燃气热值仪（天然气热值仪的应用探讨）

1 天然气热值仪的应用探讨 蒋泰毅 匡美玉 王虹 （武汉四方光电科技有限公司 武汉 430074） 摘 要：本文对比了天然气热值分析的三种主要：水流式热量计、燃烧式热值仪、红外分析热值仪。 并分析了这三种方法的应用特点：水流式热量计操作复杂，对测试环境条件要求高；燃烧式热值仪可实现 连续热值分析，但测试结果受燃烧喷嘴进气压力的变化影响较大；红外分析热值仪燃气体积成分计算热值， 可实现快速、便携热值分析，且精度能满足热值计价要求。 关键词：天然气 热值仪 热量计 1 前言 天然气是一种干净、方便、优质、高效的能源, 已经是国际能源市场上的重要商品。由于不同产地或 不同形式获得的天然气，其物理、化学性质各有不同， 组分、热值、密度和燃烧特性等均存在很大差异。在 天然气交易时,天然气的热值与密度是表明天然气质 量的重要参数，其中热值直接影响交易价格。实施天 然气热值计价可体现按质论价的原则，这是与国际惯 例接轨的需要，有助于中国天然气工业的发展。 目前城市燃气界，一般用水流式热量计、燃烧式 热值仪测定燃气热值，或者根据燃气体积成分计算。 其中使用体积成分计算可直接换算成摩尔成分，有利 于和国际接轨，并把各种方法得到的热值归结到 统一的基础上。本文从热值分析原理出发，探讨不同 方法在天然气热值分析应用中的适用性。 2 热值分析方法 天然气热值分析通常采用水流式热量计、燃烧式 热值仪和红外分析热值仪等不同方法，原理如下文。 2.1 水流式热量计 水流式热量计测量热值原理是一定量的燃气试 样，在恒定压力和同等温度的空气条件下完全燃烧， 将燃烧后的气体生成物冷却至原先燃气温度并将燃气 中含氢的组分所生成的水蒸气冷却成冷凝水，这些总 的热量都由水流完全吸收下来，从而经过热量计的水 量和水流温升计算出燃气的测试热值，再将测试过程 中各种必须考虑的修正值换算至标准状况下的燃气热 值。如此测得燃气热值称为高位热值，也称为总热值 或毛热值。高位热值减去燃气试量冷凝水量的气化热 即该燃气的低位热值。 图 1 水流式热量计测量天然气热值装置 2.2 燃烧式热值仪 燃烧式热值仪是应用热平衡原理测量净热值的。 当燃气与空气混合燃烧，排气温度在5°C 范围内的稳 2 定性进行测量的。当燃烧温度随着燃气的质量变化时， 相应地调节冷空气的量被加进来。冷空气的量与测量 值成比例关系，由此可计算出净热值。 图2 燃烧式热值仪结构 2.3 红外分析热值仪 异种原子构成的分子在红外线波长区域具有吸收 光谱，其吸收强度遵循郎伯—比尔定律。当对应某一 气体特征吸收波长的光波通过被测气体时，其强度将 明显减弱，强度衰减程度与该气体浓度有关，两者之 间的关系遵守朗伯-比尔定律。因此通过检测红外光吸 收率的变化可以得到天然气中的甲烷等成分的体积浓 度。将每种可燃气体的单位发热值乘以相应组分的体 积百分数，各组数据之和即为混合气体的热值。图3 为红外光谱检测传感器的典型结构。 1—红外光源； 2—气室； 3—滤光片； 4—红外传感器； 图3 红外光谱检测传感器结构 3 不同方法热值仪应用分析 燃气热值是城市燃气分析中的重要指标。随着西 气东输工程的快速拓展，燃气热值指标也正在成为重 要的民生指标。国际标准要求，根据天然气的摩尔成 分用计算方法计算天然气的热值与密度。针对常用的 热值分析仪应用特点对比如下： 3.1 水流式热量计应用分析 水流式热量计由热量计主体和标准容积瓶、湿式 流量计、皮膜调压器、钟罩水封式稳压器、燃气增湿 器、空气增湿器及燃烧器等组成的。主体是不锈钢外 壳，采用48支Φ8.5×0.5mm竖管束热交换器结构，热 交换器接头银焊，整体镀铬，可提高耐腐蚀性。 水流式热量计对测试环境要求较高。检定开始 前，燃气增湿器、湿式气体流量计、气体稳压器内的 水温应与室温达到平衡，其温差不超过±0.5℃。检定 室内应没有热辐射影响、没有强空气对流，检定过程 中室温波动不超过±1℃。 水流式热量计对人工操作也提出了较高的要求。 测试前需要用标准容积瓶校正湿式流量计，控制和调 节空气相对湿度和及出口水温差。测试时需要连续测 试3次，并计算热值和相对极差。当相对极差大于0.5% 时测试结果无效，还需要重新测量。 水流式热量计的分析周期通常在 10-15 分钟，对 操作人员素质要求较高，所以无法满足城市供气在线 自动热值分析的要求。 3.2 燃烧式热值仪应用分析 燃烧式热值仪可对天然气的华白数、相对密度、 热值进行连续、在线的自动检测和提供控制用信号。 实际应用中热值仪检测准确度还受到以下因素的影 响： 1) 根据热值仪的技术要求，热值仪燃烧喷嘴进气压 力必须与热值仪本身的风压保持一致，即400 Pa，压力偏离此值，则会使热值仪检测结果产生 偏差。试验发现燃烧喷嘴燃气进气压力的变化与 热值、华白数的变化基本上成正比关。要确保检 3 测结果符合热值仪测量精度2％的要求，进气压力 不能超过(400±8)Pa； 2) 用于标定热值仪的标准气则是恒定组成、恒定相 对密度。而出厂燃气相对密度的波动范围很宽， 也就是说，出厂燃气相对密度不可能与标准气完 全一致。实际应用中发现燃气相对密度与标准气 相对密度相差越大，热值仪检测误差就越大，需 要对检测结果进行修正； 3) 燃烧器对进气条件提出一定要求，样气处理效果 的好坏将直接影响到热值测量任务的成败；实际 应用中由于预处理系统问题出现进气喷嘴堵塞现 象较多，需要进行特别维护。 3.3 红外分析热值仪应用分析 红外测量方法可得到气体体积浓度，根据可燃气 体的单位热值计算得到实际热值，同时实现了成分分 析和热值分析。国际标准要求，根据天然气的摩尔成 分用计算方法计算天然气的热值与密度，《GB/T11062 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方 法》也是参照国际标准制定的国家参考标准。而使用 体积成分计算可直接换算成摩尔成分，有利于统一天 然气的按质计价标准。 相比较于其他气体浓度测试方法，如色谱仪等， 红外分析还具有快速、操作简单、易于便携、高性价 比等特点。 在实际应用中，红外分析热值仪还需要克服以下 问题： 1) 大多数红外分析仪仅以CH4为测试对象，折合成 碳氢化合物总量计算热值。天然气中主要成份是 甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、 等成分。根据红外吸收原理，如图4，乙烷等碳氢 化合物在甲烷的特征波长3.3um左右有明显吸收 干扰。当天然气中其他碳氢化合物含量较大时， CH4的测试值会明显偏大，导致热值测试不准。 为避免此问题，通常采用实际天然气标准样来标 定红外仪器。但当天然气气源发生变化或进行混 气操作时，无法反应成分的实际变化和气源的单 位热值变化，其热值测试值也无法保证精度。 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 图4：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的红外吸收光谱 Gasboard天然气热值仪，采用了特殊的滤波技术， 可实现无干扰的CH4测量，准确反应天然气中甲 烷成分的实际变化，有利于热值的准确分析。 2) 天然气成分中除甲烷外，还含有其他可燃气 成分，如乙烷等，也是天然气热值来源的重要部 分。在保证CH4的测试准确性条件下，同时测量 CnHm，计算热值，可保证热值实际测试的精确度。 图4中乙烷、丙烷、丁烷的吸收峰在3.4um左右重 叠，使用红外吸收原理无法完全独立分离测试这 些碳氢化合物。同时乙烷、丙烷、丁烷等的单位 热值也存在较大差异，测试CnHm总量时，需要选 择合适的吸收波长和热值当量，以保证计算热值 的准确性。 Gasboard天然气热值仪针对天然气的成分特点， 采用了合适的当量测试CnHm总量，对除去CH4以 外的碳氢化合物热值进行准确测量，保证了天然 气实际热值的测试精度。 4 结论 本节对使用中的三种不同天然气热值检测方法进 行比较并如下： 水流式热量计操作环节复杂，对测试环境条件要 求高，测试过程长，受人为因素影响较大，无法满足 在线自动热值分析要求，可作为实验室参比方法使用。 燃烧式热值仪自动化程度高，但燃烧条件对测试 结果影响较大，如进气压力、气源变化等，需要针对 性做修正调整。为保证连续运行效果，对样气预处理 系统也提出较高要求。 红外分析热值仪可准确测试天然气中CH4和 4 CnHm的含量，反应天然气中实际成分的变化并得到准 确的热值，有利于天然气的质量评估，有利于和国际 标准和国家标准要求接轨。仪器结构简单，可灵活应 用于现场或实验室测试。应用时也要注意采样预处理 的要求，避免光学池污染造成的仪器误差。 参考文献 [1] 国家质量技术监督局，GB/T11062 天然气发热量、 密度、相对密度和沃泊指数的计算方法（S） [2] 熊友辉，蒋泰毅.电调制非分光红外气体传感器 [J].仪表技术与传感器，2003（5）：4-9. 天然气热值仪的应用探讨 1前言 2热值分析方法 2.1水流式热量计 2.2燃烧式热值仪 2.3红外分析热值仪 3不同方法热值仪应用分析 3.1水流式热量计应用分析 3.2燃烧式热值仪应用分析 3.3红外分析热值仪应用分析 4结论 参考文献