摘 要：由于高酸性天然氣中含有較高濃度的H2S和CO2氣體，對天然氣的臨界溫度和臨界壓力有較大的影響，導致天然氣的壓縮因子增大。因此，當采用常規天然氣流量測量儀表用于高酸性天然氣的流量測量時，需要針對其測量結果進行必要的修正。通過查閱大量的文獻資料，對各種天然氣壓縮因子計算方法進行分析、比較，提出采用Wichest-Aziz校正方法與Bumett關系式相結合的方法計算高酸性天然氣的壓縮因子，在其適用條件范圍內(溫度為-12.2～93.3℃，壓力為0～13.7896MPa，酸性組分H2S+CO2的摩爾分數不大于80％)，計算得到的天然氣壓縮因子準確度較高，適于工程應用，也便于實現電算化，利用該方法計算的酸性天然氣壓縮因子與直接采用Bumett關系式計算的天然氣壓縮因子(替代常規天然氣流量測量儀表內部計算的天然氣壓縮因子)相比，即可有效地求得天然氣流量測量儀表的修正系數，從而提高了酸性天然氣流量測量的準確度。
關鍵詞：高酸性氣田 天然氣流量測量 天然氣壓縮因子 校正方法 流量修正系數
A modification method of high-sour gas flow measurement
Abstract：Flow measurement of natural gas is one of the key control parameters in natural gas industry．The calculation model of a regular natural gas flow measuring instrument is based on the AGA8-92 DC algorithm，by which the compressibility factor is calculated and the computing method of the natural gas7s flow rate can be deduced．But this method mainly focuses on a certain kind of pipeline gas which contains no H2S．However，with an increasing number of high-acid natural gas fields discovered in China，we found that higher contents of H2S and CO2 have a great effect on the critical pressure and critical temperature of the produced natural gas，which will result in the enlargement of the compressibility factor of the gas．Therefore，while using a regular flow measurement instrument，we need to correct the measurement results，which otherwise would be lower by more than 3％．Through reading a great amount of literatures，we analyzed and compared all kinds of methods for calculating the natural gas compressibility factor．As a result，we recommended a methodology combining the Wichest Aziz correction method and the Bumett Relation．And within the application conditions(temperature：-12.2-93.3℃；pressure：0-13.7896MPa；the mole fraction of H2S+CO2：≤80％)，this combination method will be practical and convenient for the electric data processing with a high accuracy of the calculated compressi-bility factor of natural gas．Compared to the other methods，this methodology will help engineers to effectively obtain the correction factor of regular flow instruments，thereby to improve the accuracy of the acid gas flow measurement．
Keywords：high-acid gas field，flow measurement of natural gas，compressibility factor，correction methods，flow rate correction factor
天然氣流量測量是天然氣行業中關鍵的控制參數之一。由于天然氣存在壓縮性及可膨脹性，并且是一種混合物，組分復雜，天然氣流量的測量是一個綜合的導出量。因此，準確地測量天然氣流量是整個流量測量專業中最難的。通常天然氣流量測量儀表均是先測量天然氣在工作狀況條件下的流量，然后依據天然氣的狀態方程換算為在標準狀態下的流量。由于天然氣組分、性質的差異，天然氣壓縮因子的計算公式也不盡相同，因而針對特定的天然氣組分、性質及各公式的適用條件，合理、科學地選用相應的天然氣壓縮因子計算方法就成為計算天然氣流量的關鍵?；谔烊粴饬髁繙y量儀表的通用性，測量儀表計算天然氣壓縮因子一般采用AGA8-92 DC(國內廠家生產的天然氣流量儀表一般采用的是GB／T 17747．2—2011《天然氣壓縮因子的計算》，其實質均來源于AGA8-92 DC)，但AGA8-92 DC及GB／T -7747．2—2011的研究對象均為不含H2S的管輸天然氣，不適合礦場集輸的高酸性天然氣流量計算。因此，為提高酸性天然氣流量測量的準確性，有必要對現有的天然氣流量測量儀表進行系數修正。關于酸性天然氣壓縮因子的校正，組成校正的計算結果要比密度校正計算出的結果準確[1]，常用的非烴(含H2S及CO2)氣體校正的方法是由Wichest和Aziz提出來的[2]，即采用Wichest Aziz的校正方法與天然氣壓縮因子標準圖版結合。由于標準圖版法計算天然氣壓縮因子是早期的一種手工計算方法，不僅準確度低，而且極不方便，故在計算機非常普及的現在，如何利用Wichest-Aziz的校正方法提高酸性天然氣壓縮因子的計算準確度是一個值得探討的問題。通過查閱大量的參考文獻及分析，利用Wichest-Aziz的校正方法與Bumett關系式結合，很好地解決了高酸性天然氣壓縮因子的修正，從而進一步推導出高酸性天然氣流量測量的修正系數。
1 天然氣壓縮因子的計算方法
天然氣壓縮因子是對實際氣體特性偏離理想氣體定律的修正。計算天然氣壓縮因子的方法有許多[3-8]，歸結起來主要分3類：①圖表法；②狀態方程法；③經驗公式法。
1．1 圖表法
圖表法采用對比壓力和對比溫度查圖進行計算天然氣壓縮因子，這是早期的一種經典計算方法，主要就是采用Standing-Katz圖，利用對比狀態原理查圖可得到對應壓力、溫度狀態下的天然氣壓縮因子。
相關計算如下。
pr=p/pc (1)
Tr=T/Tc (2)
式中p為氣體的工作壓力，Pa；pc為氣體的臨界壓力，Pa；T為氣體的工作溫度，K；Tc為氣體的臨界溫度，K；pr為氣體的對比壓力；Tr為氣體的對比溫度。
天然氣的平均對比壓力(p¢r)、平均對比溫度(T¢r)可由以下公式計算。
p¢r=p/p¢c (3)
T¢r=T/T¢c (4)
其中：
p¢c=∑yipci (5)
T¢c=∑yiTci (6)
式中p¢c為天然氣的平均臨界壓力，Pa；pci為天然氣中組分i的臨界壓力，Pa；T¢c為天然氣的平均臨界溫度，K；Tci為天然氣中組分i的臨界溫度，K；yi為天然氣中組分i的摩爾分數。
由天然氣的平均對比壓力(p¢r)和平均對比溫度(T¢r)值，可通過查天然氣壓縮因子圖得出天然氣的壓縮因子(Z)。
采用該標準圖版的方法適用條件是以CH4、C2H4為主要組成的貧天然氣[3]，計算的天然氣壓縮因子平均偏差約為3％，不適合H2S、CO2等非烴含量較高的酸性天然氣。
1．2 狀態方程法
狀態方程法利用天然氣的摩爾組成進行計算，該計算方法又稱AGA8-92 DC計算方法，是國際標準化組織(ISO))天然氣技術委員會推薦的2種狀態方程法之一，該狀態方程源自美國天然氣協會的AGA8報告，主要應用于壓力為0～12MPa和溫度8～65℃范圍內的管輸天然氣[4]，計算不確定度約為0.1％。也可在更寬的壓力(0～280MPa)和溫度(-130～400℃)范圍內用于更寬組成范圍的氣體，但計算結果的不確定度會增加。目前，國家標準GB／T 17747．2—2011《天然氣壓縮因子的計算》及大部分天然氣流量測量儀表均采用該狀態方程法計算天然氣壓縮因子[9]。
該計算方法需要對氣體進行詳細的摩爾組成分析，但針對H2S和CO2組分，適用的濃度范圍為：H2S摩爾分數為0～0.02％，CO2摩爾分數為0～30％。因此，該方法對于H2S含量比較高的酸性天然氣并不適合。
該狀態方程是擴展的維利方程。
式中Z為天然氣壓縮因子；B為第二維利系數；rm為摩爾密度(單位體積的摩爾數)；rr為對比密度；bn、Cn、kn為常數；Cn*為溫度與組成函數的系數；K為混合物體積參數；R為氣體摩爾常數。
1．3 經驗公式法
Bumett關系式是依據AGA8-92 DC提供的天然氣壓縮因子的值，擬合而得到的天然氣壓縮因子方程[5]，采用該方法計算的天然氣壓縮因子與以AGA8-92 DC計算的結果誤差小于0.3％。該方法適用溫度為-12.2～93.3℃，壓力為0～13789.6kPa，組分適用條件與AGA8-92 DC法相同。因此，在遵循其適用條件下，應用Bumett關系式計算的天然氣壓縮因子替代AGA8-92 DC計算的天然氣壓縮因子，在工程上是合適的。
公式如下：
1．4 含有顯著量H2S和(或)CO2酸性天然氣壓縮因子的計算
酸性天然氣的壓縮因子和非酸性天然氣的壓縮因子有所不同[10-11]，魏切特(Wichest)和埃則茨(Aziz)提出了簡易的校正方法，該方法也是GPSA(美國氣體加工與供應者協會)推薦的校正方法，這個方法仍使用標準的天然氣壓縮因子圖，通過該法進行校正，即使天然氣中酸氣總含量達到80％，也可給出精確的天然氣壓縮因子。
式中e為平均臨界溫度的校正系數；T¢c為天然氣的平均臨界溫度，K；p¢c為天然氣的平均臨界壓力，MPa；T²c為校正后的天然氣的平均臨界溫度，K；p²c為校正后的天然氣的平均臨界壓力，MPa；A為酸性天然氣中H2S和CO2的摩爾分數之和；D為天然氣中H2S的摩爾分數。該校正方法的適用范圍為：壓力為0～17240kPa，組分(H2S+CO2)的摩爾分數不大于80％。
2 高酸性天然氣流量測量的體積校正系數推導
根據真實氣體狀態方程(Pv=ZnRT，式中n為氣體的摩爾數)，采用Bumett關系式計算天然氣壓縮因子，則校正前與校正后的體積關系為：
其中，令j=Z校正/Z未校正，則j即為高酸性天然氣流量測量的體積校正系數。
3 計算實例
3．1 實例1(管輸天然氣)
某管輸天然氣中CH4摩爾分數為99.73％，CO2摩爾分數為0.27％，操作壓力為8.2MPa(絕對壓力)，溫度為40℃，試求天然氣壓縮因子。
3．1．1計算平均臨界壓力(p¢c)及平均臨界溫度(T¢c)
平均臨界壓力(p¢c)及平均臨界溫度(T¢c)計算結果見表1。
3．1．2計算平均對比壓力(p¢r)及平均對比溫度(T¢r)
p¢r=p/p¢c=8.2/4.551=1.80180
T¢c=T/T¢r=(273.15+40)／190.88=1.64046
3．1．3計算天然氣壓縮因子(Z)
采用標準圖表法，查表得Z=0.9；采用AGA8-92 DC方法計算，得到Z=0.89639；采用Bumett關系式計算，得到Z=0.895375。
標準圖表法與AGA8-92 DC法計算結果的誤差(d1)為：d1=(0.9-0.89639)100／0.89639=0.4027％
Bumett法與AGA8-92 DC法計算結果的誤差(d2)為：d2=(0.895375-0.89639)100／0.89639=0.1132％
通過計算實例1可知，在管輸天然氣的條件下，Bumett法與AGA8-92 DC法計算的天然氣壓縮因子吻合度非常好。因此，可以用Bumett法替代AGA8-92 DC法計算天然氣壓縮因子，2種方法計算的天然氣壓縮因子結果誤差小于0.3％[12-13]；而標準圖表法的準確度較Bumett法低。
3．2 實例2(高酸性天然氣)
某高酸性氣田天然氣中CH4的摩爾分數為78.250％，C2H4的摩爾分數為0.030％，He的摩爾分數為0.010％，N2的摩爾分數為0.520％，CO2的摩爾分數為8.860％，H2S的摩爾分數為12.330％，操作壓力為8.2MPa(絕對壓力)，溫度為40℃，試求天然氣壓縮因子及天然氣流量測量的體積校正系數。
3．2．1計算平均臨界壓力(p¢c)及平均臨界溫度(T¢c)
平均臨界壓力p¢c及平均臨界溫度(T¢c)的計算結果見表2。
3．2．2計算平均對比壓力(p¢r)及平均對比溫度(T¢r)
p¢r=p/p¢c=8.2／5.317=1.542
T¢r=T/T¢c=(273.15+40)／222.891=1.405
3．2．3計算未修正時的天然氣壓縮因子(Z)
采用標準圖表法，查表得Z=0.81；采用AGA8-92 DC方法計算，得到Z=0.84850；采用Bumett關系式計算，得到Z=0.83317。
標準圖表法與AGA8-92 DC法計算結果的誤差(d1)為：
d1=(0.81-0.84850)100／0.84850=4.537％
Bumett法與AGA8-92 DC法計算結果的誤差(d2)為：
d2=(0.83317-0.84850)100／0.84850=1.8067％
通過實例2計算可知：①標準圖表法準確度低，計算不方便；②AGA8-92 DC計算方法采用的是迭代算法，雖然準確度高，但計算復雜；③Bumett關系式雖然準確度較AGA8-92 DC低，但較標準圖表法要高，計算復雜程度也比較適中，便于實現電算化；④實例2的計算結果誤差較實例1要大，但這與Bumett法與AGA8-92 DC法計算的天然氣壓縮因子誤差小于0.3％的結論并不矛盾，這是因為，不論是標準圖表法，還是AGA8-92 DC法及Bumett法，由于H2S的含量較高(摩爾分數為12.33％)，都超出了其適用范圍，使得不確定度相應增加了。這也從另一方面說明：用常規方法計算高酸性天然氣壓縮因子時，必須加以校正。
3．2．4采用Wichest-Aziz法計算校正后的天然氣壓縮因子(Z)
由式(17)得e=24.94，查Wichest Aziz天然氣平均臨界溫度校正系數圖得e=25。
采用標準圖表法查Standing-Katz圖得Z=0.85；采用Bumett關系式計算得知Z=0.86085。
3．2．5求高酸性天然氣流量測量的體積校正系數
按標準圖表法計算得知j-0.85／0.81=1.04938；按Burnert關系式計算得知j=0.86085／0.83317=1.03322
由此可知，對于高酸性天然氣，校正天然氣壓縮因子、修正天然氣流量的體積測量值是必需的。如果不進行天然氣壓縮因子的校正，常規天然氣流量測量的體積量會偏低，體積偏低量可超過3％。
4 結論
1)對于高酸性天然氣，在使用常規的天然氣計量儀表測量其體積流量時，必須對流量測量結果進行修正，否則將導致天然氣流量測量值偏低超過3％。
2)Wichest-Aziz校正方法結合Bumett關系式計算酸性天然氣的天然氣壓縮因子，在其適用條件范圍內[溫度為-12.2～93.3℃，壓力為0～13.7896MPa，酸性組分(H2S+CO2)的摩爾分數不大于80％]，計算得到的天然氣壓縮因子準確度較高，適于工程應用，也便于實現電算化。
3)針對高酸性天然氣，采用Wichcst Aziz校正方法結合Bumett關系式計算的酸性天然氣壓縮因子與直接采用Bumett關系式計算的天然氣壓縮因子(替代常規天然氣流量測量儀表內部計算的天然氣壓縮因子)之比，可有效地求得天然氣流量測量儀表的修正系數，從而提高酸性天然氣流量測量的準確度。
4)Wichest-Aziz校正方法結合標準圖表法計算酸性天然氣的壓縮因子，雖然比較簡單，但計算的酸性天然氣壓縮因子準確度較低，且不方便，不利于天然氣壓縮因子電算化的實現。
參考文獻
[1]汪周華，郭平，李海平，等．酸性天然氣壓縮因子實用算法對比分析[J]．西南石油學院學報，2004，26(1)：47-50．
WANG Zhouhua，GUO Ping，LI Haiping，et al．Contrasting and analyzing the utility arithmetic for calculating the z-factor of sour gas[J]．Journal of Southwest Petroleum Institute，2004，26(1)：47-50．
[2]諸林．天然氣加工工程[M]．2版．北京：石油工業出版社，2008．
ZHU Lin．Natual gas processing engineering[M]．2nd ed．Beijing：Petroleum Industry Press，2008．
[3]陳賡良．天然氣壓縮因子計算方法綜述[J]．油氣儲運，1987，6(2)：7-13．
CHEN Gengliang．Natural gas compressibility calculations[J]．Oil&Gas Storage and Transportation，1987，6(2)：7-13．
[4]張福元．用于計量的天然氣壓縮因子計算方法比較[J]．天然氣工業，2000，20(5)：73-76．
ZHANG Fuyuan．A comparison of the methods for calculating natural gas deviation factors used for metering[J]．Natural Gas Industry，2000，20(5)：73-76．
[5]SALEH J M．流體流動手冊[M]．鄧敦夏，澤．北京：中國石化出版社，2004．
SALEH J M．Fluid flow handbook[M]．DENG Dunxia，trans．Beijing：China Petrochemical Press，2004．
[6]徐文淵，蔣長安．天然氣利用手冊[M]．2版．北京：中國石化出版社，2006．
XU Wenyuan，JIANG Chang'an．Manual of natural gas utilization[M]．2nd ed．Beijing：China Petrochemical Press，2006．
[7]天然氣流量計量編寫組．天然氣流量計量[M]．北京：石油工業出版社，2001．
The Editorial Committee of Natural Gas Flow Measurement．Flow measurement of natural gas[M]．Beijing：Petroleum Industry Press，2001．
[8]MOHINDER L N．配管數據手冊[M]．王懷義，彭世浩，譯．北京：中國石化出版社，2005．
MOHINDER L N．Piping data handbook[M]．WANG Huaiyi，PENG Shihao，trans．Beijing：China Petrochemical Press，2005．
[9]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB／T 17747．1-2-3-2011天然氣壓縮因子的計算[S]．北京：中國標準出版社，2012．
General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine，China National Standardization Management Committee．GB／T 17747．1-2-3-2011 Natural gas calculation of compression factor[S]．Beijing：China Standards Press，2012．
[10]付建明，陳國明，龔金海，等．高含硫天然氣分子量和壓縮因子對流量的影響[J]．天然氣工業，2009，29(10)：93-95．
FU Jianming，CHEN Guoming，GONG Jinhai，et al．Influences of molecular weight and compressibility factor of high sour gas on its flow rate[J]．Natural Gas Industry，2009，29(10)：93-95．
[11]方越，吳曉東，吳晗，等．高含硫天然氣壓縮因子計算模型優選與評價[J]．油氣田地面工程，2011，30(7)：1-3．
FANG Yue，WU Xiaodong，WU Han，et al．Optimization and evaluation of high SOUr gas compressibility factor calculation[J]．Oil-Gasfield Surface Engineering，2011，30(7)：1-3．
[12]蔣輝，林媛媛，曹斯亮．天然氣超聲波計量系統性能的影響因素[J]．油氣儲運，2012，31(1)：53-56．
J1ANG Hui，LIN Yuanyuan，CAO Siliang．Influence factors of gas ultrasonic metering system’s performance[J]．Oil＆Gas Storage and Transportation，2012，31(1)：53-56．
[13]劉明亮，陳福林，吳斌，等．天然氣氣質組分變化對超聲波流量計的影響[J]．油氣儲運，2012，31(9)：714-715．
LIU Mingliang，CHEN Fulin，WU Bin，et al．Impact of quality components of natural gas on ultrasonic flowmeter[J]．Oil&Gas Storage and Transportation，2012，31(9)：714-715．
本文作者：王貴波 陳偉 陳江峰
作者單位：中國石化中原油田普光分公司采氣廠
中國石化中原油田天然氣產銷廠
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