CN114509398A - 一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，通过配比低压天然气中甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等不同组分比例，在温度为‑30℃至70℃，绝对压力70kPa至200kPa的范围内，测量记录各条件下天然气的低位热值以及关键热物性；筛选气体密度、水露点、烃露点、热导率、比热容等热物性与热值的对应关系，通过数值分析等手段建立若干关键热物性‑热值对应模型，并形成专家数据库，测定结果更加精确，本发明主要用于不具备门站同等计量条件的小微企业、家庭等低压天然气用户端。
Description
技术领域
本发明是一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表。
背景技术
能量计量是以天然气发热量作为结算单位的一种计量方式；天然气能量计量是在体积计量的基础上，同时测量天然气的发热量，通过单位体积/质量的发热量和体积计算出流经管道的天然气总能量；根据《天然气能量的测定(GB/T 22723-2008)》，天然气能量的测定主要有直接测定和间接测定3种方法；1、直接测定法(例如燃烧热量计)是通过以恒流流动的天然气在过量的空气中燃烧，所释放的能量被传递到热交换介质，使其温度升高，气体的发热量与升高的温度直接相关(ISO 15791-1)；2、间接测定法是通过气相色谱仪(ISO6974)测定天然气气质组分，再通过化学计量计算得到单位气体热值；3、关联技术，它是利用气体的一个或多个物理性质(比热容、热导率、气体密度等)及其发热量之间的关系，也可使用化学计量燃烧原理。
我国绝大多数天然气门站已经具备了通过在线色谱测定天然气组分间接获得单位天然气热值的计量条件，可以基本落实《办法》相关要求；然而，在不具备本发明主要用于不具备门站同等计量条件的小微企业、家庭等低压天然气用户端，国内仍然缺乏相应的天然气能量计量设备。
基于以上天然气能量计量现状及发展趋势以及国内相关仪表企业开发低压天然气能量计量表的技术需要，急需一种低压天然气热式能量计量关键检测技术研究；通过天然气热物性及热值的关联研究，实现天然气计量终端直接的能量计量，并建立低压天然气能量计量表表端完整的量值传递体系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，测定结果更加精确，本发明主要用于不具备门站同等计量条件的小微企业、家庭等低压天然气用户端。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，所述能量计量表所述能量计量表是由主体、屏幕孔、电子屏幕、控制面板、底座、活动后盖、一定数量的连接端口和传输天线组成，所述电子屏幕通过屏幕孔安装在主体上，所述控制面板镶嵌在主体上，所述底座水平设置在主体的地步，所述活动后盖设置在主体上，所述连接端口镶嵌在主体上，所述传输天线设置在主体的顶部，所述主体内设有控制器，所述控制器内数据库使用建立的天然气热物性—热值模型所得到的专家数据库，所述天然气热物性—热值模型的建立方法包括以下步骤：
(1)配比低压天然气中甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等不同组分比例；
(2)在一定的温度和压力范围内，通过红外光谱-热值和密度-热值两种测量方法，测量记录各条件下天然气的低位热值以及关键热物性，对两种方法测得的结果进行相互核对；
(3)筛选出热物性与热值的对应关系；
(4)通过数值分析等手段建立若干关键热物性-热值对应模型，并形成专家数据库；
所述密度-热值的测量方法具体为，将步骤(1)中所配的样品通入单振动原件密度计或双振动原件密度计，在工作条件下进行测定时，振动频率与气体密度的关系可用一个数学关联式公式(1)表示：
ρr＝K0+K1(1/f)+K2(1/f)2
式中ρr为粗密度,即未经温度、压力和气体组成校正前的密度，kg/m3；f为振动频率，Hz；K0、K1、K2为密度计的振动器常数；
在测定天然气密度之前，先用已知密度的参比气体进行校准来确定关联式中常数，此时使用的公式为公式(2)：
ρt＝ρr[1+K3(td-tc)]+K4(td-tc)
式中:ρt温度校正后的密度,kg/m3；tc为校准时的温度,℃；td为测定时的温度,℃；K3, K4为密度计的振动器常数；
除温度、压力、气体组成等影响因素外,若在被测定样品天然气中的声速(VOS)不同于校准用的参比气体,则也要用式(2)加以校正；
若在校准用参比气体中的VOS不同于被测定天然气,则经过组成校正后的密度(ρc)与式 (2)中的ρt存在的关系如式(3)：
式中:cc为在测定操作条件下校准用参比气体中的声速，m/s；cg为在被测定天然气中的声速，m/s；K5为常数；
通过数学简化后得到气体密度ρ与其振动频率1/f2之间的线性关系，根据工况下的气体密度值以及AGA3、ISO5167标准得到发热量、相对密度、分子量，从而建立密度与热值的对应模型；
所述红外光谱-热值的测定方法为，对于红外活性的气体采用傅里叶红外光谱原理分析测定，对于非红外活性的气体补充使用拉曼光谱分析。
进一步的，所述步骤(2)中所述的一定温度和压力范围具体为，温度范围在-30℃至70℃内，压力范围在70kPa至200kPa内。
进一步的，所述密度-热值的测量方法中除温度、压力、气体组成等影响因素外,如果在被测定样品天然气中的声速(VOS)不同于校准用的参比气体,则也要用式(2)加以校正。
进一步的，所述式(3)中的cg与被测定天然气的组成有关；它可以直接测定(如通过超声流量计的信号),也可以通过ρc、td和气质参数计算而得；当cg变化达到9-11m/s时式(1)中的校正项上变化0.04％-0.06％；若要求的测定准确度不是非常高,且cg与cc之间的差值不大, 也可以直接用ρt,不再进行气体组成的校正。
进一步的，所述步骤(3)中的热物型包括气体密度、水露点、烃露点、热导率、比热容等。
进一步的，所述控制面板上设有两个控制按钮和两个指示灯，所述连接端口的数量为3-6 个，具体数量为四个。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明测定结果更加精确，本发明主要用于不具备门站同等计量条件的小微企业、家庭等低压天然气用户端。
附图说明
图1是振动原件密度计原理图；
图2是在线式密度计原理图；
图3是傅里叶红外光谱原理示意图；
图4是能量计量表的主视图简图；
图5是能量计量表的后视图简图；
图中：1、主体，2、屏幕孔，3、电子屏幕，4、控制面板，5、底座，6、活动后盖，7、连接端口，8、传输天线，41、控制按钮，42、指示灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明所述的一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，所述能量计量表是由主体1、屏幕孔2、电子屏幕3、控制面板4、底座5、活动后盖6、一定数量的连接端口7和传输天线8组成，所述电子屏幕3通过屏幕孔2安装在主体1上，所述控制面板4镶嵌在主体 1上，所述底座5水平设置在主体1的地步，所述活动后盖6设置在主体1上，所述连接端口7镶嵌在主体1上，所述传输天线8设置在主体1的顶部，所述主体1内设有控制器，所述控制器内数据库使用建立的天然气热物性—热值模型所得到的专家数据库
本发明在精密露点仪标准装置、氧弹热量计检定装置以及材料热物性实验室的平台基础上(德国耐驰GHP456型保护热板法导热系数测量仪、HFM436 Lambda型热流法导热分析仪、瑞典Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪)，通过配比低压天然气中甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等不同组分比例，在温度为-30℃至70℃，绝对压力70kPa至200kPa的范围内，测量记录各条件下天然气的低位热值以及关键热物性；筛选气体密度、水露点、烃露点、热导率、比热容等热物性与热值的对应关系，通过数值分析等手段建立若干关键热物性-热值对应模型，并形成专家数据库：
建立天然气热物性-热值对应模型：
密度-热值对应模型
密度和相对密度与天然气的开发、燃烧、计量等工艺过程密切相关。天然气密度的准确与否直接影响天然气计量的准确性。测定密度有两类方法：一种是先测定天然气的组成,再以组成分析数据计算天然气密度(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》)。另一种是用测量仪器直接测定天然气密度。国外大型天然气输配站配备有密度直接测定仪器,在天然气计量中采用天然气组成计算和密度计直接测定两种方法获得天然气密度，并相互核对，以保证天然气计量的准确性。直接测定天然气密度的仪器主要有密度天平和振动式密度计，前者一般用于非在线测定，后者则主要用于在线测定。
振动式密度计(图1)的传感元件是一很薄的金属圆柱体，它能保持自然频率振动，而此频率值则与其所处的气体介质密度有关。在工作条件下进行测定时，振动频率与气体密度的关系可用一个数学关联式表示：
ρr＝K0+K1(1/f)+K2(1/f)2
式中ρr为粗密度,即未经温度、压力和气体组成校正前的密度，kg/m3；f为振动频率， Hz；K0、K1、K2为密度计的振动器常数。
在测定天然气密度之前，先用某种已知密度的参比气体进行校准来确定关联式中常数。此时使用的公式见式(2)。
除温度、压力、气体组成等影响因素外,如果在被测定样品天然气中的声速(VOS)不同于校准用的参比气体,则也要用式(2)加以校正。
原则上制作振动元件的材料性质与所处介质的压力有关,但在大多数情况下压力的影响甚小,可以忽略不计因此,式(2)是一个温度校正式：
ρt＝ρr[1+K3(td-tc)]+K4(td-tc)
式中:ρt温度校正后的密度,kg/m3；tc为校准时的温度,℃；td为测定时的温度,℃；K3, K4为密度计的振动器常数。
式(1)中的3个常数与振动器所接触的气体组成有关。由于在操作条件下气体中的声速 (VOS)与气体其它气质参数之间的关系已被详细测定,故可以利用VOS来校准仪器从而确定这3个常数。
如果在校准用参比气体中的VOS不同于被测定天然气,则经过组成校正后的密度(ρc) 与式(2)中的ρt存在如式(3)所示的关系。
式中:c为在测定操作条件下校准用参比气体中的声速，m/s；cg为在被测定天然气中的声速，m/s；K5为常数。
式(3)中的cg与被测定天然气的组成有关，它可以直接测定(如通过超声流量计的信号),也可以通过ρc、td和气质参数计算而得。
一般cg变化达到10m/s时式(1)中的校正项上变化约0.05％，若要求的测定准确度不是非常高,且cg与cc之间的差值不大,也可以直接用ρt,不再进行有关气体组成的校正。
通过数学简化后得到气体密度ρ与其振动频率1/f2之间的线性关系；仪器通过内置铂电阻对震动管进行温度修正，可以实现快速、在线得到气体密度(图5)，测量精度可达0.1％-0.15％。根据工况下的气体密度值以及AGA3、ISO5167标准得到发热量、相对密度、分子量，从而建立密度与热值的对应模型。
红外光谱-热值对应模型
红外吸收光谱是一种传统的光学分析技术，它以连续波长的红外光为光源照射样品，引起分子振动或转动能级的跃迁，从而产生红外光谱，再根据化合物的红外吸收光谱进行定性、定量分析。
根据红外光波长的不同，能够将其细分为三个波段：近红外光谱、中红外光谱和远红外光谱；近红外光谱的波长范围为780-2500nm，它所产生的光谱反映了混合物中的含氢基团 (如C-H、O-H、N-H、S-H等)振动光谱的倍频及合频吸收，其强度往往只是基频的0.1-10％；由于不同基团在该区域光谱的峰值、强度和峰形不同，这是使得近红外光谱可用于物质的定性和定量分析。
中红外光谱的波长范围为2.5-25μm，绝大多数有机、无机化合物的基频吸收带都出现在该区；由于基频振动是红外光谱中最强的振动，所以该区域适合于对物质进行定性和结构分析；远红外光谱的波长范围为25-1000μm，有机金属化合物的键振动、一些无机分子和离子的键振动以及晶体的晶格振动吸收出现在该区域，因此该区域特别适合于无机化合物的研究。
对于烃类气体，其饱和C-H伸缩振动出现在3000cm-1以下，不饱和C-H伸缩振动出现在 3000cm-1以上；-CH2反对称伸缩振动出现在2930±5cm-1，对称伸缩振动出现在2850±10cm-1； -CH3的反对称伸缩和对称伸缩振动分别出现在2960±5cm-1和2870±10cm-1，可见天然气中烃类混合气体的主、次特征吸收区域都位于中红外区；中红外区的吸收强度至少要比近红外区高1-2个数量级，这是由于中红外区主要基于基频振动，而近红外区主要是倍频或合频吸收产生。
光谱仪具有高光通量、多光路传输、灵敏度及信噪比高、分辨率高、测量精度高和速度快等一系列优点；但它也存在一些限制：同核双原子分子不具有红外活性，如氢气、氮气和氧气；对于非红外活性的气体可以补充使用拉曼光谱分析；水是红外光谱范围内一种很强的吸收体，并且所产生的干扰使得对其它组分信号的评估变得困难；当流体或部分的检测仪器产生较高的温度时，黑体背景辐射会成为一种干扰信号。
以傅里叶红外光谱原理为例：红外光源发出的光被分束器分成两束，透射光入射到定镜，反射光到达动镜，两束光被反射回来经分束器后穿过样品到达检测器，由于动镜的匀速运动，单色光产生周期性的光程差，因而检测器检测到一个余弦波。
通过若干红外检测器，可以通过算法检测计算天然气中主要成分(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及C6+)的含量以及其热值。
根据工况下的气体组分以及GB/T11062计算每单位天然气的热值，从而建立红外吸收光谱与热值的对应模型。
能量计量表使用建立的天然气热物性—热值模型所得到的专家数据库进行计量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的权利范围,任何以本申请专利范围所涵盖的权利范围实施的技术方案，或者任何熟悉本领域的技术人员，利用述揭示的方法做出许多可能的变动和修饰方案，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，其特征在于；所述能量计量表所述能量计量表是由主体(1)、屏幕孔(2)、电子屏幕(3)、控制面板(4)、底座(5)、活动后盖(6)、一定数量的连接端口(7)和传输天线(8)组成，所述电子屏幕(3)通过屏幕孔(2)安装在主体(1)上，所述控制面板(4)镶嵌在主体(1)上，所述底座(5)水平设置在主体(1)的地步，所述活动后盖(6)设置在主体(1)上，所述连接端口(7)镶嵌在主体(1)上，所述传输天线(8)设置在主体(1)的顶部，所述主体(1)内设有控制器，所述控制器内数据库使用建立的天然气热物性—热值模型所得到的专家数据库，所述天然气热物性—热值模型的建立方法包括以下步骤：
(1)配比低压天然气中甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳等不同组分比例；
(2)在一定的温度和压力范围内，通过红外光谱-热值和密度-热值两种测量方法，测量记录各条件下天然气的低位热值以及关键热物性，对两种方法测得的结果进行相互核对；
(3)筛选出热物性与热值的对应关系；
(4)通过数值分析等手段建立若干关键热物性-热值对应模型，并形成专家数据库；
所述密度-热值的测量方法具体为，将步骤(1)中所配的样品通入单振动原件密度计或双振动原件密度计，在工作条件下进行测定时，振动频率与气体密度的关系可用一个数学关联式公式(1)表示：
ρr＝K0+K1(1/f)+K2(1/f)2
式中ρr为粗密度,即未经温度、压力和气体组成校正前的密度，kg/m3；f为振动频率，Hz；K0、K1、K2为密度计的振动器常数；
在测定天然气密度之前，先用已知密度的参比气体进行校准来确定关联式中常数，此时使用的公式为公式(2)：
ρt＝ρr[1+K3(td-tc)]+K4(td-tc)
式中:ρt温度校正后的密度,kg/m3；tc为校准时的温度,℃；td为测定时的温度,℃；K3,K4为密度计的振动器常数；
除温度、压力、气体组成等影响因素外,若在被测定样品天然气中的声速(VOS)不同于校准用的参比气体,则也要用式(2)加以校正；
若在校准用参比气体中的VOS不同于被测定天然气,则经过组成校正后的密度(ρc)与式(2)中的ρt存在的关系如式(3)：
式中：cc为在测定操作条件下校准用参比气体中的声速，m/s；cg为在被测定天然气中的声速，m/s；K5为常数；
通过数学简化后得到气体密度ρ与其振动频率1/f2之间的线性关系，根据工况下的气体密度值以及AGA3、ISO5167标准得到发热量、相对密度、分子量，从而建立密度与热值的对应模型；
所述红外光谱-热值的测定方法为，对于红外活性的气体采用傅里叶红外光谱原理分析测定，对于非红外活性的气体补充使用拉曼光谱分析。
2.根据权利要求1所述的基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，其特征在于，所述步骤(2)中所述的一定温度和压力范围具体为，温度范围在-30℃至70℃内，压力范围在70kPa至200kPa内。
3.根据权利要求1所述的基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，其特征在于，所述密度-热值的测量方法中除温度、压力、气体组成等影响因素外,如果在被测定样品天然气中的声速(VOS)不同于校准用的参比气体,则也要用式(2)加以校正。
4.根据权利要求1所述的基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，其特征在于，所述式(3)中的cg与被测定天然气的组成有关；它可以直接测定(如通过超声流量计的信号),也可以通过ρc、td和气质参数计算而得；当cg变化达到9-11m/s时式(1)中的校正项上变化0.04％-0.06％；若要求的测定准确度不是非常高,且cg与cc之间的差值不大,也可以直接用ρt,不再进行气体组成的校正。
5.根据权利要求1所述的基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，其特征在于，所述步骤(3)中的热物型包括气体密度、水露点、烃露点、热导率、比热容等。
6.根据权利要求1所述的基于天然气热物性—热值模型的能量计量表，其特征在于，所述控制面板(4)上设有两个控制按钮(41)和两个指示灯(42)，所述连接端口(7)的数量为3-6个，具体数量为四个。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111403426.8A CN114509398A (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111403426.8A CN114509398A (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114509398A true CN114509398A (zh) | 2022-05-17 |
Family
ID=81548692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111403426.8A Pending CN114509398A (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种基于天然气热物性—热值模型的能量计量表 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114509398A (zh) |
-
2021
- 2021-11-24 CN CN202111403426.8A patent/CN114509398A/zh active Pending
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