天然气是一种矿产物质, 从地下开采出来时, 都处于水饱和状态。虽然在成为商品天然气前都要进行脱水处理, 但由于脱水方法和工艺及经济性的限制, 商品天然气或多或少都含有水。天然气中的水分不但会影响到天然气的输送、增压和使用中的安全, 同时也会影响天然气的质量和计量准确度。
在早期天然气开发利用中, 由于技术或经济原因, 天然气输送管道上没有安装在线水含量测定仪器, 用于计量的天然气物性参数计算方法的输入参数也没有考虑水含量。随着技术和经济的发展,在线水含量测定仪器已经成为天然气输送管道中常规配置的在线测定仪器之一, 水含量也成为物性参数计算方法的输入参数之一。在国外, 天然气计量只有在标准参比条件下的高位发热量计算方法中考虑水含量的影响, 并且只有干气或饱和水两种状况。目前某些厂家在其在线色谱仪产品数据处理软件中, 已经把实际水含量纳入物性参数计算
的输入参数。
随着我国天然气的开发和利用力度的加大, 其贸易量也随之增加。为了解决国内资源不足, 已经开展液化天然气(LNG)的引进项目, 管道天然气的引进也提上议事日程。我国天然气的计量方式也将从单纯的体积计量方式向以能量计量为主, 体积计量为辅的惯例转换。而水含量对流量计量结果的影响将涉及到能量价格的制定。
本文使用现在的标准方法, 探讨了水含量对天然气计量结果的影响。
1、流量计算公式
天然气计量方式有体积计量和能量计量两种,能量计量建立在体积计量的基础上。在能量计量方式中, 能量流量计算公式如下:
E=qHs
式中:E 为天然气标准参比条件下的能量流量(MJ/s 或kWh/s);q 为天然气标准参比条件下的体积流量或质量流量(m3/s 或kg/s);HS 为天然气标准参比条件下的高位发热量(MJ/m3 、kWh/m3 或MJ/kg 、kWh/kg)。不管是体积计量方式还是能量计量方式, 都涉及到流量计量。
1.1差压式流量计
孔板、喷嘴、文丘利等以测量差压、压力和温度参数计算流量的流量计称作差压式流量计, 此类流量计直接计量结果为质量流量。为了方便体积计量, 某些标准中也提供标准参比条件下体积流量的计算公式。
1.2体积式流量计
为方便起见, 把超声、涡轮和容积式等直接测量工作条件下的体积流量的流量计归类为体积式流量计。此类流量计要求把工作条件下的体积流量换算成标准参比条件下的体积流量。
1.3质量式流量计
质量式流量计是直接测量质量流量的流量计, 在体积计量方式中, 要求把质量流量换算为成标准参比条件下的体积流量。
1.4临界流流量计
临界流流量计通常只作为标准流量计,计量结果也是质量流量。
2、水含量对流量计算结果影响分析
2.1影响因素分析
天然气中的水是天然气的组成部分, 对天然气流量计量的影响是通过流量计量使用的物性参数传递的。与流量计算有关的物性参数有标准参比条件下的压缩因子、密度、相对密度和高位发热量, 工作条件下的压缩因子、密度和临界流函数以及摩尔质量和超压缩因子。根据习惯, 可在密度或压缩因子和摩尔质量或超压缩因子和相对密度三组参数中选择其一, 本文选择了密度。
2.1.1标准参比条件下的密度和高位发热量
标准参比条件下的密度和高位发热量计算方法有ISO6976、ASTM D3588和GB/T11062,GB/T 11062 是参照ISO 6976 制定的。水含量对密度和高位发热量计算结果的影响是通过组成摩尔分数的改变使理想气体密度和高位发热量和压缩因子计算结果发生改变, 从而改变密度和高位发热量的计算结果。
2.1.2工作条件下的密度
工作条件下的密度计算方法有ISO 12213、AGA NX -19、AGA No 8和GB/T 17747,GB/T 17747 是参照ISO 12213 制定的。水含量对密度计算结果的影响是由组成摩尔分数的改变或计
算方法不能处理水组分而引起的。
2.1.3工作条件下的临界流函数
工作条件下的临界流函数计算方法有JJG620 —1994和AGA 0。水含量对临界流函数计算结果的影响是由组成摩尔分数的改变或计算方法不能处理水组分而引起的。
2.1.4摩尔质量
水含量对摩尔质量计算结果的影响是由组成摩尔分数的改变而引起的。
2.2相对偏差计算公式
为了方便, 下文提及的天然气流量(q)和发热量(Hs)均采用以体积为基础的单位。相对偏差计算的参照值为不含水的计算值。
2.2.1差压式流量计
以标准孔板为例, 由S Y/ T 6143 标准中的式(14)和GB/T 18603 中的式(B4)推导出差压式流量计标准参比条件下体积流量相对偏差(ED)计算公式如下:

2.2.2体积式流量计
由GB/T 18603 中的B 式(B1)推导出体积式流量计标准参比条件下体积流量相对偏差(E V)计算公式如下:

2.2.3质量式流量计
由GB/T 18603 中的式(B4)推导出质量式流量计标准参比条件下体积流量相对偏差(Em)计算公式如下:

2.2.4临界流流量计
由JJG620 —1994 检定规程中的式(6)和GB/T18603 中的式(B4)推导出临界流流量计标准参比条件下体积流量相对偏差(EC)计算公式如下:

2.2.5高位发热量相对偏差计算公式标准参比条件下高位发热量相对偏差(EH)计算公式如下:

　式(2)～ 式(6)中:ρ为气体密度(kg/m3);下标:n 为标准参比条件下的参数, 0 为不含水参数计算值, w 为含水参数计算值, 1 为操作条件下的参数;C＊为临界流函数;M 为气体摩尔质量(kg/kmol)。
3、水含量对流量计量影响实例
3.1基础数据
1)典型的10 个天然气组成数据列于表1 ;
2)标准参比条件为101 .325kPa , 20 ℃;
3)工作压力从0 .5MPa ～ 10 .0MPa , 温度为20 ℃, 对应的饱和水含量用ISO 18453规定的方法计算, 结果绘于图1 ;
4)根据统计需要, 在干气和饱和气体之间, 分20 个水含量点结合表1 中的组成数据进行计算;
5)标准参比条件下的密度和高位发热量用GB/T 11062 规定的方法计算;
6)工作条件下的密度用GB/T 17747 -2 规定的方法计算, 临界流函数分别用JJG620 —1994 和AGA No10 规定的方法计算。

3.2水含量对流量计算的影响
把3.1 中的基础数据与2 .2 中的公式结合计算相应项目的相对偏差。鉴于篇幅有限, 对每个项目的2600 个相对偏差数据(高位发热量为200 个)进行统计。
3.2.1 差压式流量计
相对偏差在-0 .028 %至0 .009 %之间, 与流量计的测量不确定度相比, 水含量的影响可以忽略。
3.2.2体积式流量计
相对偏差在-0 .003 %至0 .000 %之间, 与流量计的测量不确定度相比, 水含量的影响可以忽略。
3.2.3质量式流量计
相对偏差在-0 .049 %至0 .027 %之间, 与流量计的测量不确定度相比, 水含量的影响可以忽略。
3.2.4临界流流量计流量
用JJG620 —1994 方法计算临界流函数(干气)与AGA No10 方法计算临界流函数(湿气)所引起的临界流流量计标准参比条件下体积流量相对偏差在-0 .046 %至2 .134 %之间, 如此大的偏差不但源于JJG620 —1994 的方法不能处理含水天然气, 也有JJG620 —1994 计算方法准确度低的原因。
只用AGA No10 方法计算临界流函数所引起的临界流流量计标准参比条件下体积流量相对偏差在-0 .030 %至0 .014 %之间。
3.2.5高位发热量
相对偏差在-2 .160 %至0 .000 %之间, 实施能量计量时应考虑此因素的影响。