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 技术论文
天然气计量由容积单位转换为能量单位


 
Douglas E. Dodds
第一页

  摘要:本文介绍了美国天然气工业的发展和天然气作为商品由容积计量转变为热能计量的历程。重点介绍了用于天然气热能计量的术语、仪器设备的原理,并举例说明了天然气热能计量的方法。
  
  天然气作为一种商品,每立方英尺具有一定的热能量,其在输送和买卖中已经由以容
积为基础的测量系统转换为以能量为基础的测量系统。本文将回顾天然气工业由容积计量系统到能量计量系统的演变。

  天然气作为一种燃料已有几个世纪了。中国人在公元前900年就将天然气用于商业中,他们用挖空的竹筒从浅的气井中输出天然气作为炼制盐的燃料。在美国,1816年首先使用天然气作为点灯的燃料。1821年在Fredonia附近的纽约钻出第一口天然气井。William Hart,一个机械制造者在Fredonia外边的海湾附近钻了27ft深的井,因为那里的气泡早已引起人们的注意。这口井使Hart成为美国的天然气之父。1843年碳钢管线代替了木制的管线,钢管的使用第一次提供了可靠和安全的天然气销售输送方法。
随着工业革命在美国的不断发展,天然气燃料的需求量不断增大。1859年在宾夕法尼亚
的Titusuill油田进行商业开发后,原油作为第一位的燃料而天然气成为一种副产品。与原油相比天然气价值小,且只有一般的天然气管线输送供销售,另一方面,原油可以通过用木桶盛装着销售,而且可以很容易地用货车、轮船和火车运输。

  早在1900年,由于先进的钻井技术的发展和旋转钻井技术的发明,钻井又快又深,结果越来越多的天然气开发出来,那时尚没有成为商品,大多数气体只作为原油生产时的照明或成为废弃物。这时,企业家们看到了商机,可以将管线建到油田上,每干立方英尺的气体只几个便士,然而输送出去销售可以获利。这就是新的天然气输送工业的开始。

  天然气经管线在井口上卖掉是以立方英尺容积测量的,并且认为其应具有一定的热值范围。输送商品天然气必须有规范的管线设备。如美国联邦政府制定了跨越州之间的天然气运输规范,而各州政府制定了州内的气体运输规范。天然气通过容积量买卖,热值仅由一个量热计确定作为有限的依据。

  1978年通过了天然气法规,把州和联邦政府之间的很大的气体差价拉平,这个政策定了以每立方英尺实际的能含量为基础的天然气的买卖。1978年的政策法规改变了天然为商品的评价方式。这种新的标准是结合天然气的容积测量和热值测量而产生的一个新的天然气能量测量系统。

一、用于能量测量的术语

1.Btu-英国热量单位
  一个Btu定义为在标准压力下将1lb纯水从58.5℉加热至59.5℉下所需要的热量。通常一个Btu是1lb水升高10℉温度所需要的热量。

2.标准立方英尺
  一标准立方英尺定义为在一个专门规定的温度和压力下占有一立方英尺空间的气体量。

3.总的或毛的热值

  总热值定义为在60℉下和参比基准压力下的体积为1ft3的天然气在常压下燃烧所产生的Btu热量。

4.净热值
  在60℉和参比基准压力下,1ft3的天然气在常压下燃烧所产生的Btu数量。由于空气和天然气具有相同的温度和压力,当由燃烧形成的水蒸气保持蒸汽状态时,净热值少于毛热值,毛热值是由燃烧形成的水蒸气冷凝为液体时所放出的热量。

5.饱和气热值
  饱和气热值可以定义为在基准状态下含有饱和水的1标准立方英尺容积的天然气的毛热值
或净热值。

6.干气热值
  干气热值可以定义为在基准状态下1ft3的不含水蒸气的天然气的毛热值或净热值。1标准立方英尺的干气热值比饱和气热值大,因为干气中不含水蒸气。

7.标准基准状态
  标准温度基准是60℉,标准压力基准是32℉温度下的30in高汞柱的绝对压力,典型的压力基准如14.73lb/in2(绝)。

8. Dekatherm
  一个dekatherm(dth)是能量10therms或1000000Btu的等效单位。一个dth等效于热值为1000Btu/ft3的1000ft3的气体的热量。


二、用于热能测量的设备

  用于天然气热能测定的三种仪表是Cutler-Hammer型的热流计、气体色谱仪和推理式的热量计。Cutler-Hammer热流计和推理式热量计的原理是依据实际的燃烧,而气相色谱仪的原理是依据分子组分的测定。每种设备的情况介绍如下。

1.Cutler-Hammer记录式热流计
  该热流计是一个罐单元和记录仪的结合。在罐内进行实际的热量测量。罐内装满水并保持一定温度。被测试气体和另外一种吸热气体通过在罐内与水密封的流量计,这两种气体保持一个固定的比例。当被测气体燃烧时,它的热量传给吸热气体,燃烧过程形成的水蒸气冷凝到液体状态并释放出潜热。其结果,所有因燃烧产生的热包括潜热即是总的被测气体的热值。这种仪表有已知热值的标准天然气进行校准。

2.气相色谱仪
气相色谱仪用的是一种物理方法,它将气体分成组分,然后测量混合气体中每种组分的量以确定其分子结构。一旦确定了分子组成,该气体热值可通过计算确定。实际上,气相色谱仪由一个具有调节控制气体供应的取样注入系统、稳定的热分离塔、一个检测器和一个记录仪构成。气相色谱仪的分析结果可以用来计算超压缩系数、比重、每立方英尺气体的加仑数和热值。气相色谱仪由一种已经知道的标准天然气进行校准。

3.推理式热量计
  推理式热量计是一种燃烧式的仪表。实际上,被测气体经化学燃烧或空气燃烧以得到推论性的热值。这种仪表有几个功能不同的部分构成。一部分控制着燃烧气流以便于当空气和天然气混合并燃烧时,火焰温度将达到其最大值。在仪表的另一端,流入的天然气和空气被测量。使空气与天然气流量比在它们预期的完全燃烧点与已知的热量值成正比例。这种仪表用已知热值的标准天然气进行校准。

三、能量计算

  计算能量最重要的是要有相同压力基准下的立方英尺容积的Btu。如果是在不同的压力基准下的容积的Btu,求出的能值需要进行修正。将容积修正到Btu的基准或将Btu修正到容积的基准。应该注意到,干气每立方英尺的Btu大于饱和气每立方英尺的Btu。高压下1ft3的天然气具有较大的Btu。

1.使用容积和Btu计算热值
一种天然气体在标准温度和压力下的热值由该气体的以ft3为单位的容积与它的Btu/ft3值相乘。标准状态时60℉和14.73lb/in2(绝)。
例1  热值为1050 Btu/ft3的1000ft3的天然气的热值是多少?
      热值=1000×1050=1050000Btu
              =1.05Mbtu
              =1.05Dekatherms

2.使用容积和Btu的热值修正系数
  一种气体在标准温度和压力下的热值修正系数由测量的这种气体Btu/ft3值除以一个1000Btu/ft3的值相乘。标准状态是60℉和14.73lb/in2(绝)。
例2:一种气体热值为1050Btu/ft3,在基准热值为1000Btu/ft3下,其热值修正系数是多少?

3.压力基准修正
  根据合同,测量的压力基准可以不一样,由于压力基准不一样,测量的容积和热值的数据需要修正到标准基准压力状态。
例3:合同压力基准为14.73lb/in2(绝),而气体测量压力为14.651b/in2(绝), 求热值修正系数和压力修正系数。

4.水蒸气修正
  天然气的热值可以以饱和气基准、实际基准或一个基于合同的饱和气基准进行计算。在14.73lb/in2(绝)基准压力和60℉基准温度下的饱和气或干气的热值系数可以由饱和状态下的水蒸气的局部压力0.2563lb/in2(绝)来计算。首先将其作为干气来确定,然后再修正到实际状态下。

例4:确定在14.73lb/in2(绝)和60℉基准状态下的干气和饱和气的修正系数。

例5:确定在14.73lb/in2 (绝)和60℉基准状态下的具有1000Btu/ft3热值的饱和气的干
气热值。
  干气热值=1.0177×1000=1018Btu/ft3

例6:一种气体其干气热值为1018Btu/ft3[压力14.73lb/in2(绝)],当其水蒸气含量为45lb/106ft3时,确定其该状态下的热值。

      
实际热值=1018×0.99905=1017Btu/ft3

四、结 论

  这篇文章介绍了天然气工业早期的历史和发展,以及天然气商品从容积计量转换为热值计量的历史和发展。讨论了如何使用三种仪表确定天然气热值。回顾了用于热值测量的规定,并举例介绍了天然气容积转换为热能的计算方法。

资料来源于美国《石油天然气计量培训教材》1995年
编译:潘兆柏 许宪儒
审校:郭福民

 
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