本文簡(jiǎn)述了天然氣能量計(jì)量的基本原理，同時(shí)介紹了兩種不同原理的天然氣熱值測(cè)定方法，并對(duì)其進(jìn)行了分析比較。

    GB 12206-90給出了我國(guó)城市燃?xì)鉄嶂档亩x：每標(biāo)準(zhǔn)立方米（0℃，101.3KPa）干燃?xì)?燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量。當(dāng)此熱量包括煙氣中水蒸氣凝結(jié)而散發(fā)的熱量時(shí)，稱(chēng)為高位熱值，反之稱(chēng)為低位熱值。

    縱觀近年來(lái)的發(fā)展情況，我國(guó)天然氣能量計(jì)量工業(yè)歷經(jīng)多年積累，不斷取得進(jìn)步，并逐漸與接軌，對(duì)整個(gè)天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了不小的貢獻(xiàn)。

    筆者將介紹兩種天然氣熱值的測(cè)定方法：一種為使用熱量計(jì)直接燃燒測(cè)定天然氣的熱值(簡(jiǎn)稱(chēng)直接法)，另一種為利用氣體成分分析儀分析得到天然氣組成數(shù)據(jù)，并由此計(jì)算其熱值(簡(jiǎn)稱(chēng)間接法)。

1、水流式熱量計(jì)

    水流式熱量計(jì)是國(guó)內(nèi)較為常見(jiàn)的一種直接法燃?xì)鉄嶂禍y(cè)量設(shè)備，它主要由熱量計(jì)主體、濕式流量計(jì)、皮膜調(diào)壓器、鐘罩水封式穩(wěn)壓器、燃?xì)庠鰸衿?、空氣增濕器及燃燒器等組成。

    其測(cè)量熱值的原理基于傳統(tǒng)的燃燒樣氣法，用連續(xù)水流吸收燃?xì)?燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，根據(jù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的經(jīng)過(guò)熱量計(jì)的水量和水流溫升計(jì)算出燃?xì)獾臏y(cè)試熱值，再將測(cè)試過(guò)程中各種必須考慮的修正值換算至標(biāo)準(zhǔn)狀況下的燃?xì)鉄嶂?。如此測(cè)得的燃?xì)鉄嶂捣Q(chēng)為高位熱值，也稱(chēng)為總熱值或毛熱值。高位熱值減去其中冷凝水量的氣化熱值即該燃?xì)獾牡臀粺嶂怠?/span>

    該類(lèi)設(shè)備的缺點(diǎn)是需要進(jìn)行龐雜的實(shí)驗(yàn)工作，這也是為什么它不被用于日常測(cè)量，而僅用于特殊需求中。

水流式熱量計(jì)

    目前在天然氣管道現(xiàn)場(chǎng)使用的熱值測(cè)量設(shè)備，主要為氣相色譜儀和紅外分析儀，下面將分別對(duì)其工作原理及特性進(jìn)行介紹。

2、氣相色譜儀

    色譜儀利用色譜柱先將混合氣體分離，然后依次導(dǎo)入檢測(cè)器，以得到各組分的檢測(cè)信號(hào)。按照導(dǎo)入檢測(cè)器的先后次序，經(jīng)過(guò)對(duì)比，可以區(qū)別出是什么組分，根據(jù)峰高度或峰面積可以計(jì)算出各組分含量。

    通常采用的檢測(cè)器有：熱導(dǎo)檢測(cè)器，火焰離子化檢測(cè)器，氦離子化檢測(cè)器，超聲波檢測(cè)器，光離子化檢測(cè)器，電子捕獲檢測(cè)器，火焰光度檢測(cè)器，電化學(xué)檢測(cè)器，質(zhì)譜檢測(cè)器等。

    由于氣相色譜儀是以分離為基礎(chǔ)的分析技術(shù)，所以它往往多用于實(shí)驗(yàn)室，需要高純H₂作為載氣，且對(duì)操作儀器的人員要求較高。此外，氣相色譜儀雖然分析精度高，但往往取樣誤差大。

氣相色譜分析原理

3、紅外分析儀

    另一種測(cè)定熱值的分析法是利用光譜測(cè)量。紅外分析儀基于氣體對(duì)紅外光吸收的朗伯-比爾定律，一般由電調(diào)制紅外光源、高靈敏度濾光片、微型紅外傳感器及局部恒溫控制電路組成。使用幾種已知熱值的燃?xì)獾奈展庾V，可以對(duì)這種儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。紅外分析儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)操作人員的要求比較低。

雙光束紅外分析原理

    目前我國(guó)微型紅外傳感器技術(shù)已經(jīng)頗為成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)不同濃度混合氣體的高精度測(cè)量。如國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的便攜紅外天然氣熱值分析儀Gasboard-3110P，采用先進(jìn)的NDIR技術(shù)，測(cè)量精度達(dá)1%FS左右，可同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量CH₄和C_nH_m氣體濃度，并自動(dòng)計(jì)算、顯示燃?xì)鉄嶂?。其便攜式機(jī)身設(shè)計(jì)，既適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，也滿(mǎn)足于實(shí)驗(yàn)室氣囊取樣分析。值得一提的是，該儀器通過(guò)電池電量智能化管理，可避免儀器在低電量條件下工作。

便攜紅外天然氣熱值分析儀Gasboard-3110P

    由下圖可見(jiàn)，四種短鍵烴的吸收光譜交叉干擾較多（3.3μm），一般儀器難以測(cè)量。Gasboard-3110P采用雙光束紅外方法，使乙烷、丙烷、丁烷對(duì)CH₄的影響可以忽略，并通過(guò)添加一個(gè)C_nH_m傳感器直接測(cè)量C_nH_m，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量CH₄和C_nH_m氣體濃度。

四種短鏈烴的紅外吸收光譜

4、結(jié)語(yǔ)

    隨著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22723-2008《天然氣能量的測(cè)定》的正式實(shí)施，我國(guó)天然氣的計(jì)量方式開(kāi)始由體積計(jì)量向能量計(jì)量轉(zhuǎn)變。能量計(jì)量在一定程度上能消除體積計(jì)量時(shí)因計(jì)量參比條件不同而引起的價(jià)格爭(zhēng)議，更能充分的體現(xiàn)出天然氣作為燃料的真正使用價(jià)值，因此由流量計(jì)量方式向能量計(jì)量方式過(guò)渡是中國(guó)天然氣計(jì)量發(fā)展的必然趨勢(shì)。

    在儀表選型邁向多元化的今天，如何準(zhǔn)確有效的進(jìn)行天然氣計(jì)量，對(duì)整個(gè)天然氣產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。通過(guò)探討不同技術(shù)的燃?xì)鉄嶂涤?jì)量設(shè)備的在天然氣服務(wù)體系中的適應(yīng)性，可以看到，水流式熱量計(jì)及氣相色譜儀由于操作繁雜而難以廣泛應(yīng)用于日常管道測(cè)量；紅外氣體分析技術(shù)既可以在線(xiàn)連續(xù)測(cè)量，也可便攜使用，并且相較于氣相色譜分析法具有無(wú)耗材、使用成本低等優(yōu)勢(shì)，因而是天然氣熱值測(cè)量的優(yōu)選方法。

（來(lái)源：公眾號(hào)@工業(yè)過(guò)程氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)）