GB/T 35211-2017 天然气发热量的测量 连续燃烧法

　　ICS 75 . 060 E 24

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 3521 1—2017

　　天然气发热量的测量 连续燃烧法Measurementofnaturegascalorificvalue—Continuouscombustion

　　2017-12-29 发布 2018-07-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 352 1 1—20 17

　　GB/T 352 1 1—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—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/TC 244)归口 。

　　本标准起草单位：中国石油西南油气田分公司天然气研究院、中国计量科学研究院。

　　本标准主要起草人：张露露、唐蒙、潘春锋、王海峰、罗勤、周理、常宏岗。

　　GB/T 352 1 1—20 17

　　天然气发热量的测量 连续燃烧法

　　1 范围

　　本标准规定了连续燃烧法气体热量计测量天然气发热量的测定方法。

　　本标准适用于 30 MJ/m3 ~40 MJ/m3 天然气高位发热量的测量。

　　注：在有合适的标准气时，天然气高位发热量测量范围可以扩大。

　　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(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 5274 气体分析 校准用混合气体的制备 称量法

　　GB/T 11062—2014 天然气 发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法

　　3 测量原理

　　一定量的气体，通过湿式气体流量计进入燃烧室完全燃烧，再通过热交换器，将燃烧产生的热量传递给吸收介质，使得介质的温度随之升高。 根据检测介质升高的温度获得该气体的发热量。

　　在燃烧测量过程中，采用同一个电动机驱动装有燃气和热吸附介质的湿式流量计。 流量计置于恒温槽中，水面保持稳定并控制在一定温度，通过调节水温控制燃气和助燃空气的温度，气体燃烧产生的水蒸气冷凝成液态，测得气体的高位发热量值。

　　4 试验条件

　　4. 1 环境温度：维持房间温度 22.5 ℃ ~24.5 ℃ ,温度波动不大于 0.3 ℃。

　　4.2 水温：22.0 ℃ ~23.0 ℃ ,温度波动不大于 0.3 ℃。

　　4.3 环境相对湿度：范围 40%~60%,每 4 h 变化不超过 5%。

　　5 材料

　　5 . 1 标准气

　　5 . 1 . 1 甲烷

　　纯度(摩尔分数)不小于 99 .995% 。

　　5 . 1 . 2 发热量测定用标准气

　　按 GB/T 5274 制备或从国家认可的生产单位购买。

　　需两种发热量大于甲烷的标准气，分别是 HH 和 HL,均为甲烷和乙烷混合气，其中 HH 为甲烷

　　(摩尔分数，下同)87 . 7% 、乙烷 12 . 3% ; HL 为甲烷 93 . 4% 、乙烷 6 . 6% 。

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　　需两种发热量小于甲烷的标准气，分别是 LH 和 LL,均为甲烷和氮气混合气，其中 LL 为 甲烷

　　91.3%、氮气 8.7% ; LL 为甲烷 82.5%、氮气 17.5%。

　　5 . 2 核查气

　　需两种核查气，一种为发热量大于甲烷并小于 HH 的气体，为 QH;另一种为发热量小于甲烷并大于 LL 的气体，为 QL。核查气无组分规定，发热量应稳定，其变化应小于 0.050 MJ/m3 。

　　6 仪器与设备

　　6 . 1 发热量直接测定系统

　　发热量测定系统由气体减压单元、连续燃烧式热量计(以下简称热量计)、信号采集及处理单元构成。

　　6 . 2 气体减压单元

　　气体从钢瓶进入气体减压面板，经过两级减压到 5 kPa,进入传输管线。气体从传输管线进入气体分配面板，压力再次降为 1 kPa~2 kPa,输入热量计。

　　6 . 3 热量计

　　热量计带有两个水流式流量计，采用同一个电动机驱动燃气和助燃空气的流量，并保持固定的比例

　　进入燃烧室燃烧。热量计的测量误差低于 0.3%。热量计主体结构示意见图 1。

　　说明：

　　1 — 空气分配器;

　　2 — 燃烧室;

　　3 — 温度计;

　　4 — 吸热介质流量计;

　　5 — 燃烧泄压口;

　　6 — 节流孔板;

　　7 — 水泵;

　　8 — 溢流口;

　　9 — 排水管;

　　10 — 气体流量计;

　　11 — 助燃空气流量计;

　　12 — 恒温槽。图 1 热量计的主体结构示意图

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　　6 . 4 信号采集及处理单元

　　热量计测得的温度差通过数据采集及处理单元转换成相应的响应值输出。

　　7 试验

　　7 . 1 仪器校准

　　定期需要对热量计进行校准，校准的频率至少半年一次，也可根据实际情况进行适当调整。 仪器校准测试步骤按照“甲烷—HH—甲烷—HL—甲烷—LH—甲烷—LL—甲烷”顺序进行。

　　根据试验数据绘制标准曲线，获得线性曲线 y=ax+b，表明发热量标准值与发热量测定值成线性

　　响应关系，样品的发热量测定值不确定度得到控制。 本标准采用的 5 种标准气信息及绘制的标准曲线参见附录 A。

　　7 . 2 样品测试

　　7 . 2 . 1 样品

　　样品量应满足测试的需求，样品瓶的容积应不小于 4 L,样品瓶中气体的压力应不小于 1 MPa。

　　7 . 2 . 2 测试步骤

　　7 . 2 . 2 . 1 设定实验室温度，同时监测环境温度、大气压等参数。 设定热量计恒温水箱的温度，启动热量计并检查各部件的运行情况。

　　7 . 2 . 2 . 2 确定流量计运行正常后，打开进气管线阀门，多次减压，燃气进入气体分配面板时的压力维持在 1 kPa~2 kPa。

　　7 . 2 . 2 . 3 打开控制电脑，记录发热量响应值、试验室温度、水温、气体温度、大气压、燃气进气压力等。

　　7 . 2 . 2 . 4 将电磁阀调至“关闭”状态。 启动高压点火装置点燃放空炉的火焰，放空炉点火成功后等待20 min~30 min(使热量计燃烧室聚集足够的燃气)，再次启动点火装置，点燃燃烧室内的燃气，待燃烧稳定近 20 min,调至电磁阀至“开启”状态。

　　7.2.2.5 按照“甲烷—样品气 1—甲烷—样品气 2—甲烷—QH(QL)—甲烷”顺序进行，切换到不同的气体进行燃烧，每种气体测量时间为 1 h。对比样品气的响应值与甲烷的响应值，若大于甲烷则选取核查气 QH;若小于甲烷，选取 QL。核查气与上一次测定的结果的差值应不大于 0.050 MJ/m3;如果差值大于 0.050 MJ/m3 ,应查找原因。试验中使用的核查气示例参见附录 B。

　　7 . 2 . 2 . 6 实验结束后，关闭甲烷标气钢瓶阀，熄火，保存数据。

　　8 数据处理

　　采集样品稳定燃烧的数据，约 25 min,约 300 个数据点的响应值，计算其平均值，测量气体前后甲

　　烷发热量标准值与响应值的偏差的平均值作为修正值，用此修正值对样品的平均值进行修正，以此获得样品的发热量。 计算式如下：

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　　式中：

　　e1 — 测量气体前甲烷发热量标准值与甲烷发热量响应值的平均值的偏离值;

　　Hs, CH4 — 甲烷发热量标准值，单位为兆焦每立方米(MJ/m3 ) ,依据 GB/T 11062—2014 计算，在

　　101.325 kPa、20 ℃的参比条件下，甲烷的高位发热量为 37.115 MJ/m3 ;

　　H CH4,1 — 测量气体前的甲烷发热量响应值的平均值;

　　e2 — 测量气体后甲烷发热量标准值与甲烷发热量响应值的平均值的偏离值;

　　H CH4,2 — 测量气体后的甲烷发热量响应值的平均值;

　　ΔH — 修正值;

　　H — 测量气体经甲烷修正后的发热量;

　　H1 — 测量气体发热量响应值的平均值。

　　H 为样品经过甲烷修正后的发热量，也就是热量计给出的样品发热量测定值，该热量计测得的发

　　热量扩展不确定小于 0.25%(K=2)。样品发热量的测试示例及发热量测定不确定度评定参见附录 C。

　　9 重复性和不确定度

　　9 . 1 重复性

　　在 30 MJ/m3 ~40 MJ/m3 的范围，气体的高位发热量的重复性应不大于 0.050 MJ/m3 。

　　本方法尚缺再现性的试验数据。

　　9 . 2 不确定度

　　在 30 MJ/m3 ~40 MJ/m3 的范围，气体的高位发热量的相对扩展不确定度为 0.25%(K=2)。

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　标准气及标准曲线示例

　　A.1 标准气

　　试验采用的标准气见表 A. 1 。根据气的组成，按 GB/T 11062—2014 可计算发热量及其不确定度。

　　表 A.1 标准气信息

　　A.2 标准曲线的绘制

　　根据试验数据(见表 A.2)绘制标准曲线图，见图 A.1。曲线为线性关系：y=a+bx，回归的相关系数为 0 . 995,线性公式为：H cal =0 . 230+0 . 995H。

　　表 A.2 标准气试验信息示例

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　　注：横坐标为标准气发热量测定值(经过甲烷修正);

　　纵坐标为标准气体发热量标准值。

　　图 A.1 发热量测定值与标准值的标准曲线

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　　附 录 B

　　(资料性附录)核查气示例

　　试验所用核查气 QH 和 QL见表 B.1 和 B.2。在不同的试验中，核查气的发热量保持稳定，其变化均小于 0.050 MJ/m3 。由于发热量低于甲烷的样品较少，所以，核查气 QL 的试验次数较少。

　　表 B.1 核查气 QH的示例

　　表 B.2 核查气 QL的示例

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　　附 录 C

　　(资料性附录)发热量测定示例

　　C.1 样品发热量的测试

　　按 GB/T 11062 计算 101.325 kPa, 20 ℃参比条件下甲烷的高位发热量，获得甲烷的标准值。始终

　　按“甲烷—样品—甲烷”顺序进行测试。 计算样品和测试前后甲烷响应值的平均值。 再计算修正值，最后得到样品的测试结果。 3 个样品的测试结果见表 C. 1 。

　　表 C.1 甲烷修正示例表

　　C.2 样品发热量不确定度的评估

　　由于采用甲烷作为标准气，在同样的操作条件下，对样品进行测试，同时又分别采用两个发热量大于甲烷标准气和两个发热量小于甲烷的标准气对测试范围的发热量进行评估，以保证在测量范围内测试发热量的准确性。

　　不确定度来源：甲烷发热量的不确定度，发热量测试的随机不确定度，标准气发热量的不确定度(根据标准气组成计算其在标准参比条件下的发热量及其不确定度)，大气压变化引起的燃气体积量变化引入的不确定度，真实气体与理想气体的燃烧焓的不同引入的不确定度。 由于试验条件相同，通过与甲烷的比较进行修正，已抵消了试验条件变化引入不确定度，其变化主要来自随机测量带来的偏差。 发热量测量不确定度来源见表 C. 2 。

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　　表 C.2 发热量测定的不确定度来源

　　依据上述不确定度来源，计 算 各 不 确 定 度 分 量 的 合 成 不 确 定 度。 确 定 样 品 气 1 测 量 结 果 为

　　39 287.0 kJ/m3 ,相对扩展不确定度为 0.13%(k=2);样品气 2 测量结果为 34 582.0 kJ/m3 ,相对扩展不确定度为 0.17%(k=2);样品气 3 测量结果为 37 062.0 kJ/m3 ,相对扩展不确定度为 0.13%(k=2)。

　　德国 PTB及中国计量科学研究院对本热量计给出的不确定度评定证书和测试结果，测试结果表

　　明，在 30 MJ/m3 ~40 MJ/m3 的范围，本热量计测得样品发热量相对扩展不确定度小于 0.25%(k=2)。