天然氣發熱量計算標準差異性分析

李天琦

（1.大慶油田設計院有限公司；2.國家石油天然氣大流量計量站）

天然氣貿易計量方式有體積、質量和能量計量三種方式，北美、歐洲等國家實施能量計量計價，我國以體積計量方式為主，目前正在逐步向能量計量計價的方式轉變。在能量計量過程中，不同產地、不同氣源的天然氣因其組分不同，單位體積蘊含的發熱量差異較大[1]。

天然氣發熱量的測定方法分為直接法和間接法。直接法是將天然氣在熱量計中燃燒，直接測量其釋放的熱量的方法。直接法能夠直觀地反映出天然氣的實際發熱量，但是對測量設備要求較高。我國發熱量直接測量技術測量不確定度為0.17%（k=2），達到ISO 15971 規定的1 級水平，可以滿足現場發熱量測量結果核查和爭議仲裁要求；但未建立ISO 15971 標準定義的0 級發熱量裝置，與歐美發熱量直接測定不確定度優于0.10%相比還有一定差距[2]。中國計量科學研究院保存的水流式熱量計測量不確定度小于1.0%，不能滿足GB/T 18603《天然氣計量系統技術要求》中A級站的發熱量測定不確定度小于0.5%的要求[3]。

間接法是利用氣相色譜法分析出天然氣組分，然后依據相關標準計算發熱量的方法[4]。間接法計算發熱量易于操作，準確性高，是國際天然氣貿易中發熱量測定的主流方法。

1 發熱量計算標準差異性分析的必要性

不同國家天然氣發熱量計算選用的標準不盡相同[5]，主流的發熱量計算標準主要有ISO 6976《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》[6]（以下簡稱ISO 6976 標準）、GB/T 11062《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》、 GPA 2172《貿易交接天然氣混合物的發熱量、相對密度、壓縮因子和理論碳態烴含量的計算》[7]（以下簡稱GPA 2172 標準）和ASTM D 3588《計算氣體燃料熱值、壓縮因子和相對密度的標準實施規程》[8]（以下簡稱ASTM D 3588 標準）。

根據GB/T 18603 《天然氣計量系統技術要求》，我國設計通過能力超過100 m3/h 的天然氣計量站，使用天然氣組分數據計算發熱量時，規定采用的計算標準為GB/T 11062 標準，是ISO 6976 標準的等同翻譯版本。

歐洲統一發布的天然氣標準數量較少，各國內部交接計量多遵循本國相關標準規范。國際交接計量遵循國際標準化組織（ISO）發布的相關標準規范，發熱量計算主要采用ISO 6976 標準。

美國氣體協會（AGA）、美國氣體加工協會（GPA）、美國石油學會（API）及美國材料與試驗協會（ASTM） 均發布有涉及天然氣分析測試技術、天然氣取樣技術、天然氣流量測量技術等與天然氣能量計量技術密切相關的標準。在美國發熱量計算采用的標準一般為GPA 2172 標準和ASTM D 3588 標準。

上述標準都介紹了天然氣發熱量的計算方法，但在適用范圍、參比條件、計算方法、基礎數據引用等方面存在差異。因此有必要對發熱量計算標準開展研究，歸納總結各發熱量計算標準之間的異同點，為天然氣貿易雙方對天然氣發熱量計算標準的選擇提供參考。

2 適用范圍及參比條件

2.1 ISO 6976 標準

ISO 6976 標準是國際標準化組織制定的標準，適用于已知氣體摩爾組成，計算天然氣、天然氣代用品和其他氣體燃料的高位發熱量、低位發熱量、密度、相對密度、高位沃泊指數和低位沃泊指數。對于以體積為基準的發熱量的計算，此方法僅適用于在參比條件下壓縮因子大于0.9 的混合物。

ISO 6976 標準可以進行參比壓力為101.325 kPa，計量參比溫度和燃燒參比溫度為0 ℃、15 ℃、15.55 ℃、 20 ℃、 25 ℃氣體發熱量的計算。ISO 6976 標準以國際單位制為主，在附錄中列舉了部分發熱量在國際單位制和非國際單位制之間換算的換算因子。

2.2 GPA 2172 標準

GPA 2172 標準是美國氣體加工協會時制定的標準，適用于根據天然氣混合物的組分在參比條件下計算混合氣體的發熱量、相對密度、壓縮因子和理論液態烴液體含量。在計算時需考慮水的影響，分為干氣和濕氣兩種情況進行發熱量的計算。標準中干氣的定義為每百萬標準立方英尺（MMSCF）天然氣中水含量不超過7 磅。

GPA 2172 標準使用的基礎數據引自GPA 2145標準[9]，可以進行參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa和參比溫度15 ℃、參比壓力101.325 kPa兩種參比條件的發熱量計算。此外GPA 2172 標準介紹了基于參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa，計算其他壓力下氣體發熱量的方法。

2.3 ASTM D 3588 標準

ASTM D 3588 標準由美國材料與試驗協會編制，適用于所有常見類型的氣態燃料（例如干式天然氣、重型氣體、油氣、焦爐煤氣和罐式煤氣等氣體）體積發熱量的計算。

ASTM D 3588 標準使用的基礎數據引自GPA 2145 標準，可以進行參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa 的天然氣發熱量計算。

3 計算方法

因ASTM D 3588 標準與GPA 2172 標準發熱量計算方法、基礎數據引用標準相同，因此僅對比研究GPA 2172 標準和ISO 6976 標準。

3.1 ISO 6976 標準

ISO 6976 標準在忽略了對理想氣體摩爾發熱量進行焓修正的前提下，認為以摩爾為基準或以質量為基準的真實氣體發熱量等于相應的理想氣體發熱量。通過以體積為基準的理想氣體發熱量計算真實氣體發熱量，首先需要求得天然氣的壓縮因子。

當p0=101.325 kPa 時， 計量參比壓力p2在90~110 kPa 的范圍內，天然氣的壓縮因子計算公式為：

式中：p0為參比壓力，kPa；p2為計量參比壓力，kPa；t2為計量參比溫度，℃；xj為天然氣各組分的摩爾分數； ()t2，p0為求和因子，ISO 6976 基礎數據給出。

燃燒溫度為t1，計量溫度為t2，計量壓力為p2時，理想氣體體積發熱量：

真實氣體體積發熱量：

式中：xj為天然氣各組分的摩爾分數；為天然氣各組分的理想摩爾發熱量，kJ·mol-1，ISO 6976 基礎數據給出；R為摩爾氣體常數，8.314 462 1 J·mol-1·K-1；T2為熱力學溫度，K；Z(t2，p2)為氣體的壓縮因子。

3.2 GPA 2172 標準

天然氣的壓縮因子：

式中：pb為參比壓力，psi；xi為天然氣各組分的摩爾分數；bi為求和因子，GPA 2145 基礎數據給出。

理想氣體體積發熱量：

真實氣體體積發熱量：

式中：xi為天然氣各組分的摩爾分數；為天然氣各組分的理想氣體體積發熱量，Btu/ft3，GPA 2145 基礎數據給出；Z為氣體的壓縮因子。

4 計算實例

根據兩個標準的參比條件，使用標準中提供的方法對發熱量進行計算，分析計算結果的差異性。

4.1 參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa

1）使用GPA 2172 標準計算天然氣（干燥）發熱量示例見表1。

得出壓縮因子Z=0.997 56 ，理想氣體體積發熱量Hvid約為39.559 6 MJ/m3，真實氣體體積發熱量Hv約為39.656 2 MJ/m3。

2）使用ISO 6976 標準計算天然氣（干燥）發熱量示例見表2。

表2 使用ISO 6976標準計算天然氣（干燥）發熱量示例一Tab.2 Example 1 for calculating natural gas(dry)calorific value using ISO 6976 standard

得出壓縮因子Z(15.55,101.325 )=0.997 57。

理想氣體體積發熱量為：

真實氣體體積發熱量為：

4.2 參比溫度15 ℃、參比壓力101.325 kPa

1）使用GPA 2172 標準計算天然氣（干燥）發熱量計算示例見表3。

表3 使用GPA 2172標準計算天然氣（干燥）發熱量示例二Tab.3 Example 2 for calculating natural gas(dry)calorific value using GPA 2172 standard

壓縮因子Z=0.997 56 ，理想氣體體積發熱量真 實 氣 體 體 積 發 熱量Hv=39.734 6 MJ/m3。

2）使用ISO 6976 標準計算天然氣（干燥）發熱量示例見表4。

表4 使用ISO 6976標準計算天然氣（干燥）發熱量示例二Tab.4 Example 2 for calculating natural gas(dry)calorific value using ISO 6976 standard

得出壓縮因子Z(15，101.325 )=0.997 55。

理想氣體體積發熱量為：

真實氣體體積發熱量為：

5 發熱量計算結果統計分析

隨機選取國內各地天然氣管網內氣體組分20組，通過使用上述計算方法分別計算氣體的體積發熱量，并使用常用的統計分析方法比較所獲得的結果之間的差異。ISO 6976 標準和GPA 2172 標準計算發熱量的相對偏差以及標準偏差見表5，在參比溫度15℃、參比壓力101.325 kPa 下，兩個計算標準之間的相對偏差最大為0.004 3%，標準偏差為0.000 3%。

表5 ISO 6976 標準和GPA 2172 標準計算發熱量的相對偏差以及標準偏差Tab.5 Relative deviation and standard deviation of calculated calorific value according to ISO 6976 standard and GPA 2172 standardMJ/m3

6 水蒸氣的發熱量處理

計算過程以干燥氣體為前提，如果氣體實際含有水，但氣體組分基于干燥氣體分析，說明水蒸氣已經取代了一部分氣體，降低了熱值，因此有必要調整各組分氣體的摩爾分數。

GPA 2172 標準和ASTM D 3588 標準考慮了水蒸氣對發熱量的影響，而ISO 6976 標準并未直接說明水蒸氣對發熱量的影響，而是在文中引用了另一個標準ISO/TR 29922[10]，討論了水蒸氣對直接測量的發熱量和計算的發熱量的影響。

經過總結，上述標準對水蒸氣的發熱量處理程序相同。水蒸氣可能以分壓pw至計量系統參比溫度t2下的飽和蒸氣壓ps存在于天然氣中，天然氣中的水蒸氣看作是干氣體積減少了pwps，因此測定的發熱量為干氣發熱量減去這部分發熱量，具體公式為：

以第4 節的數據為例，對比干氣發熱量和以干氣組分分析為基礎計算水蒸氣飽和氣體的發熱量。在參比溫度15 ℃、參比壓力101.325 kPa，使用ISO 6976 標準計算干天然氣的理想氣體體積發熱量為39.636 2 MJ/m3。在此參比條件下，飽和蒸氣壓為1.706 kPa， 則飽和天然氣中水的摩爾數為xw為0.016 837。

因此水蒸氣飽和氣體的體積發熱量是干氣發熱量的0.988 316 3 倍，即：Hv( sat )為38.968 8 MJ/m3。

7 結論

1） 在不同參比條件下使用GPA 2172 標準和ISO 6976 標準計算天然氣的體積發熱量，計算結果的差異性比較小。在滿足適用范圍的條件下，兩個標準計算結果的差異性不超過0.01%。

2）ISO 6976標準可實現參比壓力為101.325 kPa，計量參比溫度和燃燒參比溫度為0 ℃、15 ℃、15.55 ℃、20 ℃、25 ℃氣體體積發熱量的計算，GPA 2172 標準可實現參比壓力101.325 kPa、參比溫度15℃和參比壓力101.325 kPa、 參比溫度15.55 ℃天然氣體積發熱量的計算，而ASTM D 3588 標準可以進行參比溫度15.55 ℃、參比壓力101.325 kPa 的天然氣體積發熱量，計算ISO 6976 參比溫度覆蓋范圍更廣。

3） ISO 6976 標準中發熱量計算包含摩爾發熱量、質量發熱量和體積發熱量，GPA 2172 標準和ASTM D 3588 標準因其引用的基礎數據只有純組分的體積發熱量，只能進行體積發熱量的計算。

4）參比壓力為101.325 kPa，參比溫度分別為0 ℃、15 ℃、15.55 ℃和20 ℃時，干氣發熱量因水蒸氣的存在分別降低0.603%、1.684%、1.684%、2.308%，因此在天然氣發熱量計算過程中確定水蒸氣的含量對計算結果準確性至關重要。