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高酸性天然气流量计量的修正方法
点击次数:1013 发布时间:2014-12-31

天然气流量计量是天然气行业中关键的控制参数之一。由于天然气存在压缩性及可膨胀性,并且是一种混合物,组分复杂,天然气流量的测量是一个综合的导出量。因此,准确地测量天然气流量是整个流量测量专业中zui难的。通常天然气流量计量仪表均是先测量天然气在工作状况条件下的流量,然后依据天然气的状态方程换算为在标准状态下的流量。由于天然气组分、性质的差异,天然气压缩因子的计算公式也不尽相同,因而针对特定的天然气组分、性质及各公式的适用条件,合理、科学地选用相应的天然气压缩因子计算方法就成为计算天然气流量的关键。基于天然气流量计量仪表的通用性,测量仪表计算天然气压缩因子一般采用AGA8—92DC(国内厂家生产的天然气流量仪表一般采用的是GB/T 17747.2—2011《天然气压缩因子的计算》,其实质均来源于AGA8—92DC),但AGA8—92DC及GB/T 17747.2—2011的研究对象均为不含H2S的管输天然气,不适合矿场集输的高酸性天然气流量计算。因此,为提高酸性天然气流量计量的准确性,有必要对现有的天然气流量计量仪表进行系数修正。关于酸性天然气压缩因子的校正,组成校正的计算结果要比密度校正计算出的结果准确,常用的非烃(含H2S及CO2)气体校正的方法是由Wichest和Aziz提出来的[2],即采用Wichest-Aziz的校正方法与天然气压缩因子标准图版结合。由于标准图版法计算天然气压缩因子是早期的一种手工计算方法,不仅准确度低,而且极不方便,故在计算机非常普及的现在,如何利用Wichest-Aziz的校正方法提高酸性天然气压缩因子的计算准确度是一个值得探讨的问题。通过查阅大量的参考文献及分析,利用Wichest-Aziz的校正方法与Bumett关系式结合,很好地解决了高酸性天然气压缩因子的修正,从而进一步推导出高酸性天然气流量计量的修正系数。
1 天然气压缩因子的计算方法
  天然气压缩因子是对实际气体特性偏离理想气体定律的修正。计算天然气压缩因子的方法有许多,归结起来主要分3类:①图表法;②状态方程法;③经验公式法。
1.1 图表法
  图表法采用对比压力和对比温度查图进行计算天然气压缩因子,这是早期的一种经典计算方法,主要就是采用Standing-Katz图,利用对比状态原理查图可
得到对应压力、温度状态下的天然气压缩因子。
  相关计算如下。

式中p 为气体的工作压力,Pa;pc为气体的临界压力,Pa;T 为气体的工作温度,K;Tc为气体的临界温度,K;pr
为气体的对比压力;Tr为气体的对比温度。
  天然气的平均对比压力(p′r)、平均对比温度(T′r)可由以下公式计算。

式中p′c为天然气的平均临界压力,Pa;pci为天然气中组分i 的临界压力,Pa;T′c为天然气的平均临界温度,K;Tci为天然气中组分i 的临界温度,K;yi为天然气中组分i的摩尔分数。
  由天然气的平均对比压力(p′r)和平均对比温度(T′r)值,可通过查天然气压缩因子图得出天然气的压缩因子(Z)。
  采用该标准图版的方法适用条件是以CH4、C2H4为主要组成的贫天然气[3],计算的天然气压缩因子平均偏差约为3%,不适合H2S、CO2等非烃含量较高的酸性天然气。
1.2 状态方程法
  状态方程法利用天然气的摩尔组成进行计算,该计算方法又称AGA8—92DC计算方法,是标准化组织(ISO)天然气技术委员会推荐的2种状态方程法之一,该
状态方程源自美国天然气协会的AGA8报告,主要应用于压力为0~12MPa和温度-8~65℃范围内的管输天然气[4],计算不确定度约为0.1%。也可在更宽的压力(0~280MPa)和温度(-130~400℃)范围内用于更宽组成范围的气体,但计算结果的不确定度会增加。目前,国家标准GB/T 17747.2—2011《天然气压缩因子的计算》及大部分天然气流量计量仪表均采用该状态方程法计算天然气压缩因子。
  该计算方法需要对气体进行详细的摩尔组成分析,但针对H2S和CO2组分,适用的浓度范围为:H2S摩尔分数为0~0.02%,CO2摩尔分数为0~30%。因
此,该方法对于H2S含量比较高的酸性天然气并不适合。
 该状态方程是扩展的维利方程。

式中Z 为天然气压缩因子;B 为第二维利系数;ρm为摩尔密度(单位体积的摩尔数);ρr为对比密度;bn、Cn、kn为常数;C*n为温度与组成函数的系数;K 为混合物体积参数;R 为气体摩尔常数。
1.3 经验公式法
  Bumett关系式是依据AGA8—92DC提供的天然气压缩因子的值,拟合而得到的天然气压缩因子方程,采用该方法计算的天然气压缩因子与以AGA8—92DC计算的结果误差小于0.3%。该方法适用温度为-12.2~93.3℃,压力为0~13 789.6kPa,组分适用条件与AGA8—92DC法相同。因此,在遵循其适用条件下,应用Bumett关系式计算的天然气压缩因子替代AGA8—92DC计算的天然气压缩因子,在工程上是合适的。
  公式如下:

1.4 含有显著量H2S和(或)CO2酸性天然气压缩因子的计算
  酸性天然气的压缩因子和非酸性天然气的压缩因子有所不同,魏切特(Wichest)和埃则茨(Aziz)提出了简易的校正方法,该方法也是GPSA(美国气体加工与供应者协会)推荐的校正方法,这个方法仍使用标准的天然气压缩因子图,通过该法进行校正,即使天然气中酸气总含量达到80%,也可给出的天然气压
缩因子。

式中ε为平均临界温度的校正系数;T′c为天然气的平均临界温度,K;p′c为天然气的平均临界压力,MPa;T″c为校正后的天然气的平均临界温度,K;p″c
为校正后的天然气的平均临界压力,MPa;A 为酸性天然气中H2S和CO2的摩尔分数之和;D 为天然气中H2S的摩尔分数。该校正方法的适用范围为:压力为0~17
240kPa,组分(H2S+CO2)的摩尔分数不大于80%。

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