气体流量测量中使用的热力学状态研究

宋延勇,肖红练,郭爱华,刘一凡,顾良男

(1.上海仪器仪表自控系统检验测试所有限公司，上海 200233；2.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

气体是可压缩性流体，单位质量的气体在不同的温度和压力下具有不同的体积。因此在科学研究中，需要确定一个温度和压力的标准状态，使得不同组数据能够互相比较。在气体流量测量中，通常用气体体积流量表示单位时间输送管道中流过的气体体积[1]。同样，也需要确定一个温度和压力的标准状态，用于不同热力学状态下的测量结果比较。这个标准状态通常称为标准参比条件。根据气体状态方程，将不同热力学状态下的测量结果换算为标准参比条件下的体积进行结果比较和贸易结算。因此，标准参比条件的定义非常重要。其明确的热力学状态将直接影响结果比较和贸易结算的准确、公平。

1 热力学状态及其状态参数

工质在热力设备中，必须通过吸热、膨胀、排热等过程，将热能转变成为机械能。在这些过程中，工质的物理特性随时间发生变化，或者说，工质的宏观物理状况随时发生变化。人们把工质在热力变化过程中某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态[2]。状态参数一旦确定，工质状态也就确定了。

研究热力过程中，常用的状态参数有压力p、温度T、体积V、热力学能U、焓H和熵S。其中，压力、温度及体积可直接用仪器测量，使用最多，称为基本状态参数。其余状态参数可根据基本状态参数间接计算。气体流量测量中，通常确定被测介质的成分、温度和压力，就可以算得流体的密度，进而通过流量计测得测量状态下体积流量，计算流体的质量流量或对应于某一特定状态下的体积流量。

2 确定参比条件热力学状态的目的与意义

科学研究中，为了使不同组数据间能够互相比较，制定了温度和压力的标准状态(conditions for temperature and pressure，STP)。建议使用由国际理论(化学)与应用化学联合会(IUPAC)定义的STP，绝对压力100 kPa(1 Bar)和温度273.15 K(0 ℃)[3]。

气体流量测量单位通常采用标准立方米(normal cubic meter：Nm3)。我们常称其为仿质量单位，因为它看似体积单位，其实为质量单位。它与测点的压力、温度没有任何关系。如果气体为天然气，一标准立方米的质量还与天然气的组分有关，在天然气贸易结算计量时采用能量单位比较合理。因为同样的天然气质量，如其组分不同，则其发热量也不同。因此，在工商业中涉及气体体积和体积流量表述时，明确参比条件的热力学状态是非常有必要的。这是因为单位质量气体体积量随着气体的温度压力而变化。然而，IUPAC定义的标准状态并没有被普遍接受为标准参比条件的热力学状态。因此，目前采用多个标准参比条件定义，也允许采用合同规定的温度和压力作为参比条件。由此可知，简单将气体流量表述为m3/h (或标方每小时)，在“标准状态”或“参比条件”下是没有意义的，除非明确说明所采用的参比条件的温度压力。

3 过去使用的标准参比条件的热力学状态

在相当长时间里，大部分的工程、化学、物理和其他理科中表达气体的体积时，使用米制单位将标准参比条件的热力学状态确定为温度273.15 K(0 ℃)和压力101.325 kPa(1个大气压下的绝对压力)。同时，在世界各国的油气工业中，普遍使用英制单位或美国惯例单位制，将标准参比条件确定为60℉(520°R)和14.696 psia(1个大气压下的绝对压力)。

过去采用米制单位时，也常采用Nm3作为计量单位，并将其标准参比状态确定为温度273.15 K(0 ℃)和压力101.325 kPa(1个大气压下的绝对压力)。现在，这样的表达是不合适的，除非明确标准参比状态的温度和压力。

同理，采用标准立方英尺(standard cubic foot,SCF)也不恰当。特别是OPEC和大部分北美天然气工业过去规定温度60℉和压力14.696 psia。

4 目前在用的标准参比条件的热力学状态

国内外现在使用的标准参比条件有许多不同的规定。

国内，教科书中通常规定标准状态为温度273.15 K(0 ℃)、压力101.325 kPa,标准状态下任意气体的摩尔体积为0.022 414 1 m3/mol[1]。在与天然气测量相关的国家标准、行业标准中，定义了标准参比条件[4-7](某些标准中又称计量参比条件[8]或者基准条件[9])，指明特定热力学状态的温度和压力。其中：GB/T 19205-2008《天然气标准参比条件》规定了测量和计算天然气、天然气代用品及气态类似流体时，使用的压力、温度和湿度的标准参比条件，规定温度293.15 K(20 ℃)、压力101.325 kPa作为测量和计算天然气和真实干燥气体的标准热力学状态，也明确可采用合同规定的其他压力和温度作为标准参比条件。这也是我国天然气计量普遍采用的参比条件。其他部分国家使用的标准参比条件会有差别。不同国家使用的标准参比条件如表1所示。

表1 不同国家使用的标准参比条件

应注意：标准和规程中，还有一个“参比条件”。其为确保仪表测量结果能相互比对而规定的一组温度、湿度、气压值或范围[10]。该定义与气体体积换算所用标准参比条件的热力学状态非同一含义。

国外，目前IUPAC规定标准状态的温度为273.15 K(0 ℃)、压力为100 kPa(1 bar)，取代之前规定的温度273.15 K(0 ℃)、压力101.325 kPa(1个大气压绝对压力)。

ISO13443-1996《天然气标准参比条件》(与GB/T 19205-2008有着非等效的一致性对应关系，确定的压力、温度和湿度的标准参比条件和该国标有区别[11])规定温度288.15 K(15 ℃)、压力101.325 kPa作为测量和计算天然气和真实干燥气体的标准热力学状态，也明确可采用合同规定的其他压力和温度作为标准参比条件。

国际法制计量组织(OIML)制定的国际建议OIML R 6-1989 General provisions for gas volume meters[12]中，定义：术语Metering conditions,指测量气体体积时测量位置处被测气体的状态(例如：被测气体的温度和压力)；术语Base conditions指测量气体转换成的状态(例如：基准温度和基准压力)，和标准参比条件确定的热力学状态的含义相同。推荐选择Base conditions为温度0 ℃、15 ℃或20 ℃，压力101.325 kPa。

OPEC和大部分北美天然气工业目前采用温度60 ℉和压力14.73 psia作为标准参比条件，以表示天然气体积和流量(不采用先前通常使用的温度60℉和压力14.696 psia)。

相关组织和书籍中规定的标准参比条件的不同热力学状态(温度、压力)如表2所示。

表2 标准参比条件的不同热力学状态

5 体积流量换算和流量测量应用

气体摩尔体积通常可以采用气体状态方程精确计算，方程如下：

(1)

式中：P为气体绝对压力，Pa；Vm为气体摩尔体积，m3/mol；T为气体的热力学温度，k；Z为压缩因子，理想气体Z恒等于1；R为摩尔气体常数，8.314 510 J/(mol·k)。

理想气体的摩尔体积只与热力学状态温度、压力有关，实际气体的摩尔体积为同样热力学状态下理想气体的摩尔体积和压缩因子的乘积。任意理想气体在标准参比条件温度293.15 K(20 ℃)、压力101.325 kPa下的摩尔体积为：

工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合气体，如空气、燃气、烟气等，在通常使用的温度、压力下都可作为理性气体处理。对于天然气的压缩因子计算，可以采用相关标准中由摩尔组成或物性值计算压缩因子[12]，又称为AGA8-92DC和SGERG-88计算方法。

不同测量条件下的体积流量和参比条件的下的体积流量的换算为：

(2)

式中：qv为体积流量,m3/h；下标0表示参比条件，下标1表示测量条件。

标准参比条件下的密度为：

(3)

式中：ρ0为标准参比条件下的密度,kg/m3；M为摩尔质量,kg/mol。

混合气体的摩尔质量为：

(4)

式中：xj为组分j的摩尔分数，%；Mj为组分j的摩尔质量，kg/mol。

被测气体质量流量为：

qm=qV0ρ0

(5)

式中：qm为质量流量，kg/h。

气体流量测量中，为了便于比较不同测量条件下测得的体积流量，可以通过以上的计算公式，将其测量结果换算成某标准参比条件下的体积流量；或采用质量流量，进行比对和结算。因此，准确测量测量条件下热力学状态温度、压力和流量，明确参比条件的温度和压力非常重要。

6 结束语

在气体介质流量测量过程中、由于介质的温度和压力随不同热力学状态而变化，有必要确定一个标准的参考热力学状态来比较不同测量状态下测量结果[13]。因此，为了便于不同测试数据之间进行比较，引入了标准状态和标准参比条件的定义。

不同的研究领域和组织，结合自身学科和惯例特点，制定了不同的标准参比条件。国内外对特定气体热力学状态的多种命名和规定给科研工作者和用户带来诸多困扰和不便，为国内科研工作者和用户在使用标准参比条件进行换算带来了困扰。本文对当前使用的标准热力学状态的命名和规定进行了研究，并给出了不同参比条件下气体摩尔体积计算和流量换算的公式方法，为科研工作者和用户提供参考。