CN100417943C

CN100417943C - 烃气混合物的有效组份的测定

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Publication number: CN100417943C
Application number: CNB018212905A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·R·瑟斯顿
Original assignee: BG Intellectual Property Ltd
Current assignee: Edwin Te Intellectual Property Ltd
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2021-11-12
Also published as: DE60132709T2; DE60132709D1; CA2428620C; GB0127093D0; CA2428620A1; EP1337844A1; AU2002215099A1; US20040261497A1; US6997037B2; AR031343A1; CN1483144A; JP4028380B2; GB2372819A; EP1337844B1; WO2002040992A1; JP2004514138A; GB2372819B

Abstract

一种测定含有多种烃气的气体混合物的有效组分的方法和装置，该方法包括：选取一种或多种有效烃代表气体混合物中多种烃气，有效烃的数量小于其组份要测定的气体混合物中的烃气数量，测定其要测定有效组份的气体混合物中的多种特性，被测定特性数小于要测组分的总数，并从气体混合物的特性测量测定气体混合物中的有效组份，预定参数取决于要测的特性，并知道气体混合物中组份的总计为100%。

Description

烃气混合物的有效组份的测定

本发明是关于诸如天然气一类烃气混合物的有效组份的测定。有效组份可以用于测定气体质量的定量象征，如它的热值、相对密度和沃泊(wobbe)指数。

通常测定气体混合物的质量，诸如，其热值，可以测定混合物中每一种气体的比率，然后计算热值。然而对于如天然气一类的几种气体混合物，是难以测定每一种气体的比率。

根据本发明的第一方面，测定烃气混合物的有效组份的方法，包括通过以较少种数的烃气的有效混合物表示烃气混合物，和测定有效混合物中每种烃气的有效比率。

有效混合物中每种烃气的有效比率优选用于测定表征气体质量的参量，诸如，热值(CV)、相对密度(RD)或沃泊指数(WI)。

现在参照以下附图详细描述本发明的实施例，包括：

图1中示出了根据本发明测定的CV与实际值的比较，

图2中示出了根据本发明测定的RD与实际值的比较，和

图3中示出了完成本发明的装置。

发现，可以通过减少组份数而代表如天然气一类的烃气混合物。例如，天然气中的许多烃类可以用一种烃或两种或更多种烃的有效混合物表示。以下实施例中，天然气中的烃类是用有效的甲烷(CH₄)和丙烷(C₃H₈)的混合物来表示。选择有效气体的各个组份比率，以展显如气体本身一样的重要特性。对其他烃类的有效气体是丙烷和甲烷的体积，当作为气体考虑时，丙烷和甲烷具有相同的理想体积并且每个分子都具有相同的碳原子的平均数，例如，考虑乙烷时：

2C₂H₆＝C₃H₈+CH₄

在有效气体中乙烷通过一半体积的丙烷和一半体积的甲烷表示。就丙烷和甲烷而言，乙烷的有效因子是0.5和0.5。以这些术语可表示其他烃类，它们的有效因子可列入下表中：

表1

天然气一般还含有CO₂和N₂，等，假定用甲烷和丙烷的有效混合物表示烃类的话，天然气可以用甲烷、丙烷、CO₂和N₂4种组份的混合物表示。如果只利用一种烃表示烃类，则天然气可用有效烃、CO₂和N₂有效的三种组份混合物表示。

以下给出的实施例是由甲烷、丙烷、CO₂和N₂有效的四种组份的混合物表示的天然气。天然气样品的实际组成与瓶(bottle)2912一致，如下：

表2

利用有效的甲烷和丙烷对上述天然气样品的烃样品的进行计算，结果如下：

表3

烃			CH<sub>4</sub>′			C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>′
烃			CH<sub>4</sub>′			C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>′	甲烷	1.0	94.451	94.451	-	94.451	0
乙烷	0.5	3.110	1.555	0.5	3.110	1.555	甲烷	1.0	94.451	94.451	-	94.451	0
乙烷	0.5	3.110	1.555	0.5	3.110	1.555	丙烷	-	0.512	0	1.0	0.512	0.512
丁烷	-0.5	0.198	-0.099	1.5	0.198	0.297	丙烷	-	0.512	0	1.0	0.512	0.512
丁烷	-0.5	0.198	-0.099	1.5	0.198	0.297	戊烷	-1.0	0.170	-0.170	2.0	0.170	0.340
己烷	-1.5	0	0	2.5	0	0	戊烷	-1.0	0.170	-0.170	2.0	0.170	0.340
己烷	-1.5	0	0	2.5	0	0			CH<sub>4</sub>′＝	95.737		C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>′＝	2.704

因此，天然气样品的烃类可利用95.737％甲烷和2.704％丙烷的有效混合物表示，可包括CO₂和N₂，得到4种组份的有效天然气混合物。

表4

瓶ID	CH<sub>4</sub>′	C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>′	CO<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	总和
瓶ID	CH<sub>4</sub>′	C<sub>3</sub>H<sub>8</sub>′	CO<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	总和	％摩尔	％摩尔	％摩尔	％摩尔	％摩尔
2912	95.737	2.704	0.647	0.912	100	％摩尔	％摩尔	％摩尔	％摩尔	％摩尔

已经发现了一种在天然气样品中测定有效的甲烷、丙烷、CO₂和N₂的比率的方法，大家都知道四种组份之和等于100％，通过对天然气特征进行3个测量，并知道四种组份之和等于100％，则利用以下所示等式，就能测定甲烷、丙烷、CO₂和N₂的相对有效比率。

X＝Cl·CH₄+C2·C₃H₈+C3·CO₂+C4·N₂

Y＝C5·CH₄+C6·C₃H₈+C7·CO₂+C8·N₂

Z＝C9·CH₄+C10·C₃H₈+C11·CO₂+C12·N₂

100＝CH₄％+C₃H₈％+CO₂％+N₂％

X、Y和Z是对要研究气体样品所进行的测量。在此情况下，X是气体在第一温度下的热传导性(THCst)，Y是气体在第二温度下的热传导性(Tl₁Cr)，和Z是气体中的声速(SOS)。利用公知技术中的任何适宜技术测量两种温度下的气体热传导性和气体的声速。可以测量气体的任何方便的特性，并用作X、Y和Z。参数C1～C12是对于特定测量装置，特定的温度和压力，和要测量的特定特征的常数。通过使用已知的有效甲烷、有效丙烷、CO₂和N₂比率的气体通过校准特定装置，可以测出C1～C12的值。

为了测定在固定温度和压力下的C1～C12系数，对于气体组份的预定范围，测定一组数据，制成X、Y和Z值图。以气体组分作为X输入范围，参量X作为Y输入范围，使用回归分析法，由所得结果给出该温度和压力下的C1～C4。用参量Y作为Y输入范围，重复这一过程，得到C5～C8，再用参量Z作为Y输入范围，得到C9～C12。这样获得在固定温度和压力下的C1～C12。

这些系数依赖于温度和压力。所以，对覆盖特定操作范围的温度和压力范围，需要重复全部过程。一旦完成，可以确定数学模型以预测在指定范围内的任何温度和压力下的C1～C12。

利用如下所示的矩阵法，由测量的气体特性(本例中，不同温度下的两个热传导性和声速)，就可测定甲烷、丙烷、CO₂和N₂的有效比率。

{(\begin{matrix} C 1 & C 2 & C 3 & C 4 \\ C 5 & C 6 & C 7 & C 8 \\ C 9 & C 10 & C 11 & C 12 \\ 1 & 1 & 1 & 1 \end{matrix})}^{- 1} (\begin{matrix} {ThC}_{st} \\ Th C_{r} \\ SOS \\ 100 \end{matrix}) = (\begin{matrix} {CH}_{4}^{,} \\ C_{3} {H_{8}}^{,} \\ {CO}_{2} \\ N_{2} \end{matrix})

一旦知道甲烷、乙烷、CO₂和N₂的有效比率，就可用这些数据测定热值(CV)，相对密度(RD)和沃泊指数，如以下所解释的。

对于在温度t₂和压力p₂下计量的已知组成混合物的燃烧温度t₁，基于体积使用下式可计算出理想气体优良的热值(冷凝的水蒸汽)。

{\tilde{H}}_{s}^{o} [t_{1}, V (t_{2}, p_{2})] = Σ_{j = 1}^{N} x_{j} {\tilde{H}}_{j}^{o} [t_{1}, V (t_{2}, p_{2})]

式中：

是混合物的体积基的理想优良热值。

X₁如从早期有效成分分析测定的组分j的摩尔份数。

则

是组分j的体积基的理想优良热值。

在UK中，优选的是度量标准条件(MSC)；

·p₂是101.325kPa(1.01325barA)

·t₁＝t₂＝15℃(288.15K)

已知在度量标准条件下甲烷和丙烷的热值为：

表5

利用以前测定的甲烷和丙烷的比率乘以这些值，获得的值。

从下式基于体积计算出真实气体的热值。

其中：

是基于体积的真实气体优良热值。

利用下式计算度量条件下的压缩因子Z_混合

其中，

是所谓甲烷的合计因子为0.0447，丙烷的合计因子为0.1338。

图1示出了上述使用绘制在Y轴上的有效组成测定的CV和沿X轴的实际CV。

对有效组成计算的CV是位于沿X轴实际CV的+/-0.008MJ/m³内(2个标准偏差)。

使用下式计算气体的相对密度(RD)：

其中：d^o是理想气体的相对密度

M_i是组分j的摩尔量

M_空气是标准组成的干燥空气的摩尔量(28.9626kgkmol^-1)

由下式计算出真实气体的相对密度：

其中，

d(t，p)是真实气体的相对密度

Z_空气(t，p)是标准组成的干燥空气的压缩因子(MSC＝0.99958)

利用下式计算出度量条件下的压缩因子Z_混合

其中

是所谓甲烷的合计因子为0.0447，丙烷的合计因子为0.1338。

图2表示了假定绘制在Y轴上的各种气体样品是甲烷、丙烷、CO₂和N₂的有效组成，所测定的相对密度，和X轴上绘制的这些气体样品的实际相对密度。

对于有效组成计算的相对密度是在实际值的+/-0.00001内(2个标准偏差)。

根据以上计算的CV和RD，使用下式可测出气体的沃泊指数(WI)：

WI = \frac{CV}{\sqrt{RD}}

可以使用有效组成的概念，与其他标准方法一起计算如压缩性、密度等一类的特性。

借助于使用适当数量传感器和检测器的装置，即可完成本发明，这种情况下，例如，测量气体在二个温度下的热传导性而安装的热传导性检测器、声速检测器，和完成适当过程的控制装置，它可以是例如计算机。这样的一套装置示于图3。这情况下的流体，天然气供入管道1中。在管道中安装的热传导性传感器2，具有在两个不同温度下测量天然气的热传导性的装置。同时也安装用于测量天然气声速的装置3。热传导性传感器2和声速传感器3都与控制装置4连接，这样，计算机可接收在两种不同温度下通过天然气的热传导性的特征信号和通过天然气的声速特征信号，以测定通过天然气的有效组成。控制装置4也可以用测定的有效组成以计算气体质量的表征量。

本发明方法可适用于数字存贮媒体，如安装在适宜装置中的CD-ROM，该装置诸如与连结到检测器上的适当传感器的计算机。

Claims

1. 一种用于测定气体混合物的有效组份的方法，所述气体混合物是天然气，该天然气除了含有多种烃气外，还含有二氧化碳和氮气，该方法包括：

选择一种或多种有效烃以代表气体混合物中的多种烃气，有效烃的数量小于要测定有效组份的气体混合物中的烃气数量；

测量要测定有效组份的气体混合物中多个特性，要测定的特性的数量小于要测定有效组份的总数量，并使用各组成的参量(C1-C12)，由气体混合物的特性测量确定气体混合物的有效组份，所述参量各自取决于测量的特性之一，并且气体混合物中组份的百分比的总和为100％，

其中使得测定天然气的总共4种组份，两种组份为有效烃类，一种为二氧化碳和一种为氮，其中测量3种气体特性，所述气体特性是在第一温度下的热传导性，第二温度下的热传导性，和天然气中的声速，以及其中两种有效烃是甲烷和丙烷。

2. 根据权利要求1的方法在由有效组份测定天然气的热值、相对密度或沃泊指数中的用途。

3. 一种测定气体混合物的有效组份的装置，所述气体混合物是天然气，该天然气除了含有多种烃气外，还含有二氧化碳和氮气，该装置包括：

控制装置(4)，用于选择一种或多种有效烃组份以代表气体混合物中的多种烃气，有效烃的数量小于要测定有效组份的气体混合物中的烃气的数量；

测量装置(2，3)，用于测量要测定有效组份的气体混合物中的多种特性，利用测量装置测量特性的数小于要测定组成的总数，控制装置(4)能与测量装置(2，3)结合操作以由以下(a)～(c)测定气体混合物中的有效组份，

(a)气体混合物的特性测量，

(b)各组成的参量(C1-C12)，取决于测量的特性之一，和

(c)以下事实：气体混合物中组份的百分比的总和为100％，

其中采用测量装置(2，3)用于测定3种气体特性，使得测定天然气的总共4种组份，两种组份为有效烃类，一种为二氧化碳和一种为氮气，

其中测量装置包括热传导性检测器以测量(i)在第一温度下的热传导性，(ii)第二温度下的热传导性，还包括声速检测器以测量(iii)天然气中的声速，以及其中两种有效烃是甲烷和丙烷。

4. 根据权利要求3的装置，特征是，控制装置(4)为计算机。

5. 权利要求3或4的装置在测定由气体的有效组份测定天然气的热值、相对密度或沃泊指数中的用途。