天然气发热量计算标准差异性分析

李天琦

（1.大庆油田设计院有限公司；2.国家石油天然气大流量计量站）

天然气贸易计量方式有体积、质量和能量计量三种方式，北美、欧洲等国家实施能量计量计价，我国以体积计量方式为主，目前正在逐步向能量计量计价的方式转变。在能量计量过程中，不同产地、不同气源的天然气因其组分不同，单位体积蕴含的发热量差异较大[1]。

天然气发热量的测定方法分为直接法和间接法。直接法是将天然气在热量计中燃烧，直接测量其释放的热量的方法。直接法能够直观地反映出天然气的实际发热量，但是对测量设备要求较高。我国发热量直接测量技术测量不确定度为0.17%（k=2），达到ISO 15971 规定的1 级水平，可以满足现场发热量测量结果核查和争议仲裁要求；但未建立ISO 15971 标准定义的0 级发热量装置，与欧美发热量直接测定不确定度优于0.10%相比还有一定差距[2]。中国计量科学研究院保存的水流式热量计测量不确定度小于1.0%，不能满足GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》中A级站的发热量测定不确定度小于0.5%的要求[3]。

间接法是利用气相色谱法分析出天然气组分，然后依据相关标准计算发热量的方法[4]。间接法计算发热量易于操作，准确性高，是国际天然气贸易中发热量测定的主流方法。

1 发热量计算标准差异性分析的必要性

不同国家天然气发热量计算选用的标准不尽相同[5]，主流的发热量计算标准主要有ISO 6976《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》[6]（以下简称ISO 6976 标准）、GB/T 11062《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》、 GPA 2172《贸易交接天然气混合物的发热量、相对密度、压缩因子和理论碳态烃含量的计算》[7]（以下简称GPA 2172 标准）和ASTM D 3588《计算气体燃料热值、压缩因子和相对密度的标准实施规程》[8]（以下简称ASTM D 3588 标准）。

根据GB/T 18603 《天然气计量系统技术要求》，我国设计通过能力超过100 m3/h 的天然气计量站，使用天然气组分数据计算发热量时，规定采用的计算标准为GB/T 11062 标准，是ISO 6976 标准的等同翻译版本。

欧洲统一发布的天然气标准数量较少，各国内部交接计量多遵循本国相关标准规范。国际交接计量遵循国际标准化组织（ISO）发布的相关标准规范，发热量计算主要采用ISO 6976 标准。

美国气体协会（AGA）、美国气体加工协会（GPA）、美国石油学会（API）及美国材料与试验协会（ASTM） 均发布有涉及天然气分析测试技术、天然气取样技术、天然气流量测量技术等与天然气能量计量技术密切相关的标准。在美国发热量计算采用的标准一般为GPA 2172 标准和ASTM D 3588 标准。

上述标准都介绍了天然气发热量的计算方法，但在适用范围、参比条件、计算方法、基础数据引用等方面存在差异。因此有必要对发热量计算标准开展研究，归纳总结各发热量计算标准之间的异同点，为天然气贸易双方对天然气发热量计算标准的选择提供参考。

2 适用范围及参比条件

2.1 ISO 6976 标准

ISO 6976 标准是国际标准化组织制定的标准，适用于已知气体摩尔组成，计算天然气、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、高位沃泊指数和低位沃泊指数。对于以体积为基准的发热量的计算，此方法仅适用于在参比条件下压缩因子大于0.9 的混合物。

ISO 6976 标准可以进行参比压力为101.325 kPa，计量参比温度和燃烧参比温度为0 ℃、15 ℃、15.55 ℃、 20 ℃、 25 ℃气体发热量的计算。ISO 6976 标准以国际单位制为主，在附录中列举了部分发热量在国际单位制和非国际单位制之间换算的换算因子。

2.2 GPA 2172 标准

GPA 2172 标准是美国气体加工协会时制定的标准，适用于根据天然气混合物的组分在参比条件下计算混合气体的发热量、相对密度、压缩因子和理论液态烃液体含量。在计算时需考虑水的影响，分为干气和湿气两种情况进行发热量的计算。标准中干气的定义为每百万标准立方英尺（MMSCF）天然气中水含量不超过7 磅。

GPA 2172 标准使用的基础数据引自GPA 2145标准[9]，可以进行参比温度15.55 ℃、参比压力101.325 kPa和参比温度15 ℃、参比压力101.325 kPa两种参比条件的发热量计算。此外GPA 2172 标准介绍了基于参比温度15.55 ℃、参比压力101.325 kPa，计算其他压力下气体发热量的方法。

2.3 ASTM D 3588 标准

ASTM D 3588 标准由美国材料与试验协会编制，适用于所有常见类型的气态燃料（例如干式天然气、重型气体、油气、焦炉煤气和罐式煤气等气体）体积发热量的计算。

ASTM D 3588 标准使用的基础数据引自GPA 2145 标准，可以进行参比温度15.55 ℃、参比压力101.325 kPa 的天然气发热量计算。

3 计算方法

因ASTM D 3588 标准与GPA 2172 标准发热量计算方法、基础数据引用标准相同，因此仅对比研究GPA 2172 标准和ISO 6976 标准。

3.1 ISO 6976 标准

ISO 6976 标准在忽略了对理想气体摩尔发热量进行焓修正的前提下，认为以摩尔为基准或以质量为基准的真实气体发热量等于相应的理想气体发热量。通过以体积为基准的理想气体发热量计算真实气体发热量，首先需要求得天然气的压缩因子。

当p0=101.325 kPa 时， 计量参比压力p2在90~110 kPa 的范围内，天然气的压缩因子计算公式为：

式中：p0为参比压力，kPa；p2为计量参比压力，kPa；t2为计量参比温度，℃；xj为天然气各组分的摩尔分数； ()t2，p0为求和因子，ISO 6976 基础数据给出。

燃烧温度为t1，计量温度为t2，计量压力为p2时，理想气体体积发热量：

真实气体体积发热量：

式中：xj为天然气各组分的摩尔分数；为天然气各组分的理想摩尔发热量，kJ·mol-1，ISO 6976 基础数据给出；R为摩尔气体常数，8.314 462 1 J·mol-1·K-1；T2为热力学温度，K；Z(t2，p2)为气体的压缩因子。

3.2 GPA 2172 标准

天然气的压缩因子：

式中：pb为参比压力，psi；xi为天然气各组分的摩尔分数；bi为求和因子，GPA 2145 基础数据给出。

理想气体体积发热量：

真实气体体积发热量：

式中：xi为天然气各组分的摩尔分数；为天然气各组分的理想气体体积发热量，Btu/ft3，GPA 2145 基础数据给出；Z为气体的压缩因子。

4 计算实例

根据两个标准的参比条件，使用标准中提供的方法对发热量进行计算，分析计算结果的差异性。

4.1 参比温度15.55 ℃、参比压力101.325 kPa

1）使用GPA 2172 标准计算天然气（干燥）发热量示例见表1。

得出压缩因子Z=0.997 56 ，理想气体体积发热量Hvid约为39.559 6 MJ/m3，真实气体体积发热量Hv约为39.656 2 MJ/m3。

2）使用ISO 6976 标准计算天然气（干燥）发热量示例见表2。

表2 使用ISO 6976标准计算天然气（干燥）发热量示例一Tab.2 Example 1 for calculating natural gas(dry)calorific value using ISO 6976 standard

得出压缩因子Z(15.55,101.325 )=0.997 57。

理想气体体积发热量为：

真实气体体积发热量为：

4.2 参比温度15 ℃、参比压力101.325 kPa

1）使用GPA 2172 标准计算天然气（干燥）发热量计算示例见表3。

表3 使用GPA 2172标准计算天然气（干燥）发热量示例二Tab.3 Example 2 for calculating natural gas(dry)calorific value using GPA 2172 standard

压缩因子Z=0.997 56 ，理想气体体积发热量真 实 气 体 体 积 发 热量Hv=39.734 6 MJ/m3。

2）使用ISO 6976 标准计算天然气（干燥）发热量示例见表4。

表4 使用ISO 6976标准计算天然气（干燥）发热量示例二Tab.4 Example 2 for calculating natural gas(dry)calorific value using ISO 6976 standard

得出压缩因子Z(15，101.325 )=0.997 55。

理想气体体积发热量为：

真实气体体积发热量为：

5 发热量计算结果统计分析

随机选取国内各地天然气管网内气体组分20组，通过使用上述计算方法分别计算气体的体积发热量，并使用常用的统计分析方法比较所获得的结果之间的差异。ISO 6976 标准和GPA 2172 标准计算发热量的相对偏差以及标准偏差见表5，在参比温度15℃、参比压力101.325 kPa 下，两个计算标准之间的相对偏差最大为0.004 3%，标准偏差为0.000 3%。

表5 ISO 6976 标准和GPA 2172 标准计算发热量的相对偏差以及标准偏差Tab.5 Relative deviation and standard deviation of calculated calorific value according to ISO 6976 standard and GPA 2172 standardMJ/m3

6 水蒸气的发热量处理

计算过程以干燥气体为前提，如果气体实际含有水，但气体组分基于干燥气体分析，说明水蒸气已经取代了一部分气体，降低了热值，因此有必要调整各组分气体的摩尔分数。

GPA 2172 标准和ASTM D 3588 标准考虑了水蒸气对发热量的影响，而ISO 6976 标准并未直接说明水蒸气对发热量的影响，而是在文中引用了另一个标准ISO/TR 29922[10]，讨论了水蒸气对直接测量的发热量和计算的发热量的影响。

经过总结，上述标准对水蒸气的发热量处理程序相同。水蒸气可能以分压pw至计量系统参比温度t2下的饱和蒸气压ps存在于天然气中，天然气中的水蒸气看作是干气体积减少了pwps，因此测定的发热量为干气发热量减去这部分发热量，具体公式为：

以第4 节的数据为例，对比干气发热量和以干气组分分析为基础计算水蒸气饱和气体的发热量。在参比温度15 ℃、参比压力101.325 kPa，使用ISO 6976 标准计算干天然气的理想气体体积发热量为39.636 2 MJ/m3。在此参比条件下，饱和蒸气压为1.706 kPa， 则饱和天然气中水的摩尔数为xw为0.016 837。

因此水蒸气饱和气体的体积发热量是干气发热量的0.988 316 3 倍，即：Hv( sat )为38.968 8 MJ/m3。

7 结论

1） 在不同参比条件下使用GPA 2172 标准和ISO 6976 标准计算天然气的体积发热量，计算结果的差异性比较小。在满足适用范围的条件下，两个标准计算结果的差异性不超过0.01%。

2）ISO 6976标准可实现参比压力为101.325 kPa，计量参比温度和燃烧参比温度为0 ℃、15 ℃、15.55 ℃、20 ℃、25 ℃气体体积发热量的计算，GPA 2172 标准可实现参比压力101.325 kPa、参比温度15℃和参比压力101.325 kPa、 参比温度15.55 ℃天然气体积发热量的计算，而ASTM D 3588 标准可以进行参比温度15.55 ℃、参比压力101.325 kPa 的天然气体积发热量，计算ISO 6976 参比温度覆盖范围更广。

3） ISO 6976 标准中发热量计算包含摩尔发热量、质量发热量和体积发热量，GPA 2172 标准和ASTM D 3588 标准因其引用的基础数据只有纯组分的体积发热量，只能进行体积发热量的计算。

4）参比压力为101.325 kPa，参比温度分别为0 ℃、15 ℃、15.55 ℃和20 ℃时，干气发热量因水蒸气的存在分别降低0.603%、1.684%、1.684%、2.308%，因此在天然气发热量计算过程中确定水蒸气的含量对计算结果准确性至关重要。