ГОСТ 34704-2020. Межгосударственный стандарт. Газ природный. Определение метанового числа
(введен в действие Приказом Росстандарта от 15.12.2020 № 1315-ст)
Примечание
Документ включен в Перечень международных и региональных (межгосударственных) стандартов (п. п. 151, 243), а в случае их отсутствия — национальных (государственных) стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований технического регламента Евразийского экономического союза «О безопасности газа горючего природного, подготовленного к транспортированию и (или) использованию» (ТР ЕАЭС 046/2018) и осуществления оценки соответствия объектов технического регулирования (Решение Коллегии Евразийской экономической комиссии от 13.09.2021 № 112). Текст данного документа приведен с учетом поправки, введенной в действие с 03.11.2021, опубликованной в «ИУС», № 2, 2022; поправки, опубликованной в «ИУС», № 9, 2023. Документ введен в действие с 01.07.2021.
Введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2020 г. № 1315-ст
Natural combustible gas. Determination of methane number
Дата введения 1 июля 2021 года
Предисловие
Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»
Сведения о стандарте
1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий — Газпром ВНИИГАЗ»
2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации «Природный и сжиженные газы» (МТК 52)
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 ноября 2020 г. № 135-П)
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2020 г. № 1315-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 34704-2020 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2021 г.
Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.
В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге «Межгосударственные стандарты»
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт распространяется на природный газ, используемый в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, и устанавливает метод вычисления метанового числа на основе известного компонентного состава.
1.2 Метод определения метанового числа, приведенный в настоящем стандарте, может быть использован при разработке программного обеспечения.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий межгосударственный стандарт:
ГОСТ 31371.7 Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 7. Методика выполнения измерений молярной доли компонентов
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (www.easc.by) или по указателям национальных стандартов, издаваемым в государствах, указанных в предисловии, или на официальных сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации. Если на документ дана недатированная ссылка, то следует использовать документ, действующий на текущий момент, с учетом всех внесенных в него изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то следует использовать указанную версию этого документа. Если после принятия настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение применяется без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 природный (горючий) газ; ПГ: Газообразная смесь, добытая из всех видов месторождений (залежей) углеводородного сырья, состоящая из метана и более тяжелых углеводородов, азота, диоксида углерода, водяных паров, серосодержащих соединений, инертных газов.
1 Метан является основным компонентом ПГ.
2 ПГ обычно содержит также незначительные количества других компонентов.
3.2 моторное топливо: Жидкое или газообразное горючее, используемое в качестве топлива в двигателях.
1 Моторное топливо может быть получено путем переработки нефти, природного газа, газового конденсата, сланцевого газа, биогаза, искусственных газов, растительных масел, спиртов и т.д.
2 Моторное топливо используется в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания, в том числе газотурбинных и реактивных, включая стационарные двигатели, а также в других типах двигателей.
3.3 газовое моторное топливо: Моторное топливо, которое при нормальных атмосферных условиях находится в газообразном состоянии.
Примечание - К газовому моторному топливу относятся сжиженный природный газ, компримированный природный газ, сжиженные углеводородные газы, водород и др.
3.4 сжиженный природный газ; СПГ: Природный газ, переведенный после специальной подготовки в жидкое состояние с целью его транспортирования, хранения и использования.
1 СПГ регазифицируют и подают в газопроводы для транспортирования и распределения.
2 СПГ используют в качестве газового моторного топлива.
3.5 компримированный природный газ: Природный газ, прошедший специальную подготовку для использования в качестве моторного топлива и сжатый до рабочих давлений хранения и потребления с целью значительного снижения его объема.
3.6 метановое число: Показатель, характеризующий детонационную стойкость газового моторного топлива, численно равный объемному процентному содержанию метана в смеси с водородом, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.
| коэффициент сжимаемости: Действительный (реальный) объем данной массы газа при определенных давлении и температуре, деленный на его объем при тех же самых условиях, вычисленный по уравнению закона идеального газа. [ГОСТ 31369-2008, пункт 2.8] |
|---|
4 Сущность метода определения метанового числа
4.1 Метод вычисления метанового числа, приведенный в настоящем стандарте, основан на оригинальных данных исследовательской программы, выполненной AVL Deutschland GmbH для FVV (Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen/Research Association for Combustion Engines), с учетом поправок, принятых MWM GmbH и опубликованных для широкого применения (см. [1], приложение А).
Настоящий стандарт применяют для определения метанового числа природного газа по измеренному газохроматографическим методом компонентному составу (как правило, в молярных долях), содержание компонентов ограничено диапазонами, приведенными в таблице 1.
Компоненты природного газа и диапазоны значений молярной доли компонентов для вычислений метанового числа
| Наименование компонента | Диапазоны значений молярной доли компонентов, % |
| Метан | 40 — 99,97 |
| Этан | 0,001 — 15 |
| Пропан | 0,001 — 6 |
| Изобутан | 0,001 — 4 |
| н-Бутан | 0,001 — 4 |
| Неопентан | 0,001 — 0,05 |
| Изопентан | 0,001 — 2 |
| н-Пентан | 0,001 — 2 |
| Углеводороды C6+ | 0,001 — 1,5 |
| Диоксид углерода | 0,005 — 10 |
| Азот | 0,005 — 15 |
| Примечания 1 Состав природного газа определяют в соответствии с ГОСТ 31371.7. 2 В случае определения состава ПГ до C8 и более компоненты C6, C7, C8 и высшие объединяют в C6+. 3 Молярные доли кислорода, гелия, водорода, водяных паров, серосодержащих и прочих компонентов, не указанных в данной таблице, не учитывают. Состав ПГ нормализуют без учета перечисленных компонентов. | |
4.2 Вычисление метанового числа природного газа на основе его компонентного состава выполняют в пять этапов:
а) компонентный состав природного газа упрощают путем его преобразования в смесь, включающую только метан, этан, пропан и бутаны (упрощенная смесь); пентаны и углеводороды с числом атомов углерода более 5 (C6+) включают в бутаны в соответствии с алгоритмом, приведенным в 5.2;
б) упрощенную смесь далее разделяют на трехкомпонентные смеси, которые выбирают в установленном порядке до тех пор, пока все компоненты упрощенной смеси не будут представлены как минимум в двух трехкомпонентных смесях в соответствии с алгоритмом, приведенным в 5.3, и вычисляют начальные значения метанового числа выбранных трехкомпонентных смесей;
в) корректируют доли компонентов выбранных трехкомпонентных смесей, чтобы минимизировать разницу между метановыми числами этих смесей, в соответствии с алгоритмом, приведенным в 5.4;
г) определяют метановое число упрощенной смеси как средневзвешенное значение метановых чисел, вычисленных в соответствии с требованием перечисления в);
д) вычисляют метановое число газового моторного топлива, делая поправку к метановому числу упрощенной смеси в связи с наличием азота и диоксида углерода в исходном составе природного газа в соответствии с алгоритмом, приведенным в 5.6.
5 Алгоритм определения метанового числа
5.1 Исходными данными для определения метанового числа природного газа, используемого в качестве газового моторного топлива, являются объемные доли компонентов природного газа ri, %, которые вычисляют по следующей формуле
r_{i} = \frac{100 \cdot x_{i}z_{ci}}{\sum_{i = 1}^{N} x_{i}z_{ci}} ,i = 1,2,...,N , (1)
где xi — молярная доля i-го компонента природного газа, которую измеряют по методике ГОСТ 31371.7, %;
zci — коэффициент сжимаемости i-го компонента природного газа при нормальных условиях (101,325 кПа и 273,15 К), значение которого приведено в таблице 2;
N — число компонентов природного газа.
Значения коэффициента сжимаемости компонентов природного газа при нормальных условиях
5.2 Исходный состав природного газа, используемого в качестве газового моторного топлива, упрощают до четырехкомпонентной смеси (метан-этан-пропан-бутаны), при этом в объемную долю бутанов rC4+, %, включают неопентан, изопентан, н-пентан и углеводороды C6+, вычисляя ее по следующей формуле
rC4+ = rнC4 + rиC4 + 2,3(rнеоC5 + rиC5 + rнC5) +
где rнC4, rиC4, rнеоC5, rиC5, rнC5 и rC6+ — объемные доли н-бутана, изобутана, неопентана, изопентана, н-пентана и углеводородов C6+ в исходном составе природного газа, соответственно, %.
Значения объемной доли ri компонентов упрощенного состава природного газа (упрощенной смеси) нормализуют по формуле
r_{i}^{\text{н}} = \frac{100 \cdot r_{i}}{\sum_{i = 1}^{4} r_{i}} ,i = 1,2,3,4 , (3)
где r_{i}^{\text{н}} — нормализованные значения объемных долей компонентов упрощенной смеси, %.
5.3 Упрощенную смесь разделяют на трехкомпонентные смеси, которые приведены в таблице 3.
| Обозначение смеси | Первый компонент | Второй компонент | Третий компонент |
|---|---|---|---|
| Mix1 | Пропан | Этан | Бутан |
| Mix2 | Метан | Этан | Пропан |
| Mix3 | Метан | Пропан | Бутан |
| Mix4 | Метан | Этан | Бутан |
Для выбора трехкомпонентных смесей, на которые разделяют упрощенную смесь, следует использовать следующие критерии:
- каждый компонент упрощенной смеси должен быть представлен как минимум в двух трехкомпонентных смесях;
- из трехкомпонентных смесей Mix1 — Mix4 выбирают смеси с более высоким показателем соответствия wj, который вычисляют по формуле
w_{j} = \sum_{i = 1}^{4} \frac{r_{i}^{\text{н}}r_{maxi}^{j}}{r \sum i} ,j = 1,2,3,4 , (4)
где r_{i}^{\text{н}} — нормализованное значение объемной доли i-го компонента упрощенной смеси, %;
rjmax i — максимальное значение диапазона применимости <*> i-го компонента в j-й трехкомпонентной смеси, приведенное в таблице 4, %;
r \sum i — сумма максимальных значений диапазона применимости i-го компонента во всех смесях (кроме смеси метан-диоксид углерода-азот), приведенная в таблице 5 (см. [1]), %.
<*> Диапазон применимости определен минимальным и максимальным значениями объемной доли i-го компонента трехкомпонентной смеси, в пределах которых допускается изменение объемной доли этого компонента при вычислении метанового числа j-й трехкомпонентной смеси по формуле (6).
Максимальные значения диапазона применимости
| Обозначение смеси | rjmax i, % | |||
| Пропан | Этан | Бутан | Метан | |
| Mix1 | 100 | 100 | 100 | 0 |
| Mix2 | 100 | 100 | 0 | 100 |
| Mix3 | 100 | 0 | 100 | 100 |
| Mix4 | 0 | 100 | 100 | 100 |
Сумма максимальных значений диапазона применимости
| r \sum i , % | |||
| Пропан | Этан | Бутан | Метан |
| 600 | 640 | 480 | 1000 |
Получают начальные значения объемных долей компонентов выбранных трехкомпонентных смесей rij, %, распределяя поровну между смесями нормализованные значения объемных долей компонентов упрощенной смеси r_{i}^{\text{н}} , и нормализуют полученные значения rij по формуле
r_{ij}^{\text{н}} = \frac{100 \cdot r_{ij}}{\sum_{i = 1}^{4} r_{ij}} ,j = 1,2,...,N - 1,N , (5)
где r_{ij}^{\text{н}} — нормализованные значения объемных долей компонентов выбранных трехкомпонентных смесей, %;
N — число выбранных трехкомпонентных смесей.
Вычисляют начальные значения метанового числа выбранных трехкомпонентных смесей MNj по формуле
MN_{j} = \sum_{k = 0}^{7} \sum_{l = 0}^{6} a_{kl,j}(r_{1j}^{\text{н}})^{k}(r_{2j}^{\text{н}})^{l},j = 1,2,...,N - 1,N , (6)
где akl,j — коэффициенты формулы вычисления метанового числа, значения которых для выбранной j-й смеси приведены в таблице 6;
r_{1j}^{\text{н}} — нормализованное значение объемной доли первого компонента выбранной j-й смеси, %;
r_{2j}^{\text{н}} — нормализованное значение объемной доли второго компонента выбранной j-й смеси, %.
Коэффициенты формулы (6) для вычисления метанового числа
5.4 Для вычисления метанового числа упрощенной смеси решают следующую систему нелинейных уравнений
(7)где MNj и MNj+1 — метановое число j-й и (j + 1)-й трехкомпонентной смеси, соответственно;
rij — ненормализованные значения объемных долей компонентов выбранных трехкомпонентных смесей, %.
Для решения системы уравнений (7) корректируют начальные значения объемных долей компонентов выбранных трехкомпонентных смесей rij, используя любой итерационный метод решения систем нелинейных уравнений <*>. На каждом шаге итерационного процесса решения системы уравнений (7) корректируемые значения rij нормализуют по формуле (5) и вычисляют метановые числа выбранных трехкомпонентных смесей по формуле (6). При этом в соответствии с выбранным методом решения системы уравнений (7) корректируют только часть значений объемных долей компонентов, т.к. остальные корректируемые значения этих долей riN, %, вычисляют из системы уравнений материального баланса
r_{iN} = r_{i}^{\text{н}} - \sum_{j = 1}^{N - 1} r_{ij},j = 1,2,3,4 , (8)
где N — число выбранных трехкомпонентных смесей;
r_{i}^{\text{н}} — нормализованные значения объемных долей компонентов упрощенной смеси, %;
rij — ненормализованные значения объемных долей компонентов выбранных трехкомпонентных смесей, %.
<*> Например, при использовании приложения Microsoft Excel можно воспользоваться надстройкой «Поиск решения» на вкладке «Данные» в группе «Анализ», накладывая следующие ограничения на искомые значения объемных долей компонентов выбранных трехкомпонентных смесей: 0,000001% <= {rij} <= 99,999999%.
5.5 После решения системы уравнений (7) вычисляют метановое число упрощенной смеси MNсм по формуле
MN_{\text{см}} = \sum_{j = 1}^{N} (S_{j} \cdot MN_{j}) , (9)
где N — число выбранных трехкомпонентных смесей;
MNj — метановое число j-й трехкомпонентной смеси;
Sj — вес j-й компонентной смеси в средневзвешенном значении метанового числа упрощенной смеси, вычисляемый по формуле
S_{j} = \sum_{i = 1}^{4} \frac{r_{ij}}{100} , (10)
где rij — ненормализованные значения объемной доли компонентов выбранных трехкомпонентных смесей, %.
5.6 Метановое число газового моторного топлива MNm вычисляют по формуле
MNm = MNсм + MNMix5 — 100, (11)
где MNсм — метановое число упрощенной смеси;
MNMix5 — метановое число смеси метан-диоксид углерода-азот.
Метановое число MNMix5 вычисляют по формуле
MN_{Mix5} = \sum_{k = 0}^{7} \sum_{l = 0}^{6} a_{kl}(r_{CH_{4}}^{\text{н}})^{k}(r_{CO_{2}}^{\text{н}})^{l} , (12)
где akl — коэффициенты формулы вычисления метанового числа, значения которых для смеси метан-диоксид углерода-азот приведены в таблице 6;
r_{CH_{4}}^{\text{н}} и r_{CO_{2}}^{\text{н}} — нормализованные значения объемных долей метана и диоксида углерода соответственно, %.
Нормализованные значения объемных долей метана и диоксида углерода вычисляют по следующим формулам
r_{CH_{4}}^{\text{н}} = \frac{100 \cdot \sum_{i = 1}^{4} r_{i}}{r_{CO_{2}} + \sum_{i = 1}^{4} r_{i}} ; (13)
r_{CO_{2}}^{\text{н}} = \frac{100 \cdot r_{CO_{2}}}{r_{CO_{2}} + \sum_{i = 1}^{4} r_{i}} , (14)
где ri — ненормализованные значения объемных долей компонентов упрощенной смеси, %;
r_{CO_{2}}^{\text{н}} — объемная доля диоксида углерода в исходном составе природного газа, вычисленная по формуле (1), %.
Примеры определения метанового числа природного газа приведены в приложении А.
6 Показатели точности
Абсолютная расширенная неопределенность (при коэффициенте охвата k = 2) результатов вычислений метанового числа природного газа по настоящему методу составляет UMN = 1 единица метанового числа.
7 Оформление результатов определения
За результат определения метанового числа принимают результат, полученный в ходе вычисления метанового числа.
Результат определения метанового числа природного газа записывают в виде
Значение расширенной неопределенности UMN вычисления метанового числа природного газа приведено в разделе 6.
Вычисленное значение метанового числа MNm природного газа округляют до целого числа.
Полученные результаты оформляют в виде протокола.
Протокол испытаний должен содержать:
а) идентификацию пробы, в том числе:
- место, дату, время и метод (см. ГОСТ 31370) отбора пробы (если возможно);
- точку отбора пробы;
- идентификационный (заводской, серийный и т.п.) номер баллона (или сосуда), используемого для отбора пробы;
б) ссылку на настоящий стандарт;
в) аналитическую информацию, включая:
- компонентный состав природного газа, использованный при вычислении метанового числа, с указанием метода анализа по ГОСТ 31371.7;
- результат вычисления, выраженный в единицах метанового числа;
- дату проведения вычисления (испытания);
г) информацию об испытательной лаборатории, включая:
ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТАНОВОГО ЧИСЛА
А.1 Примеры вычисления метанового числа природного газа с молярными долями его компонентов, которые типичны для газов, транспортируемых по газотранспортной системе стран — членов ЕАЭС, приведены для того, чтобы позволить разработчикам программного обеспечения подтвердить реализацию метода определения метанового числа. Для процедуры подтверждения было сохранено относительно большое количество знаков после десятичной запятой. Рекомендуется конечный результат округлять до целого числа.
А.2 Для природного газа, молярные и объемные доли компонентов которого представлены в таблице А.1, приведено подробное вычисление метанового числа (см. таблицы А.2 - А.5).
Исходный и упрощенный составы природного газа для вычисления метанового числа
Начальные значения метанового числа (MNj) выбранных трехкомпонентных смесей
Значения метанового числа MNj выбранных трехкомпонентных смесей, полученные в результате решения системы нелинейных уравнений (7), и вычисленное значение метанового числа смеси метан-диоксид углерода-азот (Mix5)
| Наименование компонента | Объемная доля упрощенного состава | Выбранные смеси и объемные доли их компонентов | ||||||||
| Mix2 | Mix3 | Mix4 | Mix5 | |||||||
| ненормализованная ri, % | нормализованная r_{i}^{\text{н}} , % | ненормализованные rij, % | нормализованные r_{ij}^{\text{н}} , % | ненормализованные rij, % | нормализованные r_{ij}^{\text{н}} , % | ненормализованные rij, % | нормализованные r_{ij}^{\text{н}} , % | ненормализованные rij, % | нормализованные r_{ij}^{\text{н}} , % | |
| Метан | 97,0838 | 97,9289 | 30,7093 <*> | 96,9651 | 21,6954 <*> | 99,0183 | 45,5242 <**> | 98,0722 | 99,1370 | 99,9468 |
| Этан | 1,6635 | 1,6780 | 0,8526 <*> | 2,6921 | 0,0000 | 0,0000 | 0,8254 <**> | 1,7782 | - | - |
| Пропан | 0,2407 | 0,2427 | 0,1086 <*> | 0,3428 | 0,1342 <**> | 0,6124 | 0,0000 | 0,0000 | - | - |
| Бутаны | 0,1491 | 0,1504 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0809 <*> | 0,3693 | 0,0694 <**> | 0,1496 | - | - |
| Диоксид углерода | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,0528 | 0,0532 |
| Азот | - | - | - | - | - | - | - | - | 0,8718 | - |
| Итого | 99,1370 | 100,0000 | 31,6705 | 100,0000 | 21,9105 | 100,0000 | 46,4191 | 100,0000 | 100,0616 | 100,0000 |
| \sum {}_{i}(r_{ij}/100) | - | - | - | 0,3167 | - | 0,2191 | - | 0,4642 | - | - |
| MNj | - | - | - | 91,0326 | - | 91,0326 | - | 91,0326 | - | 100,0492 |
| <*> Объемные доли компонентов, корректируемые в соответствии с выбранным методом решения системы уравнений (7). <**> Объемные доли компонентов, вычисляемые из системы уравнений материального баланса по формуле (8). | ||||||||||
Значения метанового числа упрощенной смеси MNсм и газового моторного топлива MNm
| Метановое число | Значение | Формула |
|---|---|---|
| MNсм | 91,0326 | (9), (10) |
| MNm | 91,0817 | (11) |
А.3 В таблице А.6 представлены результаты определения метанового числа ряда смесей природного газа.
Составы смесей природного газа и их метановые числа
БИБЛИОГРАФИЯ
| УДК 543.27.001.4:006.354 | МКС 75.060 |
| Ключевые слова: природный газ, определение метанового числа | |