GB T 31253-2014 天然气 气体标准物质的验证 发热量和密度直接测量法.pdf
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1、ICS 75.060 E 24 中华人民共和国国家标准GB/T 31253-2014 天然气气体标准物质的验证发热量和密度直接测量法Natural gas-Validation for gaseous reference materials一Direct measurement of calorific value and density 2014-12-05发布2015-05-01实施4区机;.tl.i3 . 命丁、电机/ 、?咱Y吨/IEJjrts11Fm 中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会发布GB/T 31253-2014 目次前言. . . . . . .
2、.皿1 范围. . 2 规范性引用文件. . 3 术语和定义. 4 气体标准物质验证方法. . . . . . . . . 2 附录A(资料性附录)使用量热计测量天然气标准物质发热量的方法. . 4 附录B(资料性附录按照GB/T12206方法测量天然气标准物质发热量的方法 . . 8 附录C(资料性附录)使用密度天平测量天然气标准物质密度的方法. . 10 附录D(资料性附录使用GB/T11062间接测量天然气标准物质发热量和密度的方法. 11 附录E(资料性附录使用发热量方法验证气体际准物质的实例. . . . . 12 I GB/T 31253-2014 前合同本标准按照GB/T1.1-
3、2009给出的规则起草。本标准由中国石油天然气集团公司提出。本标准由全国天然气标准化技术委员会(SAC/TC244)归口。本标准起草单位z中国石油西南油气田公司天然气研究院、中国计量科学研究院、中国测试技术研究院。本标准主要起草人z罗勤、蔡黎、韩桥、陈屡良、方正、陈勇。阳皿GB/T 31253-2014 1 范围天然气气体标准物质的验证发热量和密度直接测量法本标准规定了采用发热量和密度直接测量验证天然气分析用气体标准物质的方法。本标准适用于称量法制备的气体标准物质的验证。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件,凡是不注日期的引用
4、文件,其最新版本包括所有的修改单适用于本文件。GB/T 11062 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法GB/T 12206 城镇燃气热值和相对密度测定方法GB/T 19205 天然气标准参比条件JJF 1033-2008 计量标准考核规范JJF 1059.1 测量不确度评定与表示3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件,3.1 间接测量indirect measurement 利用已有的天然气或气体标准物质组成数据,按照GB/T11062计算,在GB/T19205规定状态下测定天然气或气体标准物质发热量或密度的方法。3.2 直接测量directm倒urement直接使用量热计和密
5、度天平测量获得,在GB/T19205规定状态下测定天然气或气体标准物质发热量或密度的方法.3.3 量锦计calorific meter 直接进行气体发热量测定的检测仪器。3.4 密度天平density balance 使用称量方式直接进行气体密度测量的检测装置。1 GB/T 31253-2014 4 气体标准物质验证方法4.1 方法原理4. 1. 1 直接测量方法天然气标准物质的发热量可使用量热计或GB/T12206方法直接测量其发热量,并按JJF1059.1 规定的方法评估其测量不确定度.使用量热计和按GB/T12206方法测量天然气标准物质发热量的方法分别参见附录A和附录B。使用密度天平直
6、接测量天然气标准物质的密度,并按JJF1059.1规定的方法评估其测量不确定度。使用密度天平测量天然气标准物质密度的方法参见附录CD4.1.2 间接测量方法按照GB/T11062计算天然气标准物质的发热量和密度,间接测量其发热量和密度,并按JJF 1059.1规定的方法评估其测量不确定度。按照GB/T11062间接测量天然气标准物质发热量和密度的方法参见附录DD4. 1.3 验证方法根据JJF1033-2008中的传递比较法要求,式1)给出的气体标准物质验证公式。Ix画-XinI运2.jU(Xd)2+U(Xin)2 . ( 1 ) 式中zXdi 一一直接法测定的气体标准物质发热量或密度值;Xi
7、n 一一间接法计算所得的气体标准物质发热量或密度值;U (Xdi)-一气体标准物质发热量或密度直接测量的标准不确定度sU(Xi卢一-气体标准物质发热量或密度间接测量的标准不确定度。待验证的气体标准物质符合式(1)的条件时,通过验证。4.2 仪器要求4.2.1 量捧计要求待测气体标准物质应以完全燃烧的方式放出热量,并使用吸热介质吸收热量,通过测量吸热介质的温度升高值来测量待测气体标准物质的发热量.其中燃烧时,各影响测量准确度的因素均应充分的进行补充计算,并将其作为不确定度源进行了评估。仪器测量结果的不确定度应按照JJF1059.1规定的方法进行评估,应不低于使用待测气体标准物质计算发热量的不确定
8、度。4.2.2 密度天平要求密度天平可采用阿基米德浮力原理,使用天平称量检测气体密度。仪器测量结果的不确定度应不低于使用待测气体标准物质计算密度的不确定度。2 GB/T 31253-2014 4.3 验证程序圈1气体标准物盾验证方法图1所示为气体标准物质验证方法,按照图1所给定的方法,按以下步骤进行气体标准物质的验证,附录A为发热量直接测量验证气体标准物质的实例za) 按4.1.1中规定的方法直接测量待验证的气体标准物质的发热量或密度。b) 利用气体标准物质称量制备时的组成定值,按4.1.2中规定的方法间接测量待验证的气体标准物质的发热量或密度。c) 按式(1)对待验证的气体标准物质进行验证。
9、附录E列出了使用发热量方法验证气体标准物质的实例。3 GB/T 31253-2014 附录A资料性附录使用量热计测量天然气标准物原发热量的方法A.1 量热计结构图A.1给出了参比量热计的基本结构。它由两个套人的铁罐构成,两个铁罐间为空气隔热。内罐中装满蒸懵水,放置一个带有热交换器的玻璃反应器、一个校准的发热器、一个定速的搅拌器及一支铅电阻温度计。凹槽内有一冷臂,可使量热计回到初始的温度。量热计使用时,移开冷臂,堵上凹糟。组分通过内罐的盖子后用0型圈及硅橡胶将它密封,防止水损失。说明=1 泵盏$2一一搅拌器p3一一销温度计$4一一氧气z5一一排气$6一一点火电压E7 氧氢混合气F8 燃料z1 2
10、 3 14 9一-标定加热器z10一一点火器F11-一-外浴512 外容器p13 内容器p14 支架z15一保温层.圄A.1量热计热交换单元示意固内罐装有三个塑料支点,将内罐固定在外罐内,使两罐间保持相同的距离。使用空心盖子将外罐顶部封好后,将它放人恒温控制水播,使水刚好超过盖子的顶部。水通过盖子上的泵加入,使内罐保持恒定的温度环境。实验在GB/T19205规定条件下进行,以kJ/g为单位的高位发热量。A.2 量热计原理此量热计的目标是测量怪类燃料气完全燃烧后释放的热量。在量热计中,可通过向充分搅拌液体释放热量后,测量液体温度的升高来实现。在燃烧中释放的热量等量传给了量热计,引起温度升高。量4
11、 、GB/T 31253-2014 热计升高1C需要的能量燃烧试验的平均温度一致,通过电子技准试验决定。理想的量热计是将其与环境热隔离,目的是为了使观测到的量热计温度变化仅由燃烧引起。在实际操作中,量热计不可能完全与环境隔离,使用恒温控制的夹套将量热计包裹,对水池及各种能量源进行修正,将基准量热计设计为独立环境仪器。图A.2表示了典型试验中温度与时间曲线(燃烧或校准).在预定的温度开始收集数据,出于上面介绍了影响因素,量热计的温度会升高,这是前期z在tb时,升温期开始,燃烧试验开始,或校准加热器打开,升温期持续.T T d T. 1. t e 注z此量热计为等环境型,意味着温度可能跟随环境温度
12、波动.圄A.2量热计典型测量周期中温度时间曲线在热量输入后,升温期还将持续到儿,使量热计达到平衡z这时后期开始,在该时期,仍在升高的温度是客观影响引起的。升温期中观测到的温度升高是由燃烧生成的能量及三个客观影响引起的,客观影响引起的温度升高可通过前期和后期温度升高数据进行校正,量热计在前期及后期温度变化率由式(A.l)给出z式中zT一一量热计的温度sTj一一夹套温度zdT dt =u+k(Tj-T) u一一温度计及搅拌器能量输入常数zh一一通过牛顿制冷定律得到的夹套热损失的制冷常数。. .( A.l ) 如经过很长时间,量热计的温度将超过夹套温度达到Tinf该点dT/dt =0,从式(A.l)
13、得到Tj=T inf-u/k,将Tj代人式(A.l):dT d =k(Tinf-T) ( A.2 ) 将式(A.2)求积分zT=Tinf一(Tinf - To)exp(- kt) . . ( A.3 ) 此处T=To,t=o与前期及后期是不相同的。前期及后期的温度与时间关系通过线性回归用于式(A.2)。将Tf和T.作为前期及后期的中间温度,用gf及g.表示等量的dT/巾,通过式(A.2)消除Tinf,得到zk=gf-g. 一一T.-Tf .( A.4 ) 5 GB/T 31253-2014 及T;., = grT. - g. Tr -inf -gr-g. ( A.5 ) 使用品及Tinf值啕合
14、式(A.3),用前期及后期的线性回归温度比exp(-kt),得出了Tinf及To的正确值,两个时期的Tinf值是相同的。以此新定值,在时间为t.和t.时,主要加热期开始及结束时的温度值可以用式(A.3)进行内插.由于存在其他的能量源,校正后的温度升高值由温度升高值(T.-Tb)减去T.,.得到,式(A.2)求权分可得到该校正值z所以T四=kf (T inf -T)也T =k (T inf - T m) (t. - tb) Tm=一一ITdt (t.-tb)J .( A.6 ) .( A.7 ) ( A.8 ) Tm为升温期的中点温度,它可以通过温度与时间数据关系,利用梯形规则求数的积分得到,它
15、不一定等于(Tb+T.)/2.A.3 操作A.3.1 温度测量及数据收集铀电阻温度计每3秒记录一次电阻率读数。25.n的标准电阻浸入一温度控制在20c油播中,测量的电阻温度稳定性好于0.1C,通过电阻校准曲线,可以计算25.n电阻的值。量热计控制计数据收集传到工作站,试验完成后进行数据处理。A.3.2 气体燃烧样品气在玻璃反应器内燃烧,玻璃反应器漫设在内罐的水中,特纯的氧气与氧气混合后,通过反应器的一臂进入燃烧池,于第二个臂提供燃料气混合,氧气作为缓合剂,使火焰远离顶部,避免样品分解、热量传递到臂及在顶部形成碳。第二个氧气进气通过第三个臂进入反应器提供的富氧环境。锦金电极产生的火花正好在燃烧池
16、上方,汽车点火线圈对气体连续进行20kV脉冲点火,电能由反应器内两条臂中的电线供给。使用250mL钢瓶充满样品气,钢瓶重约190g,试验中约有1g气体燃烧,每次试验前后使用天平可读至10-5g)对钢瓶进行称量,津力的变化可以量化,可以使用一相同大小、有同样外部体积的空钢瓶同时称量,空钢瓶重量的变化用来校正使用气体的重量。气瓶由控制精确的针型阀控制,并通过一臂连接到反应器。在前期的尾段,电脑打开两个阀通人氧气以及氧气。电脑信号的60s后,操作者手工打开钢瓶阀。同时电脑自动点火。一旦点火成功后,操作者连续调整针型阀达到连续气流。使得燃烧获取的升温速率与标定时一致。气体燃烧结束后,操作者关掉样品气,
17、计算机打开氧气,清洗针型阔及管线,确保所有离开钢瓶的气体全燃烧,30s后关掉所有气体,仪器继续到后期结束,移开钢瓶并称钢瓶重量。燃烧后热的气体离开反应器,经过热交换器,将它的能量传给水,以当时量热计的温度下离开量热计,而后气体进入串联的三个水吸收管和电子的一氧化碳监控器。一氧化碳监控器用来检测是否完全燃烧,检测试验用来调节氧气,主要及次要氧气的流速,在仍能点燃气体的情况下,尽可能减少一氧化碳的含量。水分吸收管中装有高氯酸镜,在天平上称量时,使用对比管来校正津力的变化,高氯酸镜吸收水后,它的体积膨胀率为0.6cm3/g.膨胀的体积将置换管中相等的体积,结果是明显的质量损失。这GB/T 31253
18、-2014 种损失计算后用来校正水分质量。用干燥的氧气通过刚装的管子,使它老化12h. 燃烧中生成的大部分水仍以液态形式留在反应器中。但是,在燃烧时约有10%的水以水蒸气形式离开了反应器,这些水约有470J的冷凝热没有释放出(2441.78 J g-l) .试验结束后,反应器外排臂用氧气冲洗20min.将所有在臂中的水分转移到水分吸收管中。这也确保了吸收管在第一次称量时充满了氧气,管子随后被移开并称量,并随后对能量平衡进行校正.将水吸收管再次连接到反应器出口,用氧气整夜排出残留水分,这水分使能量等式在此增加。通过多次增加水热容一半与此质量与温度升高的乘积来校正温度的升高。大致12J. A.3.
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