浅谈压缩因子及其在燃气计量中的影响

1 前言

　　随着燃气业的不断发展，工商业燃气用户也越来越多，特别是将来天然气在广东珠三角的推广将使珠三角燃气行业得到更迅猛的发展。由于燃气公司与供应商，燃气公司与用户之间，都是存在经济的利益关系，因而在燃气计量上必然存在着或多或少的矛盾。特别是大型工业用户与燃气公司的计量问题的更容易发生矛盾。为了减少此类矛盾的激化，燃气公司在自身利益不受损害的情况下，都将会尽量减少计量上的误差，使两者的矛盾得到缓和。因而燃气公司在计量上就应了解许多注意事项，其中压缩因子就是众多影响计量准确度的潜在因素之一。

2 压缩因子的产生及在计量上的影响

2．1提出问题
　　假如有这么一道题问您：一个温度为20℃盛满甲烷的10m³容器，压力为1．0MPa，试问标准状况下的体积是大于、等于还是小于l0m³，如果你回答等于10m³，那您就回答错了;
　　如果再问您这一道问题：两个温度同为20℃、体积10m³、压力同为1．0MPa容器，一个盛满甲烷，另一个盛满液化气，试问标准状况下的体积两种气体体积是否相同，如果您回答相同，那您又回答错了。
2．2问题产生原因
　　也许此时你或许会纳闷了，为什么会出现这种现象呢?其实这主要由于您在回答时只考虑到理想标准状况下的气态方程P_oV_o=nRTo,而实际上在理想状态方程中有个关键的参数却没考虑，那就是压缩因子z。因为在理想状态下，压缩因子z在任何温度及压力下均恒为l。但在实际的气体计算中，压缩因子却是不可忽略的，而且对计量会产生较大的影响，特别是在中高压气体的计量上。

对比压力Pr
图l 气体的压缩因子z与对比温度Tr、对比压力Pr的关系(当P＜1，Tr=0.6～1.0)
对比压力Pr
图2 气体的压缩因子z与对比温度Tr、对比压力Pr的关系(当P＜5.6，Tr—O.6～2.O)
　　在实际的气体计量的过程中，气体状态方程：Z=PV／RT，压缩因子z在计算中引入了临界温度Tc和临界压力Pc两种参数，其中压缩因子Z=f(Pc， Tc)是随温度及压力而变化的(关系图l，2)，其中：临界温度指的是气体加压液化所允许的最高温度，一般分子间的引力越大对应的临界温度越高；如甲烷临界温度Tc为191．05K，丙烷临界温度Tc为368．85K；
　　临界压力指的是气体在临界温度时发生液化所需要的最小压力；如甲烷临界压力Pc为4．6407MPa，丙烷临界压力Pc为4.3975MPa；
　　在实际计算中，还要引入对比压力Pr和对比温度Tr，所谓的对比压力就是实际工作压力和临界压力Pc的比值，对比温度同理亦是实际工作温度和临界温度Tc的比值。
　　压缩因子的数值在不同温度压力下的也不是完全沿一个趋势变化的，如天然气是先随压力增大而变小，到达一定程度后又逐渐随压力增大而变大。那为什么会出现这种情况呢?从微观上讲，这主要是由于分子间的作用力造成的。一定温度下的气体在压力较小时，分子间的距离较大，分子间一般表现为引力，造成实际气体比理想气体更易于被压缩，但随着压力增加气体分子逐渐靠近，分子间的作用力表现为排斥力造成气体难于被压缩，进而形成压缩因子的数值上的变化，并且该数值随气体种类不同而不同。
2．3问题的深化
　　根据气体压缩因子与对比温度及对比压力的曲线图可发现：在一般的计量工况下(温度小于50℃，压力小于10MPa)，天然气的压缩因子均大于液化石油气的压缩因子，亦是说气态液化石油气在该条件下体积受压缩因子的影响大于对气态天然气的体积的影响。根据计算公式，V_o=VPT_o／(P_oTZ)，液化石油气和天然气在同等工况下修正系数可通过计算得出：
　　例一：已知混合气体的容积成分为y_C3H6=50％，
　　y_C4H10=50％，压力为1．0MPa，温度为25℃的压缩因子。
　　解：
　　(1)标准状况下混合气体的密度：
　　ρ_o=1／100∑yiρi=0．01*(50*2．0102+50*2．703)=2．36kg／nm³
　　(2)混合气体的平均临界温度和临界压力：
　　丙烷： Tc=368．85K；Pc=4．3975MPa
　　正丁烷：Tc=425．95K；Pc=3．6173MPa
　　混合气体的平均临界温度和平均临界压力：
T_m·C=1／100*(50*368．85+50*425．95)=397．2K
P_m·C=1／100*(50*4．3975+50*3．6173)=4．0074MPa
　　(3)对比压力和对比温度：
Pr=P／Pm·c=(1+0．101325)／4．0074=0．28
Tr=T／Tm·C=(25+273．15)／397．2=0．7506
　　(4)通过图1—3可解得压缩因子：Z=0．67
例二：已知CH₄，压力为1．0MPa，温度为25℃的压缩因子。
解：
　　(1)CH₄气体的临界温度和临界压力：Tc=191．05K；Pc=4．6407MPa
　　(2)对比压力和对比温度：Pr=P／Pc=(1+0．101325)／4．6407=0．237
Tr=T／Tc=(25+273．15)／191．05=1．5606
　　(3)压缩因子：Z=0．98
　　通过初步计算在一定温度及压力范围内(如25℃，1．0MPa压力以下)，进一步的可得出液化石油气压缩因子相对小于天然气：
表1
温度（℃） 25