这类焓效应存在。

当使用高位热值表示时，由于这部分水冷在凝为液态时，将释放一部分气态潜热，这将增加燃烧热的热值，因此我们需要将天然气组分中的水含量作为一个组分，以摩尔分数表示，在计算时增加一个有水的汽化潜热所获得的发热量。由于这种计算所导致的发热增量是很小的，设定气体被饱和水蒸气饱和，则发热量增加值与气体组成无关，仅却取决于温度：

在计量温度为0度是，增量为0.01MJ/m3 。

在计量温度为15度是，增量为0.03MJ/m3。

在计量温度为20度是，增量为0.045MJ/m3。

普光净化厂产品气水露点要求冬季-15℃，夏季-10℃，水蒸汽含量远小于饱和蒸汽，加上这种计算导致的发热增量很小，因此在计算热值增量时，可以不计算这部分的热值。

3、产品气热值计算的应用

3.1产品气二氧化碳含量对热值的影响

与供气方签署的供气合同要求产品气满足国家天然气二类标准：二氧化碳体积分数小于3%，高位发热量大于31.4MJ/m3，水露点要求比输送条件下最低环境温度低5度。天然气净化厂产品气二氧化碳含量受多种因素决定，因此热值也随之波动。以普光天然气净化厂五联合产品气样为例，分别取二氧化碳含量较高时和较低时对高位热值进行计算，分析二氧化碳含量对热值的影响，计算中参比条件均为 （20 ℃，101.325 kPa）。

表3五联合产品气各组分体积分数

序号	N2%	CH4%	CO2%	H2%	C2H6%	C3H8%
1	0.8537	96.6628	2.468	0	0.0134	0.0021
2	0.746	98.7013	0.538	0	0.0125	0.0022

样品1带入式3，式2，式1中，进行计算如下：

=35.743MJ/m3

==35.81MJ/m3

样品2带入式3，式2，式1中，进行计算如下：

=36.573MJ/m3

==36.64MJ/m3

计算可得，在二氧化碳收率较高时，产品气高位热值满足二类气供气标准，此时产品气经济效益较高。

4、结语

通过对天然气热值的计算，应用在实际生产中，减少了天然气净化厂装置开工期间的产品气的放空量，带来了直接经济效益，保护了环境。在能源逐渐匮乏的当今社会，具有总要的节能环保意义。近年来，我国相关标准委员会，对天然气热值计算编写了一系列新的标准，为未来与国际接轨，在天然气供给贸易结算中采取热值结算做好了技术准备。本文探讨了一种快速，便捷的计算方法，希望能够方便大家在实际生产中计算产品气的热值。

[1] 安军平 天然气应实行能量计量  中国计量 2005，5：24-25

[2]天然气分析测试技术及其标准化编写组 天然气分析测试技术及其标准化 石油工业出版社 2000.4

[3]GB_T 11062-2014 中国国家标准化委员会  天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法 中国标准出版社 2014

[4]颜士鑫 天然气能量计量及体积发热量计算  能源与节能 2013.10

[5]仇芝  天然气的能量测定方法研究 西南石油大学 2003