鄧凡鋒, 周 鑫, 董了瑜, 李志昂, 鄭力文, 方 正
(中國測試技術(shù)研究院, 四川 成都 610021)
天然氣來源和組成的不同使其發(fā)熱量有很大差異,因此天然氣以能量計量更能合理反映天然氣熱能價值[1]。真正直接對天然氣進行能量測定的系統(tǒng)還在開發(fā)之中,估計近期內(nèi)難以商品化[2]。目前所采用的能量計量方法均屬于間接測定,通過對天然氣標(biāo)氣和待測天然氣氣相色譜分析,進而對待測天然氣的組分定值,計算出發(fā)熱量。目前天然氣標(biāo)氣主要依據(jù)GB/T 5274—2008 《氣體分析校準(zhǔn)用混合氣體的制備稱量法》進行制備,為了保證天然氣中的重組分不發(fā)生冷凝液化,該方法建議各組分的充裝壓力不超過組分常溫蒸汽壓的50%,最好不超過25%,這種計算由于過于保守使得配制壓力較低。
本文運用Peng-Robinson物性方程建立計算模型,繪制氣液平衡相圖。對不同組成的天然氣烴露點的變化規(guī)律進行求解,通過對相圖中烴露點線的分析,可以準(zhǔn)確地預(yù)測天然氣在特定壓力和溫度條件下組分出現(xiàn)冷凝液化的可能性,提高標(biāo)氣配制的可靠性。
維里狀態(tài)方程和立方型狀態(tài)方程常用于烴類混合物的物性進行描述和模擬計算。維里狀態(tài)方程對于極性混合物和高壓狀態(tài)下氣液兩相的物性缺乏準(zhǔn)確性,立方型狀態(tài)方程則可通過對體積三次冪的解析求根及相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián),進而對天然氣的物性參數(shù)進行計算[3]。常見的方程有Redlich-Kwong-Soave(SRK)、Peng-Robinson(PR)、Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)、Gaussian(GS)等,但由于PR方程對于烴類物性很好的適應(yīng)性,且方程的性能穩(wěn)定、參數(shù)少、形式簡單、易于計算的收斂、計算精度高,因此本文選擇PR方程[4~6]進行計算,其表達式見式(1)~(9)。
(1)
(2)
α0.5=1+(0.376 46+1.542 2ω-
(3)
(4)
(5)
Z3-(1-B)Z2+(A-3B2-2B)Z-
(AB-B2-B3)=0
(6)
(7)
(8)
(9)
式中:p為組分的壓強,Pa;R為理想氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);V為摩爾體積,m3/mol;Tc為臨界溫度,K;pc為臨界壓強,Pa;a,b為與Tc、pc關(guān)聯(lián)的特征參數(shù);ac為與Tc、pc相關(guān)的常數(shù);ω為偏心因子;Tr為對比溫度;α為與Tr、ω關(guān)聯(lián)的函數(shù);β為與m、T關(guān)聯(lián)的函數(shù);m、n為與ω關(guān)聯(lián)的函數(shù);A為與α、a、p、T、R關(guān)聯(lián)的參數(shù);B為與b、p、T、R關(guān)聯(lián)的參數(shù);Bi為組分i的參數(shù)B值;aj為組分j的特征參數(shù)a值;Z為壓縮因子;xi、yi分別為液相、氣相中i組分的摩爾分數(shù);φi為組分i的逸度系數(shù);φl,i、φg,i為液相、氣相中i組分的逸度系數(shù)。
本文所用組分的主要參數(shù)臨界溫度(Tc)、臨界壓力(pc)、偏心因子(ω)、沸點(Tb)在文獻[7]可查得,具體數(shù)據(jù)見表1。
表1 天然氣組分的物性參數(shù)表
本文的氣液兩相的平衡通過圖1所示的迭代計算流程進行求解,具體過程:將表1中的數(shù)據(jù)代入式(1)~式(5)求解狀態(tài)方程的系數(shù);將狀態(tài)方程系數(shù)代入式(6)~式(7)計算壓縮因子;最后將上述參數(shù)代入式(8)計算逸度系數(shù);迭代終止的條件見式(9),即氣液兩相達到平衡狀態(tài),兩相的逸度系數(shù)近似相等。
圖1 模型的計算流程簡圖
本文選用文獻[8~12]中的模擬天然氣(simulated nature gas,SNG)SNG-1~SNG-6組分摩爾分數(shù)數(shù)據(jù)(見表2),對模型的可靠性和準(zhǔn)確性進行驗證,得到的相圖見圖2。
(1)本文采用的PR方程模擬計算烴露點的方法,與文獻中的高壓函數(shù)方程[8]、PR方程計算方法和冷凝鏡面法[9,12]、EOS-CR模型計算法[10]、EOS-EF模型計算法[11]得到的相平衡曲線與文獻可以準(zhǔn)確地吻合,表明采用PR方程對天然氣的相圖規(guī)律進行計算模擬在理論上是準(zhǔn)確可靠的。
(2)為驗證理論值在實際標(biāo)準(zhǔn)氣體中的可行性,采用稱量法[13]分別配制SNG-6組分不同壓力條件下的2種標(biāo)氣,配制值-1、配制值-2的配制壓力分別為2.9 MPa、8.5 MPa,分析值是以低壓氣為標(biāo)準(zhǔn)分析高壓氣得到的值,誤差是配制值-2與分析值之間的差值,具體分析結(jié)果見表3。由表3結(jié)果可知:高壓8.5 MPa標(biāo)氣的配制誤差可以控制在0.1%以內(nèi),在高壓條件下天然氣保持了氣相的單一性,無液相析出,這表明相圖的理論計算值可以在實際中得到很好的應(yīng)用。
表2 研究所用的模擬天然氣組分摩爾分數(shù)表 (%)
圖2 天然氣的模擬計算圖
本文以SNG-6為例說明露點線分析在天然氣標(biāo)準(zhǔn)氣體研制中的應(yīng)用。
3.2.1 天然氣標(biāo)氣配制壓強的選擇
SNG-6中沸點最低的組分n-C6H14的摩爾分數(shù)為0.3%,n-C6H14的飽和蒸氣壓為17.6 kPa(20 ℃條件下)。根據(jù)GB/T 5274—2008中的飽和蒸氣壓估算法,在20 ℃的條件下此組成天然氣最高可以配到5.8 MPa,加之標(biāo)準(zhǔn)氣體的配制通常須考慮一定的安全充裝系數(shù),如按50%系數(shù)計算,SNG-6天然氣只能配制到2.9 MPa。但由圖2中SNG-6的烴露點線看出,點A(20 ℃,5.8 MPa)處于烴露點線的外側(cè),表明此時天然氣處于氣相狀態(tài),無冷凝液體析出;考慮到安全充裝系數(shù)的點B(20 ℃,2.9 MPa)亦處于烴露點線的外側(cè),說明此時天然氣完全以氣相狀態(tài)存在。根據(jù)20 ℃條件下甲烷焦湯系數(shù)[14]可知在5.8 MPa時,甲烷的焦湯系數(shù)在1.7左右,此天然氣降至0.3 MPa的使用下限時溫降為9.35 ℃左右,對照圖2可知此時天然氣仍以氣相存在。由此證明GB/T 5274—2008的條件限制可以配制出純氣相的天然氣標(biāo)氣,但由圖2烴露點線可知在固定溫度20 ℃條件下,天然氣均以氣相存在。因此,在此溫度條件下該組成的天然氣可以配制到更高的壓力,從而增加用戶的天然氣使用壽命和更換周期。
表3 模擬天然氣SNG-6摩爾分數(shù)分析表 (%)
3.2.2 天然氣配制溫度的選擇
天然氣標(biāo)氣在配制和使用過程中還應(yīng)考慮溫度因素,由SNG-6的露點線可知:在0 ℃條件下C、D兩點之間的區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)在露點線內(nèi)部(包含A、B兩點對應(yīng)的壓力),表明此時天然氣標(biāo)氣已經(jīng)出現(xiàn)液體凝析,如若用此標(biāo)氣進行分析比對得到的結(jié)果就會失真。由圖可知在0 ℃條件下,此組成天然氣最高可配到2.0 MPa。因此在使用溫度條件有波動的地區(qū)和季節(jié),露點分析可以提供很好的配制條件,避免凝析液的產(chǎn)生。
天然氣的烴露點曲線分析與GB/T 5274—2008 稱重法制備氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的飽和蒸汽壓估算法相比,可以更準(zhǔn)確地預(yù)測天然氣在特定壓力和溫度條件下組分出現(xiàn)冷凝液化的可能性,提高標(biāo)氣配制和使用的可靠性。
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