发展概况
密度与相对密度是天然气重要的物理参数 ,它与天然气的开发、燃烧、计量等工艺过程密切相关。测定天然气密度有两类方法 :一类是先测定天然气的组成 ,再以组成分析数据计算天然气的密度 (间接方法) ,国家标准“天然气”( GB17820 —1999) 也规定可以 此 法 计 算 天 然 气 密 度 , 而 计 算 则 按 GB/T11062 —1998 的规定[1 ] ;另一类方法是用仪器直接测定 ,此类方法我国尚未发布标准 ,但标准化组织天然气技术委员会 ( ISO/ TC193) 已于 2000 年 3 月完成了标准草案[2 ] ,将于今年正式出版。

标准草案推荐用两种仪器测定天然气密度。一种是密度天平 ,另一种是振动式密度计。前者一般应用于非在线测定 ,后者则主要应用于在线或离线测定。目前欧美国家天然气的交接计量经常用能量计量 ,在采用此类计量方式的大型计量站中 ,天然气的密度往往要同时采用上述两类方法进行测定[3 ] ,并相互核对 ,在此类工况条件下采用振动式密度计较为方便。由于我国也将开展能量计量的试点工作 ,天然气密度的直接测定是其中一个重要组成部分 ,为此 ,本文将对其原理、安装、操作等方面涉及的问题作一扼要介绍。

测量原理
音叉密度计的核心元件是传感器 —振动器 ,
它能保持自然频率振动 ,而此频率值则与其所处的气体介质密度有关。在工况条件下进行测定时 ,振动频率与气体密度之间的关系式见式 (1) ρ r = K0 + K1 (1/ f) + K2 (1/ f) 2 (1) 式中 :ρ r 为粗密度 ,即未经温度、压力和气体组
成校正前的密度 ,kg/ m3 ; f 为振动频率 , Hz ; K0 , K1 ,
K2 为密度计的振动器常数。
在测定天然气密度之前 ,先用某种已知密度的参比气体进行校准(calibration) ,从而确定式(1) 中的 3 个常数。此时使用的公式见式 (2) 。除温度、压力、气体组成等影响因素外 ,如果在被测定样品天然气中的声速 (VOS) 不同于校准用的参比气体 ,则也要用式(2) 加以校正。原则上制作振动元件的材料性质与所处介质的压力有关 ,但在大多数情况下压力的影响甚小 ,可以忽略不计。因此 ,式 (2) 是一个温度校正式。
ρ t = ρ r[1 + K3 ( td - tc) ] + K4 ( td - tc) (2) 式中 :ρ t 温度校正后的密度 ,kg/ m3 ; tc 为校准时的温度 , ℃; td 为测定时的温度 , ℃; K3 , K4 为密度计的振动器常数。
式(1) 中的 3 个常数与振动器所接触的气体组成有关。由于在操作条件下气体中的声速 (VOS) 与气体其它气质参数之间的关系已被详细测定 ,故可以利用 VOS 来校准仪器从而确定这 3 个常数。如果在校准用参比气体中的 VOS 不同于被测定天然气 ,则经过组成校正后的密度 (ρ c) 与式 (2) 中的ρ t 存在如式(3) 所示的关系。
式中 : cc 为在测定操作条件下校准用参比气体(cg)中的声速 ,m/ s; cg 为在被测定天然气中的声速 ,
m/ s; K5 为常数。
式(3) 中的 cg 与被测定天然气的组成有关。它可以直接测定(如通过超声流量计的信号) ,也可以通过ρ c 、td 和气质参数计算而得。一般 cg 变化达到 10 m/ s 时式(1) 中的校正项上变化约 0. 05 %。若要求的测定准确度不是非常高 ,且 cg 与 cc 之间的差值不大 ,也可以直接用ρ t ,不再进行有关气体组成的校正。
仪器结构与使用
音叉密度计有单振动元件和双振动元件两种类型 ,其结构分别如图 1 和图 2 所示。
图 1 单振动元件音叉密度计的结构
如图所示 ,音叉密度计分为两个室。一个是全封闭的参比室 ,其中充注有与被测定天然气相似的参比气体。被测定的样品天然气连续通过另一个室 (测定室) ,用平衡器保持其压力与参比室相等。密度计的设计要保证两个室的温度相同。
校准时将密度计连接到参比气体气源上。参比气体可用某种纯度大于 99.95 %的纯气体 ,或者组成固定的气体混合物。参比气体在操作条件下应有与被测定气体相同 (或十分接近) 的压缩因子和
VOS。校准的时间间隔为 1 年或更长时间。
图 2 双振动元件密度计的结构
密度计的过滤器应经常检查 ,并按被测定天然气的气质状况定期更换。
当计量站中设置有两种类型的密度测定系统时 ,两者的测定结果应随时比较 ,若两者的偏差超过预先设定的极限 ,密度计应能自动报警。
安装与取样
音叉密度计在现场的安装大致有 3 种不同的方式 :
第 1 种方式是在线安装 ,使用压力回收的方法把密度计安装在孔板计量系统中 ,如图 3 所示。
第 2 种方式是离线安装 ,如图 4 所示。当计量系统采用超声波流量计时 ,通常采用此种安装方式。
第 3 种方式也属于离线安装 ,但把过滤器安装在保温夹套中 ,从而进一步减少样品气管线与周围环境之间的热交换 ,如图 5 所示。
在安装与取样过程中应注意以下几点 :
1.气体对温度的影响十分敏感 ,必须保持恒温以满足校准和使用的要求。密度计上的测温元件应为一种经校准的 Pt - 100 元件 ,并直接置于密度计测定室中。
2.为使反冲时间减至少 ,整个管线系统的阻力降要小 ,使流过仪器的气体压力尽可能接近取样点的压力。
3.若样品天然气中含有会造成污染仪器的杂质 ,应设置高效率的过滤器 ;并注意防止因样品气压力降产生的温度降而导致样品天然气的组成发生变化。
4.样品天然气的流速应严加控制。
5.应满足危险区域 (易燃气体) 的安装与操作要求。
6.在线仪器应采用收缩式取样头 ,其安装应按
ISO17051 的规定。
7.若采用图 5 所示的安装方式 ,应注意避免噪音和管线震动对振动器产生的影响。
8.若音叉密度计内与管线内的天然气温度无法达到一致 ,则两者的差值可以式(4) 计算。

ρ l = ρ c td pl Zd (4) tl pd Zl

式中 : td 为密度计传感器的温度 ; tl 为管线内的温度 ; pd 为密度计的压力 (一般可视为等于管线上取样位置的压力) ; pl 为管线上取样位置的压力 ; Zd 为密度计中天然气的压缩因子 (可以组成计算) ; Zl 为管线上取样位置天然气的压缩因子 (可以组成计算) 。
检定( verification)与维修
使用过程中应随时对仪器进行检定[4] ,若发现问题立即进行维修 ,随后再次检定或校准。主要项目如下 :
1.零点检定若密度计振动器在真空中的频率是固定的 ,则在大多数情况下密度计的主要常数也不会变化。检定时 ,将密度计抽真空 ,使之压力降到正常操作压力的 0.1 %以下 ,测定并记录其振动频率 ,若后者与在实验室中校准时测定值的差值 ,相应在正常操作时密度测定值的 0.02 %以内是可以接受的。超过 0.02 %则表明仪器的灵敏度有变化 , 或者振动器上沉积有杂质 ,应重新校准。
2.压力变化试验此项试验 (仅针对离线安装) 是检定密度计的压力是否等于样品管线中天然气在流动条件下的压力。若观察到测得的密度突然发生变化 ,应检查是否有堵塞。压力突然变化而产生的对密度的影响 ,不会与样品天然气流经密度计时的停顿导致温度变化而产生的对密度的影响相混淆。前者是一种突然的变化 ,后者是缓慢的变化。
3.一致性检定测得的密度值应与预期值(以手动或自动的方式) 进行比较 ,预期值可以根据天然气组成、温度和压力计算而得。天然气的组成可以用气相色谱法分析 ( GB/ T13610 —1992)。当两者之间偏差大于 0.5%时 ,自动比较系统的报警器应发出信号 ,随后应立即对仪器进行检定。
4.维修过滤器应定期检查 ,并按检查结果决定是否更换。两次检查之间的间隔则由操作条件下的天然气气质决定。
几点看法
1.用音叉密度计测定天然气密度是天然气能量计量的一个重要组成部分。
2.在大规模交接计量中 ,经常要使用通过天然气组成分析计算密度和密度计直接测定密度两类方法互相校核。
3.ISO/ TC193 即将出版的标准推荐使用密度天平和振动式密度计两种仪器测定天然气密度。
4.振动式密度计比较适合于在线或离线测定。
5.我国目前在天然气密度直接测定方面开展的研究工作不多 ,也尚未颁布有关标准 ,应引起我们充分重视。