基于AGA8和AGA10的天然氣物性參數(shù)計(jì)算的軟件設(shè)計(jì)

陳玉潔 沈昱明

摘 ?要： 根據(jù)美國燃?xì)鈪f(xié)會（AGA）發(fā)表的AGA No.8及AGA No.10報(bào)告中提出的計(jì)算方程，采用向量法、機(jī)械求積法等對AGA推薦算法進(jìn)行了優(yōu)化;并通過MATLAB編程，計(jì)算了天然氣物性參數(shù)，包括：壓縮性系數(shù)、比熱、聲速、等熵指數(shù)、焓和熵;分析了AGA8中天然氣壓縮性系數(shù)隨壓力與溫度的變化關(guān)系。測試結(jié)果表明，計(jì)算誤差低于0.0003‰，優(yōu)化后程序運(yùn)行平均耗時(shí)僅150 ms左右。

關(guān)鍵詞： MATLAB;天然氣;物性參數(shù);AGA8-92DC方程;AGA10;優(yōu)化算法

中圖分類號： TP391.75 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.027

【Abstract】： According to the calculation equations proposed in the AGA No. 8 and AGA No. 10 reports issued by the American Gas Association （AGA）， the AGA recommendation algorithm was optimized using the vector method and the mechanical quadrature method; and the physical properties of natural gas was calculated through MATLAB， including compressibility factor， heat capacity， speed of sound， isentropic index， enthalpy and entropy; the relationship between the compressibility factor of natural gas in AGA8 and the pressure and temperature was analyzed. The test results show that the calculation error is less than 0.0003‰， and the average running time of the optimized program is only about 150 ms.

【Key words】： MATLAB; Natural gas; Physical properties; AGA8-92DC equation; AGA10; Optimization

0 ?引言

天然氣物性參數(shù)，特別是壓縮性系數(shù)的精確度，對天然氣流量計(jì)量影響巨大[1]。對于實(shí)際氣體，常采用PV=ZnRT來代替理想氣體狀態(tài)方程。通過引入壓縮性系數(shù)Z，以衡量實(shí)際氣體相對理想氣體的偏離程度。

目前，壓縮性系數(shù)的計(jì)算方法有RK公式、Redlieh- Kwong對比態(tài)方程[2]、SGERC-88方程、AGA8-92DC方程等。已有大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了AGA8-92DC方程的精確性，因此在行業(yè)中被廣泛采用。

文獻(xiàn)3、4、5實(shí)現(xiàn)了對壓縮性系數(shù)的編程計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果與AGA8所給結(jié)果存在較大誤差;文獻(xiàn)6探討了AGA8-92DC方程計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的差異;文獻(xiàn)7基于AGA8-92DC的狀態(tài)方程，提出了一種簡便、準(zhǔn)確的計(jì)算天然氣臨界流質(zhì)量流量的方法。

AGA10雖然給出了計(jì)算其他物性參數(shù)的算法及源代碼，但其算法復(fù)雜、代碼量大，不利于芯片化運(yùn)行。本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展，增加求解了天然氣其他重要的物性參數(shù);優(yōu)化了AGA8、AGA10中的幾個(gè)偏微分的算法。計(jì)算結(jié)果與AGA8、AGA10中的結(jié)果完全吻合，也大大縮短了計(jì)算時(shí)間。經(jīng)測試，平均計(jì)算時(shí)間約為150 ms。

1 ?AGA8-92DC方程及其計(jì)算精度

在1992年6月召開的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）上，美國燃?xì)鈪f(xié)會（AGA）提出了計(jì)算天然氣壓縮性系數(shù)的AGA8-92DC方程（以下簡稱AGA8方程）。AGA8方程是參照天然氣組分摩爾分?jǐn)?shù)來計(jì)算的擴(kuò)展維里方程。在甲烷含量不低于70%，溫度263 K～338 K，絕對壓力低于20 MPa的工作條件下，計(jì)算不確定度優(yōu)于± 0.2%，能滿足絕大部分的工業(yè)條件。

2 ?優(yōu)化計(jì)算

輸入變量為21種天然氣組分的摩爾分?jǐn)?shù)、溫度及絕對壓力，MATLAB軟件編程計(jì)算后，輸出天然氣物性參數(shù)值，包括壓縮因子、比熱、聲速、等熵指數(shù)、焓和熵。其中，比熱、聲速、等熵指數(shù)、焓、熵的計(jì)算公式參照AGA No.10報(bào)告[8]。

2.1 ?密度檢索法迭代求解壓縮因子

2.2 ?向量化求解偏導(dǎo)

天然氣物性參數(shù)計(jì)算公式較為復(fù)雜，偏導(dǎo)計(jì)算更為冗雜。向量化計(jì)算是一種特殊的并行化計(jì)算方式。由于計(jì)算機(jī)并行的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文發(fā)現(xiàn)，對于偏導(dǎo)計(jì)算采用向量化方法，不但可以減少“for循環(huán)”，還可避免大量重復(fù)運(yùn)算，極大提高了計(jì)算效率。以下以第二維里系數(shù)偏導(dǎo)計(jì)算予以說明。

2.3 ?機(jī)械求積法計(jì)算積分

比熱、焓和熵的計(jì)算涉及求解關(guān)于摩爾密度的定值積分。被積函數(shù)復(fù)雜，包含累加和偏導(dǎo)計(jì)算，本文使用機(jī)械求積法求解。與定義法相比，機(jī)械求積法能夠劃分更少的區(qū)間而達(dá)到相同的計(jì)算精度，算法時(shí)間復(fù)雜度得以降低。物性參數(shù)計(jì)算方程為式（10）～（12）所示：

3 ?軟件設(shè)計(jì)

GUI（Graphical User Interface），指利用圖形控件進(jìn)行人機(jī)交互操作。為了方便用戶的使用，本文引入MATLAB的GUI技術(shù)[10]，只需用戶在人機(jī)交互界面上輸入天然氣溫度、壓力和組分摩爾數(shù)，即可自行計(jì)算出物性參數(shù)。

圖形界面設(shè)計(jì)完成后，通過Matlab的自動導(dǎo)出功能可將計(jì)算程序*.m文件與GUI圖形界面*.fig文件合并為一個(gè).m文件。隨后C/C++編譯器生成*.exe可執(zhí)行文件。未安裝MATLAB的機(jī)器僅需下載編譯環(huán)境庫MATLAB Runtime（MCR）或者將MATLAB安裝路徑下的/toolbox/compiler/Deploy/win32的MCRInstaller.exe與編譯的執(zhí)行文件打包發(fā)送即可，執(zhí)行文件運(yùn)行時(shí)會自動調(diào)用下載的動態(tài)鏈接庫DLL。

但MCRInstaller.exe所占內(nèi)存較大，可移植性不高，對應(yīng)用范圍有一定限制。既需MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力，又需生成便捷的計(jì)算機(jī)軟件，也可采用其他編程語言調(diào)用MATLAB程序。如Mideva工具編譯*.m文件后可生成能被Visual C++[12]、Visual Basic以及Delphi調(diào)用的DLL動態(tài)鏈接庫。Microsoft VB在軟件開發(fā)界面上具有獨(dú)到之處，但在計(jì)算方面略顯不足，這方面恰可與MATLAB互補(bǔ)[13]。圖3是本文軟件界面設(shè)計(jì)。

4 ?測試

本文將軟件計(jì)算結(jié)果與GB/T 17747-1999與AGA No.10報(bào)告中算例進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果中壓縮性系數(shù)完全一致，其他參數(shù)如表1所示，計(jì)算相對誤差小于0.0003‰，說明軟件計(jì)算正確，滿足精度要求。

MATLAB源程序中，本文利用tic， toc語句對程序進(jìn)行時(shí)間測試。不采用任何優(yōu)化方法計(jì)算（默認(rèn)使用循環(huán)結(jié)構(gòu)和MATLAB自帶積分函數(shù)），平均耗時(shí)為1.5?s;優(yōu)化后平均耗時(shí)為150 ms，降為原來的10%，優(yōu)化效果明顯。

表2中顯示的是AGA10更寬的應(yīng)用范圍，本文在AGA8原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了更高溫度、更大壓力條件的壓縮性系數(shù)。對于AGA8所展示的6種天然氣，其壓縮性系數(shù)與溫度、壓力的關(guān)系如圖4所示。

5 ?結(jié)語

（1）本文采用向量化方法、機(jī)械求積法、密度檢索法迭代等優(yōu)化算法，極大提高了計(jì)算效率。

（2）計(jì)算結(jié)果與AGA報(bào)告數(shù)據(jù)相比，二者完全吻合。

（3）對同一種類天然氣，壓力為6 MPa的壓縮性系數(shù)變化曲線與12 MPa情況下相差較大;而12 MPa以上曲線幾乎重合;且隨溫度升高，不同壓力下天然氣壓縮性系數(shù)差值減小。

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