ICS 75.060 E 24
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T30491.1—2014/ISO20765-1:2005
天然气 热力学性质计算第1部分：输配气中的气相性质 Natural gas-Calculation of thermodynamic properties-
Part 1:Gas phase properties for transmission and distribution applications
(ISO 20765-1:2005,IDT)
2014-06-01实施
2014-02-19发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
发布 GB/T 30491.1—2014/ISO 20765-1:2005
目 次
前言
范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义
1
方法的热力学基础 4.1原理 4.2亥姆霍兹自由能基本方程
4
4.2.1 概述 ... 4.2.2 亥姆霍兹自由能 4.2.3 理想气体的亥姆霍兹自由能 4.2.4 剩余亥姆霍兹自由能 4.2.5 折算亥姆霍兹自由能
...
4.3由亥姆霍兹自由能导出的热力学性质 4.3.1 概述 4.3.2 热力学性质方程 5 计算方法 5.1 输人变量 5.2 压力到折算密度的转换 5.3 运算 6应用范围 6.1 压力和温度 6.2 管输天然气 7 不确定度 7.1管输气的不确定度
7.1.1甲烷的不确定度图 7.1.2天然气的不确定度图 7.2输入变量不确定度的影响 8 结果报告附录A（规范性附录） 符号和单位附录B（规范性附录） 理想气体的亥姆霍兹自由能附录C（规范性附录） 亥姆霍兹自由能方程附录D（规范性附录） 状态方程的详细表述…· 附录E（资料性附录） 微量组分的赋值附录F（资料性附录） 运算步骤附录G（资料性附录） 示例参考文献
(
4
4
20 22 .28
30 32 39 GB/T30491.1—2014/IS020765-1:2005
前言
GB/T30491《天然气热力学性质计算》分为3个部分：
第1部分：输配气中的气相性质；第2部分：延伸应用中的单相性质（气相，液相和高密度流体）；第3部分：两相性质（气液平衡态）。
本部分为GB/T30491的第1部分。 本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本部分使用翻译法等同采用ISO20765-1：2005《天然气热力学性质计算第1部分：输配气中的
气相性质》。
与本部分中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：
GB3102.3—1993力学的量和单位（eqvISO31-3：1992）； GB3102.4--1993热学的量和单位（eqvISO31-4:1992）； GB/T14850—2008气体分析词汇（ISO7504：2001，IDT）；
一
GB/T17747.2一2011天然气压缩因子的计算第2部分：用摩尔组成进行计算（ISO12213- 2:2006,MOD); GB/T20604—2006 天然气词汇（ISO14532：2001，IDT）。
本部分做了下列编辑性修改：
-附录A中的符号“E”改为“E；”；附录A中的符号G：改为G：。
本部分由全国天然气标准化技术委员会（SAC/TC244)提出并归口。 本部分起草单位：中国石油西南油气田公司天然气研究院、中国石油集团工程设计有限责任公司西
南分公司、中国石油西气东输管道公司、中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院
本部分主要起草人：韩慧、罗勤、刘家洪、田静、国明昌、常宏岗、张福元、段继芹、陈雨晖、黄黎明。
I GB/T30491.12014/IS020765-1:2005
天然气热力学性质计算第1部分：输配气中的气相性质
1范围
GB/T30491的本部分规定了天然气、含人工掺和物的天然气和其他类似混合物仅以气体状态存在时的体积性质和热性质的计算方法。
本部分适用于输气和配气过程中在一定压力（p）和温度（T）范围内的管输气体。对于体积性质（压缩因子和密度），计算的不确定度约为士0.1%（95%置信区间）。对于热性质[如焰，热容，焦耳-汤姆森(Joule-Thomson）系数，声速」，计算的不确定度通常更大一些。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所用的修改单）适用于本文件。
ISO31-3量与单位第3部分：力学（Quantitiesandunits—Part3：Mechanics） ISO31-4量与单位第4部分：热学(Quantitiesandunits--Part4：Heat) ISO7504气体分析词汇（Gasanalysis—Vocabulary） ISO12213-2天然气压缩因子的计算第2部分：用摩尔组成进行计算（Naturalgas—Calculation
of compression factor—Part 2:Calculation using molar-composition analysis)
ISO14532 天然气词汇（NaturalgasVocabulary）
：术语和定义
3
ISO31-3，ISO7504和ISO14532界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 注：本部分给出的符号和单位列表详见附录A。
3.1
热性质 caloricproperty 能够通过基本状态方程进行计算的气体或均质气体混合物的特性。 注：适用于本部分的热性质包括内能、熔、摘、等容热容、等压热容、焦耳-汤姆森系数、等摘指数和声速，
3.2
状态方程 equationof state 气体或均质气体混合物各个状态变量之间的数学关系式。 注：使用本部分需区分两种状态方程。即表征压力、温度和体积之间关系的体积状态方程，和表征密度、温度和亥姆霍兹(Heimholtz)自由能之间关系的基本状态方程。
3.3
剩余性质 residualproperty 由气体或均质气体混合物的非理想（真实气体)状态产生的热力学性质，即在相同温度和密度条件
下，真实气体或气体混合物的某项热力学性质与该气体或混合物以理想状态存在时同种性质之间的差异。 GB/T30491.1—2014/IS020765-1:2005
3.4
热力学性质thermodynamicproperty 体积性质或热性质。
3.5
体积性质volumetricproperty 通过体积状态方程进行计算的气体或均质气体混合物的特性。 注：适用于本部分的体积性质包括压缩因子和密度。
4方法的热力学基础
4.1原理
本方法所使用的方程是基于这样的概念：管输天然气的热力学性质可由组成来表征和计算。组成，温度和密度，用作计算方法的输人数据。实际上，可作为输人数据的状态变量是温度和压力，这种情况下，首先应该将这些变量转化为温度和密度。
本部分给出的方程表达了气体的亥姆霍兹自由能与密度、温度和组成的函数关系，从这些方程，根据亥姆霍兹自由能及其对温度和密度的导出函数即可求得所有的热力学性质。
该计算方法需要对气体进行详细的摩尔组成分析。分析包括摩尔分数超过0.00005的所有组分。 对典型的管输气，分析组分包括碳数最高到C或Cs的所有烃类，以及氮、二氧化碳和氨。通常，Cs以上的烷烃异构体按分子量归类，并按正构烷烃进行计算。
对于部分天然气，分析需考虑如Cg、C1o、水蒸气和硫化氢等组分。对于人造煤气，氢气和一氧化碳也可能是重要的组分。
具体而言，本方法涉及21种组分，包括天然气中的所有大量组分和微量组分（见6.2），天然气中存在的21种特定组分之外的任何微量组分可被赋值给某个特定组分进行计算。 4.2亥姆霍兹自由能基本方程 4.2.1概述
1992年美国气体协会输送计量委员会发布的AGA8方程可以用于高准确度的压缩因子计算，在 ISO12213-2中也有规定。此后，尽管计算的准确度未被完全证实，但该方程仍被用于计算天然气的各种热力学性质。
为了更好地将AGA8方程应用于热力学性质的计算，需要注意以下两点： a）该方程最初给出的形式只能计算体积性质，应数学改写为剩余亥姆霍兹自由能的形式。虽然
如此，最初开发的方程实际上是亥姆霍兹自由能形式的基础方程。该方程2}的本质是通过亥姆霍兹自由能及其对温度和密度的导出函数计算所有的剩余热力学性质。
b) 对于热性质计算，理想气体亥姆霍兹自由能的计算公式应为温度的函数。过去的大部分理想
气体公式均为计算等压热容等参数，因此选择的公式3]4)应经过改写才能计算亥姆霍兹自由能。计算时同样需要亥姆霍兹自由能对温度和密度的导出函数。
理想和剩余亥姆霍兹自由能公式是用解析式的形式给出与其相关的计算热力学性质所需函数。因此，不需要使用计算机程序内的数值微分或积分，从而避免了数值问题，也缩短了计算时间。
本部分所提出的计算方法非常适合用于过程模拟程序，尤其适用于天然气输配应用中使用的程序。 4.2.2亥姆霍兹自由能
一致的压力温度下均质气体混合物的亥姆霍兹自由能（f)可表达为理想气体行为的部分（。）和描 2 GB/T30491.1—2014/IS020765-1:2005
述剩余或真实气体行为的部分（f.)之和，如方程(1)所示：
f(p,T,X)=f.(p,T,X)+f.(p,T,X)
·(1)
改写为无量纲的折算自由能9=f/R·T)形式，得到方程(2)：
(8,,X)=。(8,,X)+9,(8,,X)
( 2 )
式中： +
表示混合物组成的变量；反向的折算温度（无量纲），与温度T相关，见方程（3)：
L
↑=L/T
(3)
式中： L -1K（开尔文）。 在方程(1)和方程(2)中涉及尔密度β和折算密度，而不是普通的输人变量压力P。这是因为在
统计热力学中，亥姆霍兹自由能与混合物中相互作用的分子的数量和类型相关。因此，亥姆霍兹自由能是分子的摩尔密度和摩尔分数的自然函数。
折算密度和摩尔密度β相关，如方程（4)所示：
8K3.p
.( 4 )
式中： K 混合物尺寸系数。 折算亥姆霍兹自由能中的理想部分?。通过理想气体状态下的等压热容公式获得（见4.2.3），剩余
部分则由AGA8状态方程来进行计算（见4.2.4）。 4.2.3理想气体的亥姆霍兹自由能
理想气体的亥姆兹自由能可通过恰（h。）和（s。）进行计算，如方程（5)所示：
f。(p,T,X)=h.(T,X)-R.T-T.s。(p,T,X)..
·(5)
恰(h。）和嫡（s。）可依次利用理想气体的等压热容（co.p）进行计算，如方程（6)和方程（7)所示，积分范围从T～T。
h.(T,X): o.pdT+h.
...( 6 )
s.(p,T,X)= 「dT-R·In( )-R I1()+S.0R. ) 对于理想的纯气体，零嫡和零焰的参比状态为T。=298.15K和p。=0.101325MPa，随后确定积利用方程（6)和方程(7)，折算亥姆霍兹自由能［。=f。/(R·T)］可改写为8、和X的函数，见方程(8)：
.Int: ........( 7 )
:T:
分常数h和s。以便符合这一定义。参比（理想)密度P通过P：二P。/(R·T。)获得。
J Rd+R-1+J Rdr+()+(F)
P。(o,t,X)=-t
0
So.6 R
(8)
Cr,·Inr:
-
该方程的详细表述见附录B。 4.2.4剩余亥姆霍兹自由能
本部分使用AGA8方程计算剩余亥姆翟兹自由能。AGA8方程表达为压缩因子与折算密度、反向的折算温度和组成的函数关系式，见方程（9)：
B. K3
18
>'C. .r* >'C. t"-.b(b.c.·k,.)exp(—c..)..(9)
Z=1+
=13
n = 13
W GB/T30491.1—2014/IS020765-1:2005
式中： B b,sCu,knsun 方程系数和组成函数； C,
第二维里系数；
是组成函数。
压缩因子Z与剩余折算自由能,的关系见方程（10）：
Z=1+8.9.8
·(10 )
式中： .. 联合方程（9)和方程（10），结合折算密度，得到计算剩余亥姆霍兹自由能的方程（11）：
-在常数和X处对折算密度的偏导数。
18
B.? K3
58
-oC..t* ++C. t**..."exp(-c..+**)......(ll)
e,(8,r,X)
= 1:
n = 13
该方程的详细表述见附录C和附录D。 4.2.5折算亥姆霍兹自由能
联合理想亥姆霍兹自由能。方程（8)和剩余亥姆霍兹自由能9：方程（11），使折算亥姆霍兹自由能基本方程（2)能够计算所有热力学性质。因此折算亥姆翟兹自由能9可写为方程(12)：
ho.o.T
Co.F JR.t B.o K3
+· In.+.
9(0,t,X)=
dr.
1-
t
+In
/R
R
IR.
Y.C, .T".b*exp(—C,.*)
C..t
+
TI
.(12)
7= 13
4.3由亥姆霍兹自由能导出的热力学性质 4.3.1概述
所有的热力学性质均可写成折算亥姆霍兹自由能及其导数的形式。所需的各种导出函数（， P，a，和）计算方法如方程（13）所示：
P.: a ;tt:
t8= aae)
a
Pa:
..(13)
Cat)
(ar?
Y
每个导出函数都是理想部分（见附录B)和剩余部分（见附录C)的加和。方程（14)和方程（15)的引人使得这些函数之间的关系更加明确和简单。、、s、?和2的详细表述见附录C。
[a(82.a) =2.8.9a+82.98 Fa(o.pa) -o.9a-T.o.P
P,
·(14)
o
2=
·(15 )
ar
不同热力学性质之间的关系在4.3.2.1～4.3.2.9中给出[方程（17）～方程（26）。在方程（19）～方程（24)中，小写字母符号表示摩尔量（即每摩尔的量），相应的大写字母符号表示具体量（即每千克的量）。摩尔变量除以摩尔质量（M）可转换为质量变量。
注：在方程中，R为摩尔气体常数，因此R/M为比气体常数。 混合物的摩尔质量（M)是由混合物各个组分的组成（X)和摩尔质量（M.）决定的，按方程（16)进行
计算：
M= A Ca:.M
·(16)
4 GB/T 30491.1—2014/IS0 20765-1:2005
纯物质的摩尔质量（M,)数值来自参考文献[1]和[2]，与ISO6976：1995:5中给出的值一致。 注：ISO6976：1995中给出的摩尔质量值在大多数情况下均与国际计量学会采用的最新值不同，但这些值是AGA8
方程开发过程中的常用值，特此说明；使用这些值与国际最新值计算的摩尔质量之间的差值在所有情况下均小于0.001kg/kmol 方程（20）、方程（21）、方程（23)～方程（26)中，特性参数h，5，Cp，和w的基本表达式被转变为若
干种其他表达形式，这样可利用已获得的特性值简化后续计算。在需要确定几种或所有热力学性质的应用中，该方法是有用的。为清晰起见，每个子条款先给出基本的热力学关系式，下面再给出转换关系式。 4.3.2热力学性质方程 4.3.2.1 压缩因子和密度
压缩因子表达式见方程（17)：
Z=o.9
(17)
式中： Fa 对亥姆霍兹自由能的折算摩尔密度的导数[参见方程（10)]。 摩尔密度β和相对（质量）密度D是压力的函数，见方程(18)：
p=D/M=p/(Z·R·T)
·(18 )
根据本部分计算出的压缩因子Z的值通常应与按ISO12213-2计算的值相同。在任何情况下，以 ISO12213-2的结果为准。 4.3.2.2内能
内能u的表达式见方程（19）：
U.M
R.TR.T
........(19)
T.P.
......
4.3.2.3烩
熔h的表达式见方程（20)：
H·M
h R.T"R.T
t..+o.
u
r.T+2 U.M
R.T +2
(20)
4.3.2.4摘
熵s的表达式见方程（21)：
S.M R R =t.9.-
5
"R.T-9
5