混空轻烃燃气密度计算方法的研究

2018-05-09樊玉光史冬雨

石油工业技术监督 2018年4期

樊玉光,魏嘉,张硕,史冬雨

西安石油大学机械工程学院（陕西西安 710065）

根据标准CJ/T 341—2010《混空轻烃燃气》，混空轻烃燃气是以轻烃燃料为原料，经过工艺装置气化与空气形成的混合燃气[1]。其使用的原料大部分为C5、C6组成的烃类混合物，这种烃类在常温下为液态，将这种混合烃气化后，按照一定比例与空气混合后变成气态燃气供工业或者居民使用。

混空轻烃燃气除了具备与天然气相同的特点，如使用方便、清洁环保的优势外，作为城市燃气还将大大提高石油冶炼副产品的工业价值，优化能源资源的合理配置。混空轻烃燃气的生产过程中，其产量的计算必须依靠混合燃气的密度来计算液态轻烃可以生产的轻烃混合燃气。在混合燃气的运输过程中，混合燃气的密度关系到管路以及动力设备的选择；在混合燃气的储存过程中，混合燃气的密度是决定燃气储存方式的重要因素。另外，混合燃气的密度及相对密度对于燃气的安全保障措施有重大意义，例如根据其相对密度的大小就可以判断当这种燃气泄漏时，泄漏气聚集的位置，对于人员的疏散方式至关重要。但在CJ/T 341—2010《混空轻烃燃气》中，对于混空轻烃燃气密度没有明确的计算方法。

1 混空轻烃燃气密度的理论计算方法

混空轻烃燃气密度的理论计算方法需要先通过理想气体状态方程PM=ρRT，计算理想气体的密度压缩因子Z进行修正，将理想气体的密度转换成真实气体的密度，具体方法如下。

1.1 理想气体密度的计算方法

理想气体的密度：

式中：ρ0为理想气体的密度，g/m3；P为理想气体的压力，Pa；M为混空轻烃燃气的摩尔质量，g/mol；R为摩尔气体常数，J/（mol·K）；T为绝对温度，K。

理想气体的相对密度：

式中：S0为理想气体的相对密度；Mair为标准组成干空气的摩尔质量，g/mol。

1.2 燃气真实气体密度计算方法

真实气体的密度：

式中：ρ为真实气体的密度，g/m3；Zmix为真实气体的压缩系数。

真实气体的相对密度：

式中：S气为真实气体的相对密度；S0为理想气体的相对密度；Zair为标准组成干空气的压缩因子；Zmix为气体的压缩因子。

2 混空轻烃燃气密度的标准计算方法

2.1 密度计算标准的选择

在与燃气有关的标准中，GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》[2]、GB 13612—2006《人工煤气》[3]、GB 17820—2012《天然气》[4]、GB/T 12206—2006《城镇燃气热值和相对密度测定方法》[5]、GB/T 13611—2006《城镇燃气分类和基本特性》[6]，GB/T 3345—2016《煤制合成天然气》[9]、CJ/T 341—2010《混空轻烃燃气》[1]中对于燃气密度的计算均是采用GB/T 11062—2014《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》[8]中的方法。

在GB/T 11062—2014《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》中规定：已知用摩尔分数表示的气体组成时，计算干天然气、天然气代用品和其他气体燃料的高位发热量、低位发热量、密度、相对密度及沃泊指数的方法[8]。

本标准适用于任何干天然气、天然气代用品以及通常是气体状态的其他燃料。所以对于混空轻烃燃气，也可以使用这个标准来进行密度的计算。GB/T 11062—2014标准同时也提到对于以体积为基准的物性计算，本方法仅限于组成中甲烷摩尔分数不小于0.5的气体。所以需要判断GB/T 11062—2014标准对于甲烷摩尔分数大于0.5的混空轻烃密度计算的准确性。

2.2 根据GB/T 11062—2014计算混空轻烃的密度

2.2.1 方法提要

当已知气体组成时，先对气体混合物中所有组分的理想气体物性值，按各自相应的摩尔分数进行加权，然后将所有各项加和后，得到理想气体混合物的物性值。对于以体积为基准的物性值，通过使用压缩因子将其转化为真实气体的物性值[8]。

2.2.2 混空轻烃密度的标准计算

GB/T 11062—2014《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》进行计算燃气密度的方法与理论计算方法类似，只是在计算真实气体密度及相对密度时，需要根据标准中压缩因子的计算方法和参数。

由多种单一气体组成的天然气压缩因子Zmix的计算公式如下：

式中：xi为混空轻烃组分i的摩尔分数；bj为求和因子；Zi为在不同温度与压力下的各种组分的压缩因子。在GB/T 11062—2014中给出了不同参比条件下的压缩因子Zi和求和因子bj。

3 混空轻烃燃气实例计算分析

进行混空轻烃燃气实例计算，液体燃料的成分见表1。

表1 轻烃成分组成表 /%

燃料气化后分别按照体积分数1:4、1:3、1:2与空气进行混合，制成混空轻烃燃气。对其分别使用理论方法和标准GB/T 11062—2014中的方法进行密度计算，计算结果见表2。

标准计算方法和已知物性均是来自于GB/T11062—2014《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》，由于标准GB/T 11062—2014提到本方法仅局限于组成中甲烷摩尔分数不小于0.5的气体[8]。究其原因是标准方法不宜用于人造气体压缩因子的计算，实际使用中代替或者提高天然气效能的气体，其组成不同于天然气，使用这种方式进行计算后，预期不确定度难以估计[9]。所以，针对这种混空轻烃的密度计算，需要判断其准确性。