摘 要:天然氣具有可壓縮性，其熱值和華白數(shù)等物理特性計(jì)算受到不同參比壓力和溫度條件的影響。目前，全球各國天然氣熱值和華白數(shù)計(jì)算所采用燃燒參比條件和體積計(jì)量參比條件并不完全相同。如歐美國家多采用l5℃(或者60℉)的參比溫度，我國國標(biāo)規(guī)定的參比溫度為20℃，這導(dǎo)致在天然氣貿(mào)易和氣質(zhì)管理時(shí)勢(shì)必和其他國家存在差別。另一方面，國內(nèi)一些燃?xì)鈴臉I(yè)人員，對(duì)于天然氣熱值和華白數(shù)計(jì)算需以參比條件為依據(jù)進(jìn)行并沒有明確的概念，對(duì)不同參比條件下計(jì)算得到的數(shù)值差別很大并不了解或概念很模糊。本文通過系統(tǒng)的解釋天然氣高熱值和華白數(shù)計(jì)算方法和不同參比條件下各計(jì)算結(jié)果的換算方法以及不同計(jì)量單位之間的換算，得出各參比條件和計(jì)量單位之間的換算系數(shù)。從而利于今后相關(guān)人員更有效的管理天然氣高熱值、華白數(shù)等重要物理特性，便于天然氣的進(jìn)口選擇，同時(shí)盡可能保證各氣源氣質(zhì)管理，使其進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)后彼此可互換而不引起高昂成本轉(zhuǎn)化等問題。
關(guān)鍵詞:高熱值 華白數(shù) 參比條件 換算系數(shù)
Abstract: As the gas is compressible，thus its calorific value and Wobbe Index are computed by the reference conditions.At nresent.countries around the world use different reference conditions to calculate calorific value and Wobbeindex of natural gas.Such as Europe and the United States which are like to define l 5℃or 60℉ as referencetemperature，while China’S national standard specifies reference temperature of 20℃.So there are differencesbetween each other，which will lead the trade of natural gas between China and these countries appearing sonleproblems.On the other hand，in China solne domestic gas practitioners are not vetT clear about the conceptof reference conditions.and don’t realize the calculation of natural gas ealorific vahm and Wobbe index mustunder certain temperature and pressure.Therefore，this paper systemically analyzes the themT of conversionincluding wobbe index and superior calorific value calculation on different reference conditions and concludesthe conversion faetor of different reference conditions and different units for natural gas wobbe index andsuperior calorific value calculation.By these conclusions，it is condu('，ive to more effective(in natural gaS tradeand gas quality management in China，as well as possible to ensure that the gas sources which enter into thecity gas network will be interchangeable with each other without incun'ing the high cost of convel’’sion and otherissues.
Keywords:Superior Calorific Wobbe Index Referenee Condition Conversion Factor
1 引言
天然氣作為一種常規(guī)一次能源，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且近年來隨著頁巖氣、煤層氣、沿海海氣的開發(fā)技術(shù)發(fā)展，包括LNG等在內(nèi)的多氣源天然氣不斷被各大城市引進(jìn)用于應(yīng)對(duì)城市天然氣供應(yīng)壓力，其種類組分趨于復(fù)雜。同其他氣體一樣，天然氣也具有可壓縮性，在體積計(jì)量方面受到壓力和溫度影響，如在0℃、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下其體積量與15℃、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下并不相等[1]，在實(shí)際應(yīng)用中，天然氣的熱值和華白數(shù)計(jì)算值受到體積計(jì)量參比條件的影響，如w(15℃，0℃，101.325kPa)和w(15℃，15℃,101.325kPa)數(shù)值差近3個(gè)單位。
目前全球各國天然氣熱值和華白數(shù)計(jì)算所采用燃燒參比條件和體積計(jì)量參比條件并不完全相同，表l列出了目前一些歐美亞國家采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。相比于歐美國家，亞洲國家所采用的參比條件差別較大，而我國采用的參比條件與主流進(jìn)出口LNG、天然氣國家不同。天然氣一些特定的物理特性數(shù)值很難統(tǒng)一，這勢(shì)必給天然氣貿(mào)易帶來一定的不便。另一方面我國一些天然氣相關(guān)行業(yè)人員，對(duì)于天然氣的熱值和華白數(shù)計(jì)算需以參比條件為依據(jù)進(jìn)行，并沒有明確的概念，對(duì)不同參比條件下計(jì)算得到的華白數(shù)和熱值數(shù)值差別很大并不了解或概念很模糊。為了明確全球天然氣貿(mào)易值，同時(shí)保證進(jìn)入我國的天然氣彼此盡量可互換，讓行業(yè)相關(guān)人員在實(shí)際操作中對(duì)天然氣特性參數(shù)計(jì)算更明確，在天然氣貿(mào)易和天然氣氣質(zhì)管理時(shí)，必須對(duì)天然氣的一些特定物理特性參數(shù)進(jìn)行明確規(guī)定和計(jì)量，并將M5't-的計(jì)算參比條件統(tǒng)一到我國所采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。這樣才有利于天然氣進(jìn)口的有效選擇，利于天然氣進(jìn)口和氣質(zhì)管理。同時(shí)盡可能保證各氣源進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)后彼此可互換而不引起高昂成本轉(zhuǎn)化等
問題.
2 概念介紹[2-3]
高熱值:規(guī)定量的氣體在空氣中完全燃燒時(shí)所釋放出的熱量。在燃燒反應(yīng)發(fā)生時(shí)，壓力Pl保持恒定，所有燃燒產(chǎn)物的溫度降至與規(guī)定的反應(yīng)物溫度tl相同的溫度，除燃燒中生成的水在溫度tl下全部冷凝為液態(tài)外，其余所有燃燒產(chǎn)物均為氣態(tài)。上述規(guī)定的氣體量由摩爾給出時(shí)，則熱值表示為百(tl，p1，)；當(dāng)氣體由體積給出時(shí)，則熱值表示為H[(tl，Pl)，V(t2，P2)1，其中t2和P2為氣體體積計(jì)量參比條件。
華白數(shù):在規(guī)定參比條件下的體積高熱值除以在相同的規(guī)定計(jì)量參比條件下的相對(duì)密度的平方根。
壓縮因子:在規(guī)定的壓力和溫度條件下，給定質(zhì)量氣體的實(shí)際(真實(shí))體積除以相同條件下按理想氣體定律計(jì)算出的該氣體的體積，即對(duì)非理想氣體進(jìn)行體積的壓力和溫度修正。
燃燒參比條件:指規(guī)定的燃料燃燒時(shí)的溫度tl和壓力pl。計(jì)量參比條件:指規(guī)定的燃料燃燒時(shí)，體積計(jì)量的溫度t2和p2。一般常用的燃燒參比溫度tl為:25℃、20℃、15℃及0℃；常用的計(jì)量參比溫度t2為:20℃、l5℃及0℃；燃燒和計(jì)量參比壓力一般為101.325kPa。
考慮到氣體的理想性和非理想性，本文先對(duì)理想氣體的高熱值和華白數(shù)在不同計(jì)算參比條件下的換算關(guān)系進(jìn)行分析計(jì)算，再從特殊到一般，總結(jié)出實(shí)際氣體的換算關(guān)系。同時(shí)對(duì)不同計(jì)量單位在不同參比條件下的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行總結(jié)。
3 計(jì)算分析
3.1理想氣體
對(duì)于給定摩爾組分的理想燃?xì)饨M分，在燃燒溫度tl和壓力pl、計(jì)量溫度t2和壓力p2時(shí)的理想體積高熱值計(jì)算公式如下:
由于理想摩爾高熱值的數(shù)值不受壓力限制，因此，在理想氣體情況下燃燒參比壓力pl與其無關(guān)，且認(rèn)為真實(shí)摩爾高熱值與理想摩爾高熱值相等[2-3]。同時(shí)，從式(3)可以看出，當(dāng)計(jì)量參比壓力p2不變時(shí)，理想氣體體積高熱值與理想摩爾高熱值成正比，與體積計(jì)量參比絕對(duì)溫度成反比。已知各燃燒參比溫度條件下，理想摩爾高熱值換算關(guān)系如表2所示。
通過公式(6)和表2給出的理想摩爾高熱值不同燃燒溫度換算系數(shù)，可以計(jì)算得到，當(dāng)壓力保持1Atm不變，不同參比溫度條件下的理想氣體體積高熱值和華白數(shù)的換算系數(shù)，列于表3。
3.2真實(shí)氣體
理想氣體和真實(shí)氣體的區(qū)別在于前者嚴(yán)格遵從氣體狀態(tài)方程pV＝nRT，而后則并不完全遵從。因此，考慮到真實(shí)氣體的非理想性，在計(jì)算真實(shí)氣體的體積高熱值、比重和華白數(shù)時(shí)，需要對(duì)氣體體積進(jìn)行修正，一般通過使用真實(shí)氣體的壓縮因子Zair來修正。真實(shí)氣體體積高熱值、比重、華白數(shù)計(jì)算公式分別如下:
根據(jù)式(5)和(9)可以得到真實(shí)華白數(shù)與理想華白數(shù)的關(guān)系為:
天然氣各主要組分在不同體積計(jì)量參比條件下的求和因子下表4所示。
由于天然氣組分主要以甲烷為主，占總組分的80%-1 00%，而c3一c7等重烷烴組分比例很小，因而，結(jié)合表4和空氣壓縮因子Zair(t2，P2)數(shù)值，可以將式(10)簡化為:
W[t1，V(t2，P2)]≈W o[t1，V (t2，P2)] (11)
因此，可以認(rèn)為真實(shí)氣體華白數(shù)不同參比條件下的換算系數(shù)與理想氣體華白數(shù)相同，即可按表3對(duì)不同參比條件下的真實(shí)氣體華白數(shù)進(jìn)行換算。
3.3各計(jì)量單位換算
國際上常用的計(jì)量體積單位有m3、scf等；計(jì)量溫度單位有℃、℉、K等；計(jì)量壓力單位有psi、Pa、bar、Atm等；計(jì)量能量單位有J、kWh、Btu、kcaI等[4]。各單位之問的換算關(guān)系如表5所示。
目前，各國用于計(jì)量天然氣熱值和華白數(shù)的常用單位有MJ／m3、kWh／m3、Btu／scf，根據(jù)表5可以計(jì)算上述3種計(jì)量單位彼此之間的換算關(guān)系，于表6。
在計(jì)算熱值和華白數(shù)時(shí)，有些地區(qū)和國家常采用的參比條件為60℉、60℉、14.73psi，由表5可以換算為15.6℃、l5.6℃、l01.586kPa，通過氣體狀態(tài)方程PV＝nRT計(jì)算，基本可以認(rèn)為該參比條件等同于15℃、l5℃、101.325kPa。因此在實(shí)際應(yīng)用中，建議直接用后者進(jìn)行不同參比條件的換算。
4 結(jié)論
本文通過對(duì)天然氣高熱值和華白數(shù)的計(jì)算方法以及各參比條件等概念的梳理分析，得出在計(jì)算不同參比條件和不同計(jì)量單位的天然氣高熱值和華白數(shù)時(shí)，真實(shí)氣體華白數(shù)和高熱值在不同參比條件下的換算關(guān)系可以等同于理想氣體的換算，各不同參比條件下天然氣華白數(shù)和高熱值的換算關(guān)系列于表3，不l司計(jì)量單位在不同參比條件下的換算關(guān)系列于表7。
各國計(jì)算熱值和華白數(shù)的參比條件并不統(tǒng)一，在天然氣貿(mào)易時(shí)有必要將國外計(jì)算所用的參比條件換算成我國目前國標(biāo)規(guī)定的，這有利于天然氣進(jìn)網(wǎng)的有效選擇，一定程度上可以控制氣源組分差異較大而引發(fā)的互換性問題；另一方面，各不同參比條件的換算方法仍未被深刻和廣泛地認(rèn)識(shí)。因此有必要對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致地學(xué)習(xí)和理解。
參考文獻(xiàn)
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4 Individual Thermal Solutions with Boldness&Care.Conversion US·UK·METRIC·SI units for thermal engineers[S]
本文作者：張楊竣 秦朝葵
作者單位：同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院
