ГОСТ Р 8.770-2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Государственная система обеспечения единства измерений. Газ природный. Коэффициент динамической вязкости сжатого газа с известным компонентным составом. Метод расчетного определения
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 13.12.2011 № 1102-ст)
Примечание
Документ введен в действие с 01.01.2013.
Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. № 1102-ст
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
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 1 января 2013 года
Предисловие
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
5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Сентябрь 2019 г.
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «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 (www.gost.ru)
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 8.417 Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин
ГОСТ Р 8.662 (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
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 ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять 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.
| Величина | ||
| Обозначение | Наименование | Единица |
| T | Абсолютная температура | К |
| P | Абсолютное давление | МПа |
| R | Универсальная газовая постоянная (R = 8,31451 <*>) | кДж/(кмоль·К) |
| N | Число компонентов газовой смеси | 1 |
| {xi}, \vec{x} | Вектор молярных долей компонентов газовой смеси | 1 |
| \rho | Удельная (массовая) плотность | кг/м3 |
| \tilde{\rho} | Молярная плотность | кмоль/м3 |
| M | Молярная масса | кг/кмоль |
| Z | Фактор сжимаемости | 1 |
| \mu | Коэффициент динамической вязкости | мкПа·с |
| \mu_{0} | Коэффициент динамической вязкости в состоянии разреженного газа | мкПа·с |
| \Delta\mu | Безразмерная избыточная составляющая коэффициента динамической вязкости | 1 |
| \phi | Критический фактор вязкости | мкПа·с |
| \tau | Относительная температура | 1 |
| \omega | Относительная плотность | 1 |
| \Omega | Ацентрический фактор Питцера | 1 |
| {aik} | Параметры уравнений для коэффициентов динамической вязкости компонентов в состоянии разреженного газа | мкПа·с |
| {cn} | Параметры уравнения для безразмерной избыточной составляющей коэффициента динамической вязкости | 1 |
| {_{\phi_{i}}} , i = 1, ..., 6 | Параметры аффинных преобразований для относительных плотности и температуры | 1 |
| <*> Несмотря на то что международное метрологическое сообщество не считает данное значение универсальной газовой постоянной R самым точным, оно установлено в ГОСТ Р 8.662, уравнение состояния которого используется для расчета плотности природного газа при определении вязкости в настоящем стандарте. Расхождение между приведенным значением и значением, принятым в настоящее время, менее 5·10-5. | ||
3.2.2 Подстрочные индексы
В условных обозначениях величин приняты следующие индексы:
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;
n — 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 \mu_{m} вычисляют по следующему уравнению:
\mu_{m} = \mu_{0m}(T,\vec{x}) + \phi_{m}\Delta\mu_{bs}(\tau_{m},\omega_{m}) , (1)
\phi_{m} = \frac{2,63094M_{m}^{1/2}P_{cm}^{2/3}}{T_{cm}^{1/6}} , (2)
где \mu_{0m} — коэффициент динамической вязкости смеси в состоянии разреженного газа, зависящий только от компонентного состава и температуры, мкПа·с;
\Delta\mu_{bs}(\tau_{m},\omega_{m}) — безразмерная избыточная составляющая коэффициента динамической вязкости смеси, зависящая от компонентного состава, температуры и плотности;
\phi_{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 xi >= 0,001 (см. таблицу 2), а также водяной пар как существенно полярное вещество; поэтому молярные доли O2 и Ar добавляют к молярной доле N2; молярную долю H2S — к молярной доле CO2, а молярные доли C8H18, н-C9H20, н-C10H22 — к молярной доле н-C7H16.
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 \mu_{0m} вычисляют по формуле Уилки
\mu_{0m} = \sum_{i = 1}^{N} \frac{x_{i}\mu_{0i}(T)}{\sum_{j = 1}^{N} x_{j}\chi_{ij}} , (3)
\chi_{ij} = \frac{[1 + (\mu_{0i}/\mu_{0j})^{1/2}(M_{j}/M_{i})^{1/4}]^{2}}{[8(1 + M_{i}/M_{j})]^{1/2}} . (4)
В уравнениях (3) и (4) \mu_{0i} и \mu_{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
\mu_{0i} = \sum_{k = 0}^{3} a_{ik}\theta^{k} , (5)
где \theta = T/100\text{К} ; коэффициенты {aik} приведены в таблице A.1 (приложение A).
Значения молярных масс компонентов {Mi} приведены в таблице A.3 (приложение A).
Значения коэффициентов {aik} для основных компонентов природного газа определены в результате обработки данных о коэффициентах динамической вязкости чистых компонентов в состоянии разреженного газа {\mu_{0i}} или при атмосферном (и ниже) давлении {\mu_{\text{атм}i}} , 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]:
\Delta\mu_{bs} = \sum_{n = 1}^{8} c_{n}\omega_{bs}^{r_{n}}\tau_{bs}^{- t_{n}} , (6)
где \omega_{bs} и \tau_{bs} — относительные плотность и температура базового вещества;
параметры {cn} и показатели степеней {rn}, {tn} приведены в таблице A.2 (приложение A).
Относительные плотность и температуру базового вещества в формуле (6) выражают через относительные плотность и температуру смеси с помощью аффинных преобразований:
. (7)В формулах (7) {_{\phi_{im}}} — параметры аффинных преобразований, а \omega_{m} и \tau_{m} — относительные плотность и температура смеси:
\omega_{m} = \tilde{\rho}/\tilde{\rho}_{cm},\tau_{m} = T/T_{cm} , (8)
где \tilde{\rho} , T — молярная плотность и температура смеси;
\tilde{\rho}_{cm} , Tcm — псевдокритические молярная плотность и температура смеси.
Молярную плотность смеси \tilde{\rho} при задании исходных T, P и вектора молярных долей компонентов {xk} рассчитывают по уравнению состояния AGA8 в соответствии с ГОСТ Р 8.662.
Псевдокритические параметры газовой смеси вычисляют по следующим формулам:
\tilde{\rho}_{cm}^{- 1} = \tilde{v}_{cm} = \sum_{k = 1}^{N} \sum_{l = 1}^{N} x_{k}x_{l}\tilde{v}_{ckl} , (9)
где \tilde{v}_{ckl} = [\frac{(M_{k}/\rho_{ck})^{1/3} + (M_{l}/\rho_{cl})^{1/3}}{2}]3 ;
T_{cm} = \frac{1}{\tilde{v}_{cm}} \sum_{k = 1}^{N} \sum_{l = 1}^{N} x_{k}x_{l}\tilde{v}_{ckl}T_{ckl} , (10)
В формулах (9) и (10) {\rho_{ck},\rho_{cl}} , {Mk, Ml}, {Tck, Tcl}, {xk, xl} — критические плотности, молярные массы, критические температуры и молярные доли для пар компонентов (k, l) смеси соответственно; N — число компонентов смеси; единица величины \tilde{\rho}_{cm} — кмоль/м3. Значения {\rho_{ck}} , {Mk}, {Tck} для чистых веществ — компонентов смеси приведены в таблице A.3 (приложение A).
Значение псевдокритического давления Pcm смеси в формуле (2) определяют по следующим выражениям:
Z_{cm} = 0,291 - 0,08\Omega_{m} , (11)
P_{cm} = 10^{- 3}R\tilde{\rho}_{cm}T_{cm}Z_{cm} , (12)
\Omega_{m} = \sum_{i = 1}^{N} x_{i}\Omega_{i} . (13)
В формулах (11) и (13) \Omega_{m} — ацентрический фактор Питцера для смеси; {\Omega_{i}} — факторы Питцера для отдельных компонентов. Значения {\Omega_{i}} приведены в таблице A.3 (приложение A). Используемые значения {\Omega_{i}} отличаются от принятых в справочной литературе; они определены из формулы (11) при реальных значениях {Zci} чистых компонентов.
Молярную массу смеси Mm в формуле (2) вычисляют по формуле
M_{m} = \sum_{i = 1}^{N} x_{i} \cdot M_{i} . (14)
Параметры аффинных преобразований для относительных плотности и температуры смеси в формулах (7) вычисляют по формуле
\phi_{im} = \delta_{i} + \sum_{k = 1}^{N} x_{k}d_{ik} , (15)
В уравнениях (15) \delta_{i} = 1 или \delta_{i} = 0 , а {dik} — подгоночные коэффициенты. Все коэффициенты {di3} для метана равны нулю. Значения {dik} для каждого из других основных четырнадцати компонентов газовых смесей (N2, CO2, C2H6, C3H8, н-C4H10, изо-C4H10, н-C5H12, изо-C5H12, н-C6H14, н-C7H16, H2, CO, H2O и He-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 {dik} приведены в таблице A.4 (приложение A).
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.
Значения расширенной неопределенности U расчетных значений коэффициента динамической вязкости (с доверительной вероятностью 95%)
| \Delta P , МПа | U, % |
|---|---|
| 0,1 <= P < 1,0 | 0,6 |
| 1,0 <= P < 10,0 | 1,9 |
| 10,0 <= P < 20,0 | 2,6 |
| 20,0 <= P <= 30,0 | 4,0 |
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.
| Обозначение | Свойство | Единица величины | Число значащих цифр |
|---|---|---|---|
| \rho | Плотность | кг/м3 | 5 |
| \mu | Коэффициент динамической вязкости | мкПа·с | 4 |
Для наладки программного обеспечения метода расчетного определения вязкости полезно использовать лишние цифры в числовых значениях теплофизических свойств (см. пример в приложении B).
ЗНАЧЕНИЯ КОНСТАНТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ
Коэффициенты {aik} уравнения (5) для \mu_{0i} основных компонентов природного газа
Параметры {cn} и показатели степеней {rn}, {tn} уравнения (6) для \Delta\mu_{bs}
| n | cn | rn | tn |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,306331302·101 | 1 | 1 |
| 2 | -0,864573627·101 | 1 | 2 |
| 3 | 0,896123185·101 | 1 | 3 |
| 4 | -0,300860053·101 | 1 | 4 |
| 5 | 0,127196662·101 | 2 | 1 |
| 6 | -0,875183697·100 | 2 | 2 |
| 7 | -0,577055575·10-1 | 3 | 1 |
| 8 | 0,352272638·10-1 | 5 | 1 |
Критические параметры, молярные массы и факторы Питцера основных компонентов природного газа
Значения коэффициентов {dik} для параметров аффинных преобразований по формуле (15)
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ
Следующие примеры расчетов приведены для целей проверки программных решений (таблицы B.1 - B.7).
Результаты для газа 1
Результаты для газа 2
Результаты для газа 3
Результаты для газа 4
Результаты для газа 5
Результаты для газа 6
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 C.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 C.1, соответствует ГОСТ Р 8.662.
Включение следовых компонентов
| Следовой компонент | Формула | Рекомендованное включение | Номер компонента по таблице B.1 |
|---|---|---|---|
| 2,2-Диметилпропан (нео-пентан) | C5H12 | н-Пентан | 8 |
| 2-Метилпентан | C6H14 | н-Гексан | 10 |
| 3-Метилпентан | C6H14 | н-Гексан | 10 |
| 2,2-Диметилбутан | C6H14 | н-Гексан | 10 |
| 2,3-Диметилбутан | C6H14 | н-Гексан | 10 |
| Этилен (этен) | C2H4 | Этан | 4 |
| Пропилен (пропен) | C3H6 | Пропан | 5 |
| 1-Бутен | C4H8 | н-Бутан | 6 |
| цис-2-Бутен | C4H8 | н-Бутан | 6 |
| транс-2-Бутен | C4H8 | н-Бутан | 6 |
| 2-Метилпропен | C4H8 | н-Бутан | 6 |
| 1-Лентен | C5H10 | н-Пентан | 8 |
| Пропадиен | C3H4 | Пропан | 5 |
| 1,2-Бутадиен | C4H6 | н-Бутан | 6 |
| 1,3-Бутадиен | C4H6 | н-Бутан | 6 |
| Ацетилен (этин) | C2H2 | Этан | 4 |
| Циклопентан | C5H10 | н-Пентан | 8 |
| Метилциклопентан | C6H12 | н-Гексан | 10 |
| Этилциклопентан | C7H14 | н-Гептан | 11 |
| Циклогексан | C6H12 | н-Гексан | 10 |
| Метилциклогексан | C7H14 | н-Гептан | 11 |
| Этилциклогексан | C8H16 | н-Октан | 12 |
| Бензол | C6H6 | н-Пентан | 8 |
| Толуол (метилбензол) | C7H8 | н-Гексан | 10 |
| Этилбензол | C8H10 | н-Гептан | 11 |
| о-Ксилен | C8H10 | н-Гептан | 11 |
| Все остальные C6 углеводороды | - | н-Гексан | 10 |
| Все остальные C7 углеводороды | - | н-Гептан | 11 |
| Все остальные C8 углеводороды | - | н-Октан | 12 |
| Все остальные C9 углеводороды | - | н-Нонан | 13 |
| Все остальные C10 углеводороды | - | н-Декан | 14 |
| Все остальные углеводороды | - | н-Декан | 14 |
| Метанол (метиловый спирт) | CH3OH | Этан | 4 |
| Метанэтиол (метилмеркаптан) | CH3SH | Пропан | 5 |
| Аммиак | NH3 | Метан | 3 |
| Циановодород | HCN | Этан | 4 |
| Карбонилсульфид (оксисульфид углерода) | COS | н-Бутан | 6 |
| Сероуглерод | CS2 | н-Пентан | 8 |
| Диоксид серы | SO2 | н-Бутан | 6 |
| Оксид азота | N2O | Диоксид углерода | 2 |
| Неон | Ne | Аргон | 21 |
| Криптон | Kr | Аргон | 21 |
| Ксенон | Xe | Аргон | 21 |
БИБЛИОГРАФИЯ
| УДК 662.76.001.4:006.354 | ОКС 75.060 |
| Ключевые слова: природный газ, динамическая вязкость, метод расчета | |