測定天然氣熱值的方法探析：直接法VS間接法

    本文簡述了天然氣能量計量的基本原理，同時介紹了兩(liang) 種不同原理的天然氣熱值測定方法，並對其進行了分析比較。

    GB 12206-90給出了我國城市燃氣熱值的定義(yi) ：每標準立方米（0℃，101.3KPa）幹燃氣*燃燒時產(chan) 生的熱量。當此熱量包括煙氣中水蒸氣凝結而散發的熱量時，稱為(wei) 高位熱值，反之稱為(wei) 低位熱值。

    縱觀近年來的發展情況，我國天然氣能量計量工業(ye) 曆經多年積累，不斷取得進步，並逐漸與(yu) 接軌，對整個(ge) 天然氣產(chan) 業(ye) 的發展做出了不小的貢獻。

    筆者將介紹兩(liang) 種天然氣熱值的測定方法：一種為(wei) 使用熱量計直接燃燒測定天然氣的熱值(簡稱直接法)，另一種為(wei) 利用氣體(ti) 成分分析儀(yi) 分析得到天然氣組成數據，並由此計算其熱值(簡稱間接法)。

1、水流式熱量計

    水流式熱量計是國內(nei) 較為(wei) 常見的一種直接法燃氣熱值測量設備，它主要由熱量計主體(ti) 、濕式流量計、皮膜調壓器、鍾罩水封式穩壓器、燃氣增濕器、空氣增濕器及燃燒器等組成。

    其測量熱值的原理基於(yu) 傳(chuan) 統的燃燒樣氣法，用連續水流吸收燃氣*燃燒時產(chan) 生的熱量，根據達到穩定時的經過熱量計的水量和水流溫升計算出燃氣的測試熱值，再將測試過程中各種必須考慮的修正值換算至標準狀況下的燃氣熱值。如此測得的燃氣熱值稱為(wei) 高位熱值，也稱為(wei) 總熱值或毛熱值。高位熱值減去其中冷凝水量的氣化熱值即該燃氣的低位熱值。

    該類設備的缺點是需要進行龐雜的實驗工作，這也是為(wei) 什麽(me) 它不被用於(yu) 日常測量，而僅(jin) 用於(yu) 特殊需求中。

水流式熱量計

    目前在天然氣管道現場使用的熱值測量設備，主要為(wei) 氣相色譜儀(yi) 和紅外分析儀(yi) ，下麵將分別對其工作原理及特性進行介紹。

2、氣相色譜儀(yi)

    色譜儀(yi) 利用色譜柱先將混合氣體(ti) 分離，然後依次導入檢測器，以得到各組分的檢測信號。按照導入檢測器的先後次序，經過對比，可以區別出是什麽(me) 組分，根據峰高度或峰麵積可以計算出各組分含量。

    通常采用的檢測器有：熱導檢測器，火焰離子化檢測器，氦離子化檢測器，超聲波檢測器，光離子化檢測器，電子捕獲檢測器，火焰光度檢測器，電化學檢測器，質譜檢測器等。

    由於(yu) 氣相色譜儀(yi) 是以分離為(wei) 基礎的分析技術，所以它往往多用於(yu) 實驗室，需要高純H₂作為(wei) 載氣，且對操作儀(yi) 器的人員要求較高。此外，氣相色譜儀(yi) 雖然分析精度高，但往往取樣誤差大。

氣相色譜分析原理

3、紅外分析儀(yi)

    另一種測定熱值的分析法是利用光譜測量。紅外分析儀(yi) 基於(yu) 氣體(ti) 對紅外光吸收的朗伯-比爾定律，一般由電調製紅外光源、高靈敏度濾光片、微型紅外傳(chuan) 感器及局部恒溫控製電路組成。使用幾種已知熱值的燃氣的吸收光譜，可以對這種儀(yi) 器進行校準。紅外分析儀(yi) 結構簡單，操作方便，對操作人員的要求比較低。

雙光束紅外分析原理

    目前我國微型紅外傳(chuan) 感器技術已經頗為(wei) 成熟，能夠實現不同濃度混合氣體(ti) 的高精度測量。如國內(nei) 自主研發的便攜紅外天然氣熱值分析儀(yi) Gasboard-3110P，采用先進的NDIR技術，測量精度達1%FS左右，可同時準確測量CH₄和C_nH_m氣體(ti) 濃度，並自動計算、顯示燃氣熱值。其便攜式機身設計，既適用於(yu) 工業(ye) 現場測試，也滿足於(yu) 實驗室氣囊取樣分析。值得一提的是，該儀(yi) 器通過電池電量智能化管理，可避免儀(yi) 器在低電量條件下工作。

便攜紅外天然氣熱值分析儀(yi) Gasboard-3110P

    由下圖可見，四種短鍵烴的吸收光譜交叉幹擾較多（3.3μm），一般儀(yi) 器難以測量。Gasboard-3110P采用雙光束紅外方法，使乙烷、丙烷、丁烷對CH₄的影響可以忽略，並通過添加一個(ge) C_nH_m傳(chuan) 感器直接測量C_nH_m，從(cong) 而實現同時準確測量CH₄和C_nH_m氣體(ti) 濃度。

四種短鏈烴的紅外吸收光譜

4、結語

    隨著國家標準GB/T 22723-2008《天然氣能量的測定》的正式實施，我國天然氣的計量方式開始由體(ti) 積計量向能量計量轉變。能量計量在一定程度上能消除體(ti) 積計量時因計量參比條件不同而引起的價(jia) 格爭(zheng) 議，更能充分的體(ti) 現出天然氣作為(wei) 燃料的真正使用價(jia) 值，因此由流量計量方式向能量計量方式過渡是中國天然氣計量發展的必然趨勢。

    在儀(yi) 表選型邁向多元化的今天，如何準確有效的進行天然氣計量，對整個(ge) 天然氣產(chan) 業(ye) 至關(guan) 重要。通過探討不同技術的燃氣熱值計量設備的在天然氣服務體(ti) 係中的適應性，可以看到，水流式熱量計及氣相色譜儀(yi) 由於(yu) 操作繁雜而難以廣泛應用於(yu) 日常管道測量；紅外氣體(ti) 分析技術既可以在線連續測量，也可便攜使用，並且相較於(yu) 氣相色譜分析法具有無耗材、使用成本低等優(you) 勢，因而是天然氣熱值測量的優(you) 選方法。

（來源：公眾(zhong) 號@工業(ye) 過程氣體(ti) 監測技術）