GB/T 30491.1-2014 天然气 热力学性质计算 第1部分：输配气中的气相性质

ICS75.060

E24

中华人民共和国国家标准

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

天然气热力学性质计算

天

:

第部分输配气中的气相性质

1

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

——

NaturalasCalculationofthermodnamicroerties

gypp

:

Part1Gashaseroertiesfortransmissionanddistributionalications

ppppp

(:,)

ISO20765-12005IDT

2014-02-19发布2014-06-01实施

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

发布

中国国家标准化管理委员会

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

目次

前言…………………………Ⅰ

1范围………………………1

2规范性引用文件…………………………1

3术语和定义………………1

4方法的热力学基础………………………2

4.1原理…………………2

4.2亥姆霍兹自由能基本方程…………2

4.2.1概述……………2

4.2.2亥姆霍兹自由能………………2

4.2.3理想气体的亥姆霍兹自由能…………………3

4.2.4剩余亥姆霍兹自由能…………3

4.2.5折算亥姆霍兹自由能…………4

4.3由亥姆霍兹自由能导出的热力学性质……………4

4.3.1概述……………4

4.3.2热力学性质方程………………5

5计算方法…………………7

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

5.1输入变量……………7

5.2压力到折算密度的转换……………7

5.3运算…………………7

6应用范围…………………8

6.1压力和温度…………………………8

6.2管输天然气…………………………8

7不确定度…………………9

7.1管输气的不确定度…………………9

7.1.1甲烷的不确定度图……………9

7.1.2天然气的不确定度图…………10

7.2输入变量不确定度的影响…………12

8结果报告…………………12

()

附录规范性附录符号和单位………………………

A14

()

附录规范性附录理想气体的亥姆霍兹自由能……………………

B17

()

附录规范性附录亥姆霍兹自由能方程……………

C20

()

附录规范性附录状态方程的详细表述……………

D22

()

附录资料性附录微量组分的赋值…………………

E28

()

附录资料性附录运算步骤…………

F30

()

附录资料性附录示例………………

G32

参考文献……………………39

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

前言

/《》:

GBT30491天然气热力学性质计算分为个部分

3

———:;

第部分输配气中的气相性质

1

———:(,);

第部分延伸应用中的单相性质气相液相和高密度流体

2

———:()。

第部分两相性质气液平衡态

3

本部分为/的第部分。

GBT304911

本部分按照/—给出的规则起草。

GBT1.12009

本部分使用翻译法等同采用:《:

ISO20765-12005天然气热力学性质计算第部分输配气中的

1

气相性质》。

与本部分中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下:

————力学的量和单位(:);

GB3102.31993evISO31-31992

q

————热学的量和单位(:);

GB3102.41993evISO31-41992

q

———/—气体分析词汇(:,);

GBT148502008ISO75042001IDT

———/—天然气压缩因子的计算第部分:用摩尔组成进行计算(ISO

GBT17747.220112

:,);

12213-22006MOD

———/—天然气词汇(:,)。

GBT206042006ISO145322001IDT

本部分做了下列编辑性修改:

**

———“”“”;

附录中的符号E改为E

Anii

jj

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

**

———附录中的符号改为。

AGniGi

jj

Ⅰ

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

天然气热力学性质计算

:

第部分输配气中的气相性质

1

1范围

/、

GBT30491的本部分规定了天然气含人工掺和物的天然气和其他类似混合物仅以气体状态存

在时的体积性质和热性质的计算方法。

本部分适用于输气和配气过程中在一定压力()()。(

和温度范围内的管输气体对于体积性质压

pT

),()。[,,

缩因子和密度计算的不确定度约为置信区间对于热性质如焓热容焦耳汤姆森

±0.1%95%-

(),],。

JouleThomson系数声速计算的不确定度通常更大一些

-

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文件其最新版本包括所用的修改单适用于本文件

:(—:)

量与单位第部分力学

ISO31-33QuantitiesandunitsPart3Mechanics

:(—:)

量与单位第部分热学

ISO31-44QuantitiesandunitsPart4Heat

气体分析词汇(—)

ISO7504GasanalsisVocabular

yy

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

:(—

天然气压缩因子的计算第部分用摩尔组成进行计算

ISO12213-22NaturalasCalculation

g

—:)

ofcomressionfactorPart2Calculationusinmolarcomositionanalsis

pg-py

天然气词汇(—)

ISO14532NaturalasVocabular

gy

3术语和定义

,和界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

ISO31-3ISO7504ISO14532

:。

注本部分给出的符号和单位列表详见附录A

3.1

热性质caloricroert

ppy

能够通过基本状态方程进行计算的气体或均质气体混合物的特性。

:、、、、、、。

注适用于本部分的热性质包括内能焓熵等容热容等压热容焦耳汤姆森系数等熵指数和声速

-

3.2

状态方程euationofstate

q

气体或均质气体混合物各个状态变量之间的数学关系式。

:。、,、

注使用本部分需区分两种状态方程即表征压力温度和体积之间关系的体积状态方程和表征密度温度和亥姆

霍兹()自由能之间关系的基本状态方程。

Helmholtz

3.3

剩余性质residualroert

ppy

(),

由气体或均质气体混合物的非理想真实气体状态产生的热力学性质即在相同温度和密度条件

,

下真实气体或气体混合物的某项热力学性质与该气体或混合物以理想状态存在时同种性质之间的

差异。

1

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

3.4

热力学性质thermodnamicroert

yppy

体积性质或热性质。

3.5

体积性质volumetricroert

ppy

通过体积状态方程进行计算的气体或均质气体混合物的特性。

:。

注适用于本部分的体积性质包括压缩因子和密度

4方法的热力学基础

4.1原理

:。、

本方法所使用的方程是基于这样的概念管输天然气的热力学性质可由组成来表征和计算组成

,。,,

温度和密度用作计算方法的输入数据实际上可作为输入数据的状态变量是温度和压力这种情况

,。

下首先应该将这些变量转化为温度和密度

、,,

本部分给出的方程表达了气体的亥姆霍兹自由能与密度温度和组成的函数关系从这些方程根

据亥姆霍兹自由能及其对温度和密度的导出函数即可求得所有的热力学性质。

。。

该计算方法需要对气体进行详细的摩尔组成分析分析包括摩尔分数超过0.00005的所有组分

,,、。,

对典型的管输气分析组分包括碳数最高到C或C的所有烃类以及氮二氧化碳和氦通常C以

785

,。

上的烷烃异构体按分子量归类并按正构烷烃进行计算

,、、。,

对于部分天然气分析需考虑如CC水蒸气和硫化氢等组分对于人造煤气氢气和一氧化碳

910

也可能是重要的组分。

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

,,(),

具体而言本方法涉及种组分包括天然气中的所有大量组分和微量组分见天然气中存

216.2

在的种特定组分之外的任何微量组分可被赋值给某个特定组分进行计算。

21

4.2亥姆霍兹自由能基本方程

4.2.1概述

[]

1

,

1992年美国气体协会输送计量委员会发布的AGA8方程可以用于高准确度的压缩因子计算在

。,,

ISO12213-2中也有规定此后尽管计算的准确度未被完全证实但该方程仍被用于计算天然气的各

种热力学性质。

,:

为了更好地将AGA8方程应用于热力学性质的计算需要注意以下两点

),。

a该方程最初给出的形式只能计算体积性质应数学改写为剩余亥姆霍兹自由能的形式虽然

[]

2

,。

如此最初开发的方程实际上是亥姆霍兹自由能形式的基础方程该方程的本质是通过亥

姆霍兹自由能及其对温度和密度的导出函数计算所有的剩余热力学性质。

),。

b对于热性质计算理想气体亥姆霍兹自由能的计算公式应为温度的函数过去的大部分理想

[],[]

34

,

气体公式均为计算等压热容等参数因此选择的公式应经过改写才能计算亥姆霍兹自由

。。

能计算时同样需要亥姆霍兹自由能对温度和密度的导出函数

。

理想和剩余亥姆霍兹自由能公式是用解析式的形式给出与其相关的计算热力学性质所需函数因

,,,。

此不需要使用计算机程序内的数值微分或积分从而避免了数值问题也缩短了计算时间

,。

本部分所提出的计算方法非常适合用于过程模拟程序尤其适用于天然气输配应用中使用的程序

4.2.2亥姆霍兹自由能

一致的压力温度下均质气体混合物的亥姆霍兹自由能()可表达为理想气体行为的部分()和描

ff

o

2

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

(),():

述剩余或真实气体行为的部分之和如方程所示

f1

r

(,,)(,,)(,,)…………()

fTX=fTX+fTX1

ρoρrρ

/(·),():

改写为无量纲的折算自由能=RT形式得到方程2

φf

(,,)(,,)(,,)…………()

δτX=oδτX+rδτX2

φφφ

式中:

X———表示混合物组成的变量;

———(),,():

反向的折算温度无量纲与温度相关见方程

τT3

/…………()

τLT3

=

式中:

———()。

1开尔文

LK

()(),。

在方程和方程中涉及摩尔密度和折算密度而不是普通的输入变量压力这是因为在

12ρδp

,。,

统计热力学中亥姆霍兹自由能与混合物中相互作用的分子的数量和类型相关因此亥姆霍兹自由能

是分子的摩尔密度和摩尔分数的自然函数。

,():

折算密度和摩尔密度相关如方程所示

δρ4

3·…………()

δK4

=ρ

式中:

K———混合物尺寸系数。

(),

折算亥姆霍兹自由能中的理想部分通过理想气体状态下的等压热容公式获得见4.2.3剩余

o

φ

()。

部分则由AGA8状态方程来进行计算见4.2.4

ris

φ

4.2.3理想气体的亥姆霍兹自由能

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

理想气体的亥姆霍兹自由能可通过焓()(),():

和熵进行计算如方程所示

hs5

oo

(,,)(,)··(,,)……()

TXhTXRTTsTX5

f=--

oρooρ

()()(),()(),

焓和熵可依次利用理想气体的等压热容,进行计算如方程和方程所示积分范围

hsc67

ooop

从T~T。

θ

(,)…………()

,,

hTXcdTh6

o=op+oθ

∫

N

,

cpæöæTö

oρ

(,,)·ç÷·ç÷··………()

,

sTXdTRlnRlnsRxlnx7

oρ=∫-èø-èTø+oθ-∑ii

Tθθ

ρi1

=

,,

对于理想的纯气体零熵和零焓的参比状态为T=298.15K和p=0.101325MPa随后确定积

θθ

。()/(·)。

分常数和以便符合这一定义参比理想密度通过获得

,,

hs=pRT

oθoθθθθθ

ρρ

()(),[/(·)]、,

利用方程和方程折算亥姆霍兹自由能可改写为和的函数见方

67=fRTδτX

oo

φ

程():

8

·τ

,,,æö

chτcδ

opoθopæöθ

(,,)ç÷ç÷

dln

δτX=-ττ1dτln+

o+-++

φ2

∫··∫·èδøτ

RτRLRτθèø

N

,

s

oθ·…………()

-+xlnx8

∑ii

R

i1

=

该方程的详细表述见附录B。

4.2.4剩余亥姆霍兹自由能

。、

本部分使用AGA8方程计算剩余亥姆霍兹自由能AGA8方程表达为压缩因子与折算密度反向

,():

的折算温度和组成的函数关系式见方程9

1858

·

Bδuubkk

nnnnn…()

···(··)(·)

Z1δCτCτδbckδexcδ9

=+3-∑n+∑nn-nnp-n

K

n=13n=13

3

/—/:

GBT30491.12014ISO20765-12005

式中:

B———第二维里系数;

,,,———方程系数和组成函数;

bcku

nnnn

C———是组成函数。

n

压缩因子与剩余折算自由能的关系见方程():

Z10

φr

·…………()

,

Z1δ10

=+rδ

φ

式中:

———在常数和处对折算密度的偏导数。

τX

,

rδr

φφ

()(),,():

联合方程和方程结合折算密度得到计算剩余亥姆霍兹自由能的方程

91011

1858

·

Bδuubk

(,,)nnn