Государственная система обеспечения
единства измерений

ГАЗ ПРИРОДНЫЙ

Коэффициент динамической вязкости сжатого газа
с известным компонентным составом.
Метод расчетного определения

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1. РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия» (ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ»)

2. ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 180 «Государственная служба стандартных справочных данных»

3. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. № 1102-ст

4. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

СОДЕРЖАНИЕ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная система обеспечения единства измерений ГАЗ ПРИРОДНЫЙ Коэффициент динамической вязкости сжатого газа с известным компонентным составом. Метод расчетного определения State system for ensuring the uniformity of measurements. Natural gas. The coefficient of dynamic viscosity of compressed gas with a known component composition. The method of calculation

Дата введения - 2013-01-01

1. Область применения

Настоящий стандарт устанавливает метод расчетного определения динамической вязкости природного газа, подготовленного для транспортирования и распределения по магистральным газопроводам, при условии его нахождения только в газовой фазе.

Стандарт распространяется на подготовленные для транспортирования по магистральным газопроводам газы в диапазонах давления P и температуры T, при которых на практике осуществляют транспортирование и распределение газов.

2. Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 8.662-2009 (ИСО 20765-1:2005) Государственная система обеспечения единства измерений. Газ природный. Термодинамические свойства газовой фазы. Методы расчетного определения для целей транспортирования и распределения газа на основе фундаментального уравнения состояния AGA8

ГОСТ 8.417-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3. Термины, определения и обозначения

3.1. Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 8.662 и ГОСТ 8.417.

3.2. Обозначения

3.2.1. Условные обозначения

Условные обозначения величин и обозначения их единиц приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Условные обозначения величин

3.2.2. Подстрочные индексы

В условных обозначениях величин приняты следующие индексы:

r - относительная величина;

i, j, k, l - значение соответствующих величин для i, j, k, l-го компонентов смеси;

bs - значение соответствующей величины для базового вещества;

m - значение соответствующей величины для смеси;

п - значение номера параметра уравнения для безразмерной избыточной составляющей коэффициента динамической вязкости;

c - значение величины в критической точке.

4. Общие положения метода

Коэффициент динамической вязкости природного газа как газовой смеси с известным компонентным составом µ_m вычисляют по следующему уравнению:

                                           (1)

                                                  (2)

где µ_0m - коэффициент динамической вязкости смеси в состоянии разреженного газа, зависящий только от компонентного состава и температуры, мкПа · с;

Δµ_bs(τ_m, ω_m) - безразмерная избыточная составляющая коэффициента динамической вязкости смеси, зависящая от компонентного состава, температуры и плотности;

φ_m - критический фактор вязкости смеси, мкПа · с;

в качестве базового вещества (bs) принят метан.

Плотность природного газа при заданном компонентном составе и рабочих температуре и давлении рассчитывают по уравнению состояния AGA8 по ГОСТ Р 8.662. При использовании этого уравнения при расчете вязкости соблюдают соответствующие ограничения по компонентному составу природного газа, представленные в таблице 2.

При расчете коэффициента динамической вязкости природного газа учитывают только его основные компоненты - те, молярные доли которых x_i ≥ 0,001 (см. таблицу 2), а также водяной пар как существенно полярное вещество; поэтому молярные доли O₂ и Аг добавляют к молярной доле N₂; молярную долю H₂S - к молярной доле СO₂, а молярные доли С₈Н₁₈, н-С₉Н₂₀, н-С₁₀Н₂₂ - к молярной доле н-С₇Н₁₆.

Таблица 2 - Диапазоны значений молярных долей основных и второстепенных компонентов природного газа

5. Динамическая вязкость смеси в состоянии разреженного газа

Коэффициент динамической вязкости смеси в состоянии разреженного газа µ_0m вычисляют по формуле Уилки:

                                                        (3)

где

                                          (4)

В уравнениях (3) и (4) µ_0i и µ_0j - коэффициенты динамической вязкости в состоянии разреженного газа для i-го и j-го компонентов соответственно.

Коэффициенты динамической вязкости в состоянии разреженного газа для любого компонента вычисляют по формуле

                                                            (5)

где θ = T/100 К; коэффициенты {a_jk} приведены в таблице А.1 (приложение А).

Значения молярных масс компонентов {M_i} приведены в таблице А.3 (приложение А).

Значения коэффициентов {a_jk} для основных компонентов природного газа определены в результате обработки данных о коэффициентах динамической вязкости чистых компонентов в состоянии разреженного газа {µ_0i} или при атмосферном (и ниже) давлении {µ_aтмi}, в том числе стандартных справочных данных [1] - [8].

6. Избыточная составляющая коэффициента динамической вязкости

Безразмерную избыточную составляющую коэффициента динамической вязкости рассчитывают по уравнению для избыточной вязкости базового вещества - метана, полученному на основе новых высокоточных экспериментальных данных, а также наиболее надежных данных, использованных при разработке аналогичного уравнения для таблиц стандартных справочных данных ГСССД 195-01 [9]:

                                                      (6)

где ω_bsи τ_bs - относительные плотность и температура базового вещества;

параметры {c_n} и показатели степеней {r_n}, {t_n} приведены в таблице А.2 (приложение А).

Относительные плотность и температуру базового вещества в формуле (6) выражают через относительные плотность и температуру смеси с помощью аффинных преобразований:

                                                    (7)

В формулах (7) {φ_im} - параметры аффинных преобразований, а ω_m и τ_m - относительные плотность и температура смеси:

 t_m = T/T_cm,                                                   (8)

где , T - молярная плотность и температура смеси;

, T_ст - псевдокритические молярная плотность и температура смеси.

Молярную плотность смеси  при задании исходных T, P и вектора молярных долей компонентов {x_k} рассчитывают по уравнению состояния AGA8 в соответствии с ГОСТ Р 8.662.

Псевдокритические параметры газовой смеси вычисляют по следующим формулам:

                                               (9)

где

                                           (10)

где T_ckl = (T_ckT_cl)^1/2.

В формулах (9) и (10) {ρ_ck, ρ_ci}, {М_k, М_l}, {Т_ck, T_cl), {x_k, x_l} - критические плотности, молярные массы, критические температуры и молярные доли для пар компонентов (k, l) смеси соответственно; N - число компонентов смеси; единица величины  - кмоль/м³. Значения {ρ_ck}, {М_k}, {Т_ck} для чистых веществ - компонентов смеси приведены в таблице А.3 (приложение А).

Значение псевдокритического давления P_cm смеси в формуле (2) определяют по следующим выражениям:

Z_cm = 0,291 - 0,08Ω_m,                                                   (11)

                                                 (12)

                                                          (13)

В формулах (11) и (13) Ω_m - ацентрический фактор Питцера для смеси; {Ω_i} - факторы Питцера для отдельных компонентов. Значения {Ω_i} приведены в таблице А.3 (приложение А). Используемые значения {Ω_i} отличаются от принятых в справочной литературе; они определены из формулы (11) при реальных значениях {Z_ci} чистых компонентов.

Молярную массу смеси M_m в формуле (2) вычисляют по формуле

                                                      (14)

Параметры аффинных преобразований для относительных плотности и температуры смеси в формулах (7) вычисляют по формуле:

                                                     (15)

где i = 1, ..., 6.

В уравнениях (15) δ_i = 1 или δ_i = 0, a {d_ik} - подгоночные коэффициенты. Все коэффициенты {d_i3} для метана равны нулю. Значения {d_ik} для каждого из других основных четырнадцати компонентов газовых смесей (N₂, CO₂, С₂Н₆, С₃Н₈, н-С₄Н₁₀, изо-С₄Н₁₀, н-С₅Н₁₂, изо-С₅Н₁₂, н-С₆Н₁₄, н-С₇Н₁₆, Н₂, СО, Н₂O и Не-4) определены в результате обработки данных о вязкости для этих компонентов, в том числе стандартных справочных данных [1] - [8], при давлениях до 30 МПа. Значения {d_ik} приведены в таблице А.4 (приложение А).

7. Границы применения метода и неопределенность расчетных значений коэффициента динамической вязкости

Границы применения метода расчетного определения коэффициента динамической вязкости зависят в первую очередь от границ применения уравнения состояния AGA8 по ГОСТ Р 8.662, используемого для расчета плотности газовой смеси, а также от диапазонов температуры и давления, в которых определены параметры уравнений для расчета вязкости из данных о вязкости чистых компонентов, в том числе стандартных справочных данных [1] - [9].

Настоящий метод применим в диапазонах абсолютных температуры 250 - 350 К и давления 0 - 30 МПа при соблюдении соответствующих ограничений по содержанию компонентов (см. таблицу 2).

Оценки расширенной неопределенности расчетных значений коэффициента динамической вязкости для различных диапазонов давления представлены в таблице 3. Значения расширенной неопределенности U (с доверительной вероятностью 95 %) для всей расчетной области находятся в пределах: 0,6 £ U £ 4,0.

Таблица 3 - Значения расширенной неопределенности U расчетных значений коэффициента динамической вязкости (с доверительной вероятностью 95 %)

8. Оформление результатов расчетов

В соответствии с оценками неопределенности расчетных значений плотности и коэффициента динамической вязкости, приведенными в ГОСТ Р 8.662 и таблице 3, значения рассчитанных теплофизических свойств должны быть записаны с числом значащих цифр, указанным в таблице 4. При оформлении результатов расчетов необходимо указывать значения температуры, давления (или плотности) и компонентный состав, для которых эти результаты получены. Использованный метод расчета должен содержать ссылку на настоящий стандарт.

Для наладки программного обеспечения метода расчетного определения вязкости полезно использовать лишние цифры в числовых значениях теплофизических свойств (см. пример в приложении В).

Таблица 4 - Оформление результатов

Приложение А
(обязательное)

Значения констант, используемых для расчета коэффициента динамической вязкости

Таблица А.1 - Коэффициенты {а_ik} уравнения (5) для µ₀, основных компонентов природного газа

Продолжение таблицы А.1

Продолжение таблицы А.1

Продолжение таблицы А.1

Окончание таблицы А.1

Таблица А.2 - Параметры {c_n} и показатели степеней{r_n}, {t_n} уравнения (6) для Dµ_bs

Таблица А.3 - Критические параметры, молярные массы и факторы Питцера основных компонентов природного газа

Таблица А.4 - Значения коэффициентов {d_ik} для параметров аффинных преобразований по формуле (15)

Продолжение таблицы А.4

Продолжение таблицы А.4

Окончание таблицы А.4

Приложение В
(обязательное)

Результаты контрольных расчетов

Следующие примеры расчетов приведены для целей проверки программных решений (таблицы В.1 - В.7).

Таблица В.1 - Составы газа в молярных долях

Таблица В.2 - Результаты для газа 1

Таблица В.3 - Результаты для газа 2

Таблица В.4 - Результаты для газа 3

Таблица В.5 - Результаты для газа 4

Таблица В.6 - Результаты для газа 5

Таблица В.7 - Результаты для газа 6

Приложение С
(справочное)

Учет следовых компонентов

Для расчета при использовании метода, установленного в настоящем стандарте, динамической вязкости природного газа или подобной смеси, которая содержит следы одного или более компонентов, не приведенных в таблице 2, необходимо включить каждый такой следовой компонент в один из 21 основных и второстепенных компонентов, для которых были разработаны уравнение состояния AGA8 по ГОСТ Р 8.662 и уравнение динамической вязкости. Рекомендации по такому включению даны в таблице С.1.

Каждая рекомендация основана на оценке того, что такое включение приводит к наилучшей точности описания плотности и динамической вязкости. Применение метода с использованием следовых компонентов необходимо подробно документировать.

Примечание - Набор следовых компонентов, приведенных в таблице С.1, соответствует ГОСТ Р 8.662.

Таблица С.1 - Включение следовых компонентов

Библиография