GB T 22634-2008 天然气水含量与水露点之间的换算.pdf
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1、ICs 75060E 24 a雷中华人民共和国国家标准GBT 22634-2008天然气水含量与水露点之间的换算Conversion between water content and water dew point of natural gas(ISO 18453:2004 Natural gas Correlation betweenwater content and water dew point,MOD)2008-1229发布 2009-050 1实施丰瞀嬲紫瓣警箍警瞥星发布中国国家标准化管理委员会仅19GBT 22634-2008前言引言l范围2符号、单位、术语和定义-3关联式的开发
2、4应用范围和关联式的不确定度5关联关系附录A(资料性附录)附录B(资料性附录)附录C(规范性附录)附录D(资料性附录)附录E(资料性附录)附录F(资料性附录)计算示例溯源性-目 次热力学原理-单位换算-Bukacek平衡状态下天然气水含量关联式本标准与ISO】8453:2004的技术性差异及其原因表工1122379加坫M刚 吾GBT 22634-2008本标准修改采用ISO 18453天然气水含量与水露点之间的关联(2004年英文版),同时参考ASTM D 11426通过测量露点获得水蒸气含量的标准测试方法(1995年英文版)和IGT研究报告8天然气平衡水含量(1995年英文版)而成文。本标准
3、根据IsO 18453:2004重新起草。考虑到我国法规要求和工业的特殊需要,本标准在采用国际标准时进行了修改。为便于使用,本标准在编辑性、技术性、文本结构上还做了修改。有关技术性差异已编人正文中并在它们所涉及的条款的页边空白处用垂直单线标识。在附录F中给出了这些技术性差异及其原因的一览表以供参考。本标准与IsO 18453:2004的主要差异如下:一编写规则按GBT 112000标准化工作导则第1部分:标准的结构和编写规则编写;第1章范围,在IsO18453第1章的基础上,增加标准参比条件的规定;第2章符号与定义,符号是把IS018453:2004附录D的下标、符号和单位内容移至本章,并按G
4、BT 11 2000进行必要的修改,定义采用ISO 18453:2004第2章的内容,删除“常态参比条件”和“溯源性”的定义;附录D,将ISO 18453附录D中符号与定义的内容移至2章,其余部分删除了缩写的内容,并对单位换算相关内容进行完善和细化;一附录E,参考ASTM D1142:1995中的63和IGT研究报告8的内容编写;将一些适用于国际标准的表述改为适用于我国标准的表述;一删除IsO 18453:2004的前言,修改了IsO 18453:2004的引言。本标准的附录c为规范性附录,附录A、附录B、附录D、附录E、附录F均为资料性附录。本标准由全国天然气标准化技术委员会提出。本标准由全
5、国天然气标准化技术委员会(sAcTc 244)归口。本标准主要起草单位:中国石油西南油气田分公司天然气研究院、中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司。本标准参加起草单位:美国阿美特公司过程和分析仪器部。本标准主要起草人:张福元、罗勤、杨芳、许文晓、黄和、迟永杰、唐蒙。本标准参加起草人:李建颖、张娅娜、何斌。GBT 22634-2008引 言ISO 18453:2004标准提供了天然气中水含量与水露点之间的一个可靠的数学关系式。该计算方法是由GERGl开发的,适用于水含量或水露点的计算。与热力学原理有关的资料在附录c中给出;与其溯源性、应用和不确定度有关的资料在附录B中给出。天然气工业中的某
6、些操作问题可以追溯到天然气中的水含量。即使天然气中的水蒸气含量很低,改变操作压力和温度条件也可能引起水凝析,从而导致腐蚀问题、形成水合物或结冰。为了避免这些问题,天然气公司不得不安装昂贵的脱水装置。这些装置的设计和成本取决于在露点下水含量的准确认识和(合同)所规定的水含量。过去几十年间,由于水分测量仪器的改进而导致仪器的开发注重于水含量的测定,而不注重于水露点。因此,如果测量了水含量,就需要有表达水露点的关联式。GERG认识到,在确认现有的水含量与水露点之间关联式之前需要为关注范围内大量有代表性的天然气的水含量和对应的水露点值建立全面和准确的数据库。后来证明,这个现有的关联式的不确定度范围可以
7、改善。因此,一个更准确的取决于组成的关联式在这一新数据库的基础上成功地开发出来。ISO 18453:2004标准的目的是将由GERG开发的与有代表性的贸易交接天然气中水含量与水露点之间关系(反之亦然)有关的计算过程标准化。为了使本标准更实用,切合我国天然气工业的实际,参考ASTM D 1142:1995中的53和IGT研究报告8(1995)的内容,增加了附录E“Bukacek平衡状态下天然气水含量关联式”。1 GERG是“欧洲气体研究组织Groupe Europ4en de Recherche Gazi6re”的缩写。天然气水含量与水露点之间的换算GBT 22634-20081范围本标准确立了
8、当天然气中水含量或水露点其中之一为已知时两者之间一个可靠的数学关系式;并给出了关联式的不确定度,但对测量不确定度不作量化规定。本标准的计算方法,既适用于水含量的计算,也适用于水露点的计算。除特别说明外,本标准采用的体积标准参比条件为:压力为101325 kPa,温度为20。2符号、单位、术语和定义21符号与单位本标准使用的符号与单位见表1。表1符号与单位符 号 含 义 量 纲 单位符号b 体积补偿参数 L3 rfL一1 ITl3km01X(y) 摩尔分数 】声 (绝对)压力 ML_1T_2 MPaR 气体常数(O008 314 5lO) ML2T 2 m 1 0 1 MJkmolK摄氏温度 0
9、 T 热力学(绝对)温度 0 KV 体积 L3 m3v皿 摩尔体积 L3 m 1 rl,13kmol艮 质量浓度表示的水含量 ML一3 nagm。 二元交互作用参数 1与物质有关的偏心因子 1 与物质有关的常数 1下标c 表示临界点下标R 表示对比条件下标v 表示气相下标w 表示水注:在“量纲”栏中,长度、质量、时间、摩尔和热力学温度的量纲,分别用L、M、T、m和0表示。22术语和定义下列术语和定义适用于本标准。221关联correlation在两个或多个随机变量的分布中两个或几个随机变量之间的关系。GBT 22634-2008222工作范围working range关联式确认的参数范围。22
10、3扩展工作范围extended working range开发时关联式的参数范围,但已超出关联式确认的参数范围。224关联式的不确定度uncertainty of the correlation来自实验数据库计算值的绝对偏差。注:不包括任何现场测量不确定度。225偏心园子acentric factor表示分子偏心度或非球形度的参数。3关联式的开发31概述GERG开展了具有商品气特性的天然气水含量与水露点之间进行准确换算的研究项目,并收集了关注范围的露点温度(15+5)和压力(绝压,05 MPa 10 MPa)的几组天然气的水含量和对应的水露点的可靠数据。除了对七个有代表性的天然气进行测量外,还
11、对“甲烷一水”的关键二元系统进行了测量。收集测量数据的程序采用饱和法。用卡尔费休仪的重复性和再现性的测定值作为所有被测水含量一致性程度的评价准则,只有几个数据不一致,主要位于低含量范围(高压、低温范围)。不一致的数据或者舍弃,或者在少数示例中降低权重。大多数情况下,通过在相同压力和温度条件下完成的重复测量值来替代这些数据。32开发开发的关联式在露点温度范围为 15+5,绝对压力范围为05 MPa 10 MPa内被确认。用于确认该关联式的有代表性的天然气样品在取样时,技术上不含乙二醇、甲醇和液态烃,并且硫化氢的最高浓度为5 mgm3(在标准参比条件下)。没有对这些内含污染物引起的不确定度影响做研
12、究。开发关联式的热力学背景使其应用范围可能超出工作范围,扩展到温度为一50+40和绝对压力为01 MPa30 MPa的未知不确定度范围,有意地将关联式整理为水含量与水露点之间可以相互换算的关系式,但应该注意这一关联式是用若于个在现场取得的天然气组成样品在实验室条件下推导出来的。在实际的现场操作条件下,会产生明显的附加不确定度。除了测量换算不确定度外,还应该考虑测量值的不确定度。除非明确规定,体积规定为标准参比条件下的体积。4应用范围和关联式的不确定度4j 工作范围与不确定度411工作范围本标准的工作范围如下:a) 压力范围:05 MPap10 MPa;b)露点温度范围:一155;c) 组成范围
13、:关联式把水含量或水露点和表2给出的组成作为输入参数。2GBT 22634-2008该计算方法适用于满足表2所列范围的天然气。附录A给出了组成影响的示例。表2天然气组成范围化合物 , 化合物 ,7甲烷(CH。) 400 正丁烷(C。H。) I5氮气(N:) 550 2,2-二甲基丙烷(c;H。:) 15二氧化碳(c02) 300 2甲基丁烷(C;H。) 1 5乙烷(C2H 6) 200 正戊烷(c。H,:) 15丙烷(c3H8) 45 cj(己烷和更高烃类的总和)(c。H。) 152一甲基丙烷(c。H。o) 15注:把cj作为正己烷来处理。412不确定度在本标准的工作范围内不确定度如下:a)
14、由水含量计算水露点:2;b) 由水露点计算水含量:1)凡0 (C4)则平衡不稳定。当些更高阶项为正值时,见式(c5):AS一0,且82S0、轳S0 (C5)则平衡亚稳定。亚稳定的极限由式(c6)定义:铲S一0 (C6)对一个系统的热力学平衡状态的研究是在热力学势能的基础上进行的。当丁和p一定时,定义平衡状态吉布斯自由能G最小,见式(c7):dG一0,且d2G0 (C7)同样,当T和y一定时,定义平衡状态的赫姆霍茨自由能A最小。一个包含“nc”组分的系统分布在“n西”相,最小化的自由能见式(C8):10 nfG一”iPi一l f=l式(c8)受式(c9)约束:式中:Yli组分i的总摩尔数;ni相
15、j中组分i的摩尔数;户。一一相J中组分i的化学势。(C8)直接研究平衡状态是在nc约束下将n西、nc变量的函数最小化。如此简单的表述掩盖了研究的实际困难。把热力学第一定律应用于一个特别纯的或组成恒定的流体的均相封闭系统,可得到式(c10):dUdWo dQ -”(C10)在一个可逆的过程中,由热力学第二定律可得式(c11)和式(c12):dW一一pdV -(C11)dQTdS -(C12)结合式(c10)、式(c11)和式(c12)得式(c13):dUTdSpdV ”(C13)一个不均匀的封闭系统包含两相或多相。在这样的系统中,每一相都可看成一个均匀的开放系统,因为系统中的任何组分都可能穿越相
16、界从一相进入另一相。一个均匀开放系统的内能U,取决于附加变量,即该系统中每种组分的量。组分的量可以用组分的摩尔数表示。对含有N个组分的开放系统:U运用链式法则于式(C14),得全微分:叫一(器)。,。as+(券)。,。av+莩N(器)。帆式中j表示除i外的所有组分。因为:(器)。一(筹),一T和(影)。一(黟)。一一结合式(C15)和式(C16)可得:(C1 5)(C1 6)(C1 7)(C18)1 923年路易斯(GNLewis)引入了逸度f,它相当于化学势,并以压力的单位表示,见式(c19):dp。一RTd(1nfi) (C1 9)对真实气体,逸度被认为是一个校正的分压,用逸度系数诎表示,
17、见式(c20):啦一(毒妨) 20。是气相中组分i的摩尔分数。逸度系数表明了对理想气体定律的偏差。因此,理想气体的逸度系数为1。c12平衡条件在两相中每个组分的化学势相等是平衡的必要条件:芦4一,i从l至nc。同样,对于下述逸度:一,i从1至Hc。对于温度和压力:T。一T。,i从1至nc。大多数平衡计算的运算法则都依赖于这些条件。州”觚。观+示y表一用幽常T通,町恸比为称世阮数导啸GBT 22634-2008当满足该条件时,平衡系数定义为逸度系数之比:K,一瓦40i,z,i从1至在气一液两相平衡系统中(缩写V为气相,L为液相),公式简化为式(C21):ToT”p。一户” (C21)丹一r(一I
18、,2)对每个组分i的平衡条件(c7)可用逸度系数定义(c20)从物质平衡(c21)导出,式中z。为液相中组分i的摩尔分数,M为气相中的摩尔分数。p。Lz。=秽y;(i一1,N) (C22)任一相中组分i的逸度系数和该相的状态变量间的关系通常由热状态方程连接。对压力是显函数的状态方程,逸度系数可表示为式(c23):,n竹一击e(罄)。一R可T一,nz c cz。,式中z为压缩因子,见式(c24):z一篇 “C24)压缩因子是对理想气体定律偏差的衡量,理想气体的压缩因子z为1。C2状态方程C21纯物质热状态方程定义了纯物质压力p、体积V和温度T之间的关系见式(C25):f(P,V,T)一0 (C2
19、5)最简单的状态方程是理想气体定律,见式(c26):pVnRT (C26)理想气体模型是基于分子之间无相互作用,分子大小忽略不计的假设。因此,理想气体定律仅对低密度物质有效,因为这些假设(几乎)对此适用。因为理想气体分子之间的吸引力被忽略所以理想气体模型不适用于凝析相。为了克服这些限制,开发了包括以理想气体定律作为边界条件的许多状态方程。这些状态方程可以划分为下列几组:a)半经验(三次多项)方程式,PR方程,S-RK方程等;b)改进的维里方程,维里方程是唯一的理论方程;c) 基于对应状态原理的PVT一计算式;d)基于统计热力学的方程。本附录只讨论其中一部分,重点在半经验(三次多项)方程式,因为
20、它是一种新计算方法(BWT)的基础。对于其他方程的详细描述,可参考Dohrn,Walas和anderko的论文。第一个三次多项状态方程式由JDVan der waals于1873年导出,见式(c27):p+舞(K一6)=尺丁或户一矿jRT一丧一P月+p女(c27)考虑到分子间吸引力,所以引入压力校正项-aV:。b叫作体积补偿参数。它是对分子固有体积和斥力特性的一种衡量。范德华方程(VDW)是第一次仅用一个方程就同时成功地定量再现了气相和液相中流体的行为。但许多应用证明该方程准确度不够。因此,上世纪以来又导出了大量三次多项方程式,这些方程式保留了引力和斥力的区分。虽然所有这些改进的方程式在细节上
21、有差异,但都可以简化成通用的五元参数的结构式,见式(c28):1 2。RT 口(V。一可)p一而一万j面面i毫丽一些重要的三次多项状态方程的变量0,d,e,1在表C1中给出。表c1方程式(C28)变量GBT 22634-2008(C28)状态方程 缩写 口 d 7Van der Waas(1873) VDW O 0 6SoaveRedlich Kwong(1972)1 SRK n(T) b O bPeng_Robinson(1976)1 PR d(丁 2b 护 bPatelTeja(1982) PT 8(T) b+c cb b对于二元参数方程,参数(n和6)由临界点条件决定。在临界点处,纯流体
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