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，同時介紹了兩種不同原理的天然氣熱值測定方法，并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：每標準立方米（0℃，101.3KPa）干燃氣*燃燒時產生的熱量。當此熱量包括煙氣中水蒸氣凝結而散發的熱量時，稱為高位熱值，反之稱為低位熱值。

    縱觀近年來的發展情況，我國天然氣能量計量工業歷經多年積累，不斷取得進步，并逐漸與接軌，對整個天然氣產業的發展做出了不小的貢獻。

    筆者將介紹兩種天然氣熱值的測定方法：一種為使用熱量計直接燃燒測定天然氣的熱值(簡稱直接法)，另一種為利用氣體成分分析儀分析得到天然氣組成數據，并由此計算其熱值(簡稱間接法)。

1、水流式熱量計

    水流式熱量計是國內較為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、濕式流量計、皮膜調壓器、鐘罩水封式穩壓器、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于傳統的燃燒樣氣法，用連續水流吸收燃氣*燃燒時產生的熱量，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高位熱值，也稱為總熱值或毛熱值。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，這也是為什么它不被用于日常測量，而僅用于特殊需求中。

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，主要為氣相色譜儀和紅外分析儀，下面將分別對其工作原理及特性進行介紹。

2、氣相色譜儀

    色譜儀利用色譜柱先將混合氣體分離，然后依次導入檢測器，以得到各組分的檢測信號。按照導入檢測器的先后次序，經過對比，可以區別出是什么組分，根據峰高度或峰面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。

    由于氣相色譜儀是以分離為基礎的分析技術，所以它往往多用于實驗室，需要高純H₂作為載氣，且對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

    另一種測定熱值的分析法是利用光譜測量。紅外分析儀基于氣體對紅外光吸收的朗伯-比爾定律，一般由電調制紅外光源、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氣的吸收光譜，可以對這種儀器進行校準。紅外分析儀結構簡單，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感器技術已經頗為成熟，能夠實現不同濃度混合氣體的高精度測量。如國內自主研發的便攜紅外天然氣熱值分析儀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氣體濃度，并自動計算、顯示燃氣熱值。其便攜式機身設計，既適用于工業現場測試，也滿足于實驗室氣囊取樣分析。值得一提的是，該儀器通過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，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，并通過添加一個C_nH_m傳感器直接測量C_nH_m，從而實現同時準確測量CH₄和C_nH_m氣體濃度。

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積計量向能量計量轉變。能量計量在一定程度上能消除體積計量時因計量參比條件不同而引起的價格爭議，更能充分的體現出天然氣作為燃料的真正使用價值，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，對整個天然氣產業至關重要。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系中的適應性，可以看到，水流式熱量計及氣相色譜儀由于操作繁雜而難以廣泛應用于日常管道測量；紅外氣體分析技術既可以在線連續測量，也可便攜使用，并且相較于氣相色譜分析法具有無耗材、使用成本低等優勢，因而是天然氣熱值測量的優選方法。

（來源：公眾號@工業過程氣體監測技術）