混空輕烴燃氣密度計算方法的研究

樊玉光,魏 嘉,張 碩,史冬雨

西安石油大學機械工程學院 （陜西 西安 710065）

根據標準CJ/T 341—2010《混空輕烴燃氣》，混空輕烴燃氣是以輕烴燃料為原料，經過工藝裝置氣化與空氣形成的混合燃氣[1]。其使用的原料大部分為C5、C6組成的烴類混合物，這種烴類在常溫下為液態，將這種混合烴氣化后，按照一定比例與空氣混合后變成氣態燃氣供工業或者居民使用。

混空輕烴燃氣除了具備與天然氣相同的特點，如使用方便、清潔環保的優勢外，作為城市燃氣還將大大提高石油冶煉副產品的工業價值，優化能源資源的合理配置。混空輕烴燃氣的生產過程中，其產量的計算必須依靠混合燃氣的密度來計算液態輕烴可以生產的輕烴混合燃氣。在混合燃氣的運輸過程中，混合燃氣的密度關系到管路以及動力設備的選擇；在混合燃氣的儲存過程中，混合燃氣的密度是決定燃氣儲存方式的重要因素。另外，混合燃氣的密度及相對密度對于燃氣的安全保障措施有重大意義，例如根據其相對密度的大小就可以判斷當這種燃氣泄漏時，泄漏氣聚集的位置，對于人員的疏散方式至關重要。但在CJ/T 341—2010《混空輕烴燃氣》中，對于混空輕烴燃氣密度沒有明確的計算方法。

1 混空輕烴燃氣密度的理論計算方法

混空輕烴燃氣密度的理論計算方法需要先通過理想氣體狀態方程PM=ρRT，計算理想氣體的密度壓縮因子Z進行修正，將理想氣體的密度轉換成真實氣體的密度，具體方法如下。

1.1 理想氣體密度的計算方法

理想氣體的密度：

式中：ρ0為理想氣體的密度，g/m3；P為理想氣體的壓力，Pa；M為混空輕烴燃氣的摩爾質量，g/mol；R為摩爾氣體常數，J/（mol·K）；T為絕對溫度，K。

理想氣體的相對密度：

式中：S0為理想氣體的相對密度；Mair為標準組成干空氣的摩爾質量，g/mol。

1.2 燃氣真實氣體密度計算方法

真實氣體的密度：

式中：ρ為真實氣體的密度，g/m3；Zmix為真實氣體的壓縮系數。

真實氣體的相對密度：

式中：S氣為真實氣體的相對密度；S0為理想氣體的相對密度；Zair為標準組成干空氣的壓縮因子；Zmix為氣體的壓縮因子。

2 混空輕烴燃氣密度的標準計算方法

2.1 密度計算標準的選擇

在與燃氣有關的標準中，GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》[2]、GB 13612—2006《人工煤氣》[3]、GB 17820—2012《天然氣》[4]、GB/T 12206—2006《城鎮燃氣熱值和相對密度測定方法》[5]、GB/T 13611—2006《城鎮燃氣分類和基本特性》[6]，GB/T 3345—2016《煤制合成天然氣》[9]、CJ/T 341—2010《混空輕烴燃氣》[1]中對于燃氣密度的計算均是采用GB/T 11062—2014《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》[8]中的方法。

在GB/T 11062—2014《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》中規定：已知用摩爾分數表示的氣體組成時，計算干天然氣、天然氣代用品和其他氣體燃料的高位發熱量、低位發熱量、密度、相對密度及沃泊指數的方法[8]。

本標準適用于任何干天然氣、天然氣代用品以及通常是氣體狀態的其他燃料。所以對于混空輕烴燃氣，也可以使用這個標準來進行密度的計算。GB/T 11062—2014標準同時也提到對于以體積為基準的物性計算，本方法僅限于組成中甲烷摩爾分數不小于0.5的氣體。所以需要判斷GB/T 11062—2014標準對于甲烷摩爾分數大于0.5的混空輕烴密度計算的準確性。

2.2 根據GB/T 11062—2014計算混空輕烴的密度

2.2.1 方法提要

當已知氣體組成時，先對氣體混合物中所有組分的理想氣體物性值，按各自相應的摩爾分數進行加權，然后將所有各項加和后，得到理想氣體混合物的物性值。對于以體積為基準的物性值，通過使用壓縮因子將其轉化為真實氣體的物性值[8]。

2.2.2 混空輕烴密度的標準計算

GB/T 11062—2014《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》進行計算燃氣密度的方法與理論計算方法類似，只是在計算真實氣體密度及相對密度時，需要根據標準中壓縮因子的計算方法和參數。

由多種單一氣體組成的天然氣壓縮因子Zmix的計算公式如下：

式中：xi為混空輕烴組分i的摩爾分數；bj為求和因子；Zi為在不同溫度與壓力下的各種組分的壓縮因子。在GB/T 11062—2014中給出了不同參比條件下的壓縮因子Zi和求和因子bj。

3 混空輕烴燃氣實例計算分析

進行混空輕烴燃氣實例計算，液體燃料的成分見表1。

表1 輕烴成分組成表 /%

燃料氣化后分別按照體積分數1:4、1:3、1:2與空氣進行混合，制成混空輕烴燃氣。對其分別使用理論方法和標準GB/T 11062—2014中的方法進行密度計算，計算結果見表2。

標準計算方法和已知物性均是來自于GB/T11062—2014《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》，由于標準GB/T 11062—2014提到本方法僅局限于組成中甲烷摩爾分數不小于0.5的氣體[8]。究其原因是標準方法不宜用于人造氣體壓縮因子的計算，實際使用中代替或者提高天然氣效能的氣體，其組成不同于天然氣，使用這種方式進行計算后，預期不確定度難以估計[9]。所以，針對這種混空輕烴的密度計算，需要判斷其準確性。

表2 混空輕烴密度計算結果

利用理論計算得到的混空輕烴的密度與使用標準計算得到的密度在燃空比分別為1：2、1：3、1：4時的誤差分別為6.8%、5.7%、7.3%。故針對這種混空輕烴燃氣，在工程要求誤差在10%以內時可以使用這個標準的計算方法進行密度的計算。

4 結論

混空輕烴燃氣作為一種前景廣闊的新型能源，完善其密度計算方法對這種燃氣的生產使用和推廣均有重要作用。

經過對混空輕烴燃氣的分析，整理出這種新型燃氣的密度理論計算方法。參考天然氣密度的計算標準，結合混空輕烴燃氣實際案例進行計算。針對混空輕烴密度計算中的誤差，判斷標準GB/T 11062—2014《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》的準確性及適用范圍。

參考文獻：

[1]住房和城鄉建設部城鎮燃氣標準技術歸口單位.混空輕烴燃氣:CJ/T 341—2010[S].

[2]中華人民共和國建設部.城鎮燃氣設計規范:GB 50028—2006[S].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[3]中華人民共和國建設部.人工煤氣:GB/T 13612—2006[S].北京:中國標準出版社,2007.

[4]全國天然氣標準化技術委員會.天然氣:GB 17820—2012[S].北京:中國標準出版社,2012.

[5]中國市政工程華北設計研究院.城鎮燃氣熱值和相對密度測定方法:GB/T 12206—2006[S].北京:中國標準出版社,2007.

[6]中華人民共和國建設部.城鎮燃氣分類和基本特性:GB/T 13611—2006[S].北京:中國標準出版社,2007.

[7]全國煤化工標準化技術委員會煤制化學品分技術委員會.煤制合成天然氣:GB/T 3345—2016[S].北京:中國標準出版社,2016.

[8]全國天然氣標準化技術委員會.天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法:GB/T 11062—2014[S].北京:中國標準出版社,2015.

[9]全國天然氣標準化技術委員會.天然氣壓縮因子的計算第1部分:導論和指南:GB/T 17747.1—2011[S].北京:中國標準出版社,2012.