《天然氣 發(fā)熱量、相對密度、二氧化碳含量的測定 激光法》

ICS75.060

CCSE24

備案號

SSYY

中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

SY/TXXXX-XXXX

天然氣發(fā)熱量、相對密度和二氧化碳

含量的測定激光法

Naturalgas—Determinationofcalorificvalue，relativedensityandCO2

concentrationbylaser-basedmethod

（征求意見稿）

20xx-xx-xx發(fā)布20xx-xx-xx實施

國家能源局發(fā)布

SY/TXXXXX—XXXX

天然氣發(fā)熱量、相對密度和二氧化碳含量的測定激光法

1范圍

本文件描述了用激光吸收光譜法測定天然氣發(fā)熱量、相對密度和CO2含量的試驗方法。

本文件適用于不含氫氣的天然氣高位發(fā)熱量的測定，測定范圍為（30.00～45.00）MJ/m3（20℃，

101.325kPa）。

本文件適用于天然氣相對密度的測定，測定范圍為0.500～0.850（空氣=1）。

本文件適用于天然氣中CO2含量的測定，測試范圍為（0～5）%（摩爾分?jǐn)?shù)）。

本文件不涉及與其應(yīng)用有關(guān)的所有安全問題。在使用本文件前，使用者有責(zé)任制定相應(yīng)的安全和保

護(hù)措施，并明確其限定的適用范圍。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本

文件。

GB/T13609天然氣取樣導(dǎo)則

GB/T25476可調(diào)諧激光氣體分析儀

3術(shù)語和定義

本文件沒有需要界定的術(shù)語和定義。

4原理

4.1發(fā)熱量的測定

依據(jù)激光吸收光譜理論，飽和烷烴的紅外光譜主要由C-H鍵的骨架振動所引起的，不同烷烴的碳?xì)?/p>

鍵有特定的吸收光譜，利用直接吸收光譜技術(shù)可以對天然氣中的烷烴類氣體的碳?xì)滏I進(jìn)行定量分析。

低壓下，單位體積的烷烴氣體分子個數(shù)或物質(zhì)的量保持不變，由碳?xì)滏I的摩爾濃度就可以確定直鏈

飽和烷烴的平均長度。選取C-H鍵振動所引起的一段特征紅外光譜，直接應(yīng)用比爾朗伯定律，由吸光

度的強弱確定待測混合氣體發(fā)熱量的大小。對于多烷烴構(gòu)成的天然氣來說，測量得到的吸光度是所有待

測氣體吸光度的線性疊加，與混合氣體的發(fā)熱量呈線性關(guān)系。

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4.2相對密度的測定

特定波長激光光束照射的氣體在吸收激光能量的同時，會發(fā)生溫度升高和體積膨脹。通過對激光的

能量按一定頻率進(jìn)行調(diào)制，可以使被測氣體產(chǎn)生相應(yīng)頻率的聲波。在一定位置測量該特定頻率的聲波，

利用調(diào)制相位（即聲源相位）與測得的聲波相位的相位差，可以確定聲音在被測氣體中的傳播速度，根

據(jù)與聲速之間的相關(guān)關(guān)系可以計算得到相對密度。

4.3二氧化碳含量的測定

半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的經(jīng)過調(diào)諧的激光束穿過被測氣體，由接收單元的光電傳感器進(jìn)行檢測。激光

束能量由被測氣體中二氧化碳分子吸收而發(fā)生衰減，接收單元檢測的吸光度與被測氣體中二氧化碳含量

符合朗伯-比爾定律。

5儀器設(shè)備

圖1儀器構(gòu)成簡圖

5.1一般要求

分析儀性能應(yīng)滿足GB/T25476的要求。根據(jù)待測天然氣樣品的類型（例如產(chǎn)品氣、原料氣等），選

擇儀器的量程與被測氣體的發(fā)熱量、相對密度和二氧化碳濃度相適宜。

5.2激光光源

儀器的激光光源一般選用高穩(wěn)定性、低噪聲的半導(dǎo)體激光器，通過改變半導(dǎo)體激光器工作電流或工

作溫度等參數(shù)調(diào)諧激光輸出波長，波長范圍一般為1000nm~10000nm，單個激光器波長調(diào)諧范圍宜小于

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10nm。

5.3預(yù)處理系統(tǒng)

5.3.1過濾單元

應(yīng)配置膜過濾器和顆粒物過濾器，保證進(jìn)入儀器的樣品不含液體及固體顆粒。

5.3.2壓力控制單元

應(yīng)配置死體積較小的氣體減壓閥，根據(jù)儀器的操作要求控制進(jìn)樣壓力，一般不超過0.1MPa。

5.3.3流量控制單元

根據(jù)儀器的操作要求進(jìn)行流量控制，流量一般為0.06L/min~1L/min。

5.4分析檢測單元

應(yīng)配置氣體腔室、光電傳感器、電源模塊以及溫度和壓力傳感器等，獲得樣品中相應(yīng)參數(shù)的測量信

號。

5.5數(shù)據(jù)處理單元

應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理軟件，能自動采集測量信號，并通過計算得到被測氣體的發(fā)熱量、相對密度和二氧

化碳含量。

5.6數(shù)據(jù)顯示單元

實時顯示待測樣品的發(fā)熱量、相對密度和二氧化碳含量。

5.7數(shù)據(jù)傳輸單元

實時將分析數(shù)據(jù)傳輸至控制室。

6試劑與材料

6.1氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

應(yīng)選用與被測氣體組分盡可能接近的有證氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對儀器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。

6.2甲烷

采用純甲烷（體積分?jǐn)?shù)大于99.99%）進(jìn)行儀器吹掃和零點校準(zhǔn)。

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7測量步驟

7.1準(zhǔn)備

將儀器設(shè)備按照取樣和調(diào)壓單元、流量計、分析儀、尾氣處理和放空單元的順序連接，調(diào)節(jié)進(jìn)入分

析儀的樣氣流量和壓力，啟動保溫伴熱。分析設(shè)備宜在（70~150）kPa壓力下使用，使用過程中應(yīng)保

持壓力穩(wěn)定。如果操作說明未規(guī)定預(yù)熱時長，則儀器應(yīng)在首次開啟使用前通電預(yù)熱至少24h。

7.2取樣

應(yīng)按照GB/T13609的要求進(jìn)行取樣。

所有取樣設(shè)備、取樣管線和調(diào)壓器均需保溫伴熱，在樣品調(diào)節(jié)時應(yīng)確保進(jìn)入分析儀器的氣體不含液

體及顆粒物等雜質(zhì)。按照儀器的操作要求調(diào)節(jié)進(jìn)入儀器的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的壓力以及流速，吹掃儀器應(yīng)至

少2分鐘。

7.3分析

按照儀器的操作要求進(jìn)行樣品分析。

8儀器的核查

應(yīng)采用6.1規(guī)定的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行儀器核查。

根據(jù)用戶的需求及儀器使用狀況確定分析儀核查周期，建議每星期對儀器核查一次。

9結(jié)果的處理

在測量狀態(tài)，儀器顯示的分析結(jié)果即為樣品的發(fā)熱量、相對密度和二氧化碳含量。待數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定

后，每隔30s記錄一次測量結(jié)果，記錄7次取平均值作為最終測量結(jié)果，高位發(fā)熱量測試結(jié)果精確至

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0.01MJ/m，相對密度測試結(jié)果精確至0.0001，CO2濃度測試結(jié)果精確至0.01%。

10精密度

10.1重復(fù)性

由同一操作人員使用同一儀器,對同一氣樣重復(fù)分析獲得的結(jié)果,如果連續(xù)兩個測定結(jié)果的差值超

過了表1規(guī)定的數(shù)值,應(yīng)視為可疑。

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10.2再現(xiàn)性

對同一氣樣由兩個實驗室提供的分析結(jié)果,如果差值超過了表5規(guī)定的數(shù)值,每個實驗室的結(jié)果都

應(yīng)視為可疑。

表1精密度要求

項目重復(fù)性限再現(xiàn)性限

高位發(fā)熱量a/MJ/m30.010.20

相對密度a0.00050.02

CO2摩爾分?jǐn)?shù)/％0.01%0.10%

a本標(biāo)準(zhǔn)中使用的計量參比條件是101.325kPa，20℃，燃燒參比條件是101.325