加工利用與安全環(huán)保天然氣工業(yè)2009年12月多氣源天然氣的互換性問(wèn)題秦朝葵吳之覲同濟(jì)大學(xué)機(jī)械學(xué)院秦朝葵等.多氣源天然氣的互換性問(wèn)題.天然氣工業(yè),2009,29(12):90-93要隨著天然氣越來(lái)越多地應(yīng)用于城市燃?xì)庀到y(tǒng),許多城市都將出現(xiàn)多種氣源并存的格局。為此,介紹了多氣源天然氣互換性問(wèn)題的由來(lái)及其可能產(chǎn)生的影響、常見(jiàn)的互換性判定方法和技術(shù)路線;追溯了LNG熱值敦高的歷史原因;總結(jié)了國(guó)外天然氣互換性問(wèn)題的具體解決辦法;分析了我國(guó)多氣源天然氣互換性研究的現(xiàn)狀。最后提出了借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)合理解決我國(guó)目前多氣源天然氣互換性問(wèn)題的對(duì)策:加快確立相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因地制宜地設(shè)定“適應(yīng)多氣源燃具的天然氣設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參數(shù)”,并據(jù)此合理引進(jìn)氣源,合理劃分區(qū)域,按用戶(hù)分類(lèi)供氣;同時(shí)應(yīng)對(duì)燃具制造商提出“適應(yīng)多氣源燃具的設(shè)計(jì)要求”,對(duì)未來(lái)入市的蘼具提出明確要求。據(jù)此對(duì)現(xiàn)有天然氣利用設(shè)備進(jìn)行改造或調(diào)整,以順利解決天然氣互換性問(wèn)題關(guān)鍵詞多氣源天然氣組分互換性對(duì)策中國(guó)DOI:10.3787/j.issn.1000976.2009.12.028我國(guó)的天然氣資源主要分布在西部,埋藏深、勘這些組分在管輸氣中是常見(jiàn)的。探開(kāi)發(fā)難度大、成本高,天然氣輸運(yùn)管線長(zhǎng)、跨度大,管輸氣與LNG在熱值和組分方面的不同,導(dǎo)致且許多城市都采用多氣源供應(yīng)的方式。以上海為了天然氣互換性問(wèn)題例,已有“兩氣東輸”天然氣、川氣、東海氣以及近期1.2天然氣互換性問(wèn)題可能產(chǎn)生的影響到岸的LNG等多種氣源。隨著多氣源格局的形成,美國(guó)燃?xì)饧夹g(shù)院( Gas Technology Institute尤其是進(jìn)口LNG與管輸犬然氣由于生產(chǎn)工藝、輸運(yùn)GTI)對(duì)高熱值(43.22MJ/m3)LNG和低熱值(38方式的不同,燃燒性質(zhì)存在較大差異。天然氣互換MJ/m3)LNG進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),初步確定天然氣互性將成為越來(lái)越多的城市必須面對(duì)的問(wèn)題換性問(wèn)題可能會(huì)產(chǎn)生以下影響:1互換性問(wèn)題的由來(lái)及其可能的影響1)點(diǎn)火性能的改變,可能導(dǎo)致不完全燃燒,火焰拉長(zhǎng)、出現(xiàn)黃焰、煙氣中CO排放量升高,或會(huì)導(dǎo)致1.I天然氣互換性問(wèn)題的由來(lái)排放超標(biāo),并可能產(chǎn)生回火現(xiàn)象管輸氣在天然氣貿(mào)易中一直占較高份額,高壓2)火焰溫度的升高導(dǎo)致廢氣中NO含量升高。輸送要求必須脫除易凝析的組分,因此管輸氣的熱3)對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量要求高的燃燒裝置如燃?xì)廨啓C(jī)值較低。LNG貿(mào)易之初,一些國(guó)家在LNG接收站等,會(huì)導(dǎo)致其效率降低、排放惡化,降低設(shè)備可靠性,建立了加工廠,提取乙烷、丙烷、丁烷以及更高的烷并縮短零部件壽命烴(如戊烷、正己烷等)作為單獨(dú)產(chǎn)品出售,同時(shí)保證4)干擾工藝流程的控制,影響流量計(jì)的精度,外輸天然氣的組分與管輸氣相當(dāng),形成了天然氣凝天然氣互換性問(wèn)題涉及民用、工業(yè)和商用。工析液( Natural Gas Liquid,NGL)工業(yè)。其后隨著業(yè)燃燒器,尤其是低污染的新型燃燒器,對(duì)氣源波動(dòng)LNG價(jià)格攀升,凝析液提取的經(jīng)濟(jì)性降低,外輸天的耐受度更差但工業(yè)燃燒器的數(shù)量較民用和商用然氣中開(kāi)始保留比管輸氣更多的高熱值成分,其熱要少得多,且多為專(zhuān)線供氣、專(zhuān)人維護(hù),互換性問(wèn)題值介于4.36-43.6M/m之間。另外由于液化工的解V中國(guó)煤化工燒器雖然對(duì)氣源藝的要求LNG中氮?dú)鈽O少,幾乎不含二氧化碳,而要求CNMHG應(yīng)能力,但量大面作者簡(jiǎn)介:秦朝葵,1968年生,教授博士;主要從事燃?xì)馊紵c輸配領(lǐng)域的科研與教學(xué)工作。地址:(201804)上海市曹安公路4800號(hào)同濟(jì)大學(xué)機(jī)械學(xué)院。電話:(021)69583802,13601664501。 E-mail: chkqin@ g tongi.edu,cn·90·第29卷第12期天然氣工業(yè)加工利用與安全環(huán)保廣,決定了工作人員不能深入到每家每戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)解決發(fā)展出多指數(shù)法。問(wèn)題。因此,天然氣互換性問(wèn)題的研究重點(diǎn)應(yīng)以民2.2多指數(shù)法用和商用燃燒裝置為主多指數(shù)法可追溯到19世紀(jì)40年代末,如美國(guó)2互換性問(wèn)題理論計(jì)算方法及其比較AGA( Amencan Gas Association,AGA)指數(shù)法和韋弗指數(shù)法( Weaver indice)等。這類(lèi)方法涉及大量天然氣互換性問(wèn)題始于20世紀(jì),至今已形成一實(shí)驗(yàn)獲取的經(jīng)驗(yàn)公式,可靠性與燃燒器種類(lèi)和燃?xì)馓妆容^成熟的互換性理論計(jì)算方法,大致可分為互的類(lèi)型密切相關(guān)。AGA最早于1946年頒布了換指數(shù)判定法和圖形判定法,指數(shù)判定法又可分為AGA指數(shù)法,美國(guó)燃?xì)庋芯吭? Gas Research Insti單指數(shù)法和多指數(shù)法。指數(shù)判定法和圖形判定法均tute,GRI)于1982年進(jìn)行了修訂。該方法是作為天由大量實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)展而來(lái)。然氣和非天然氣燃?xì)饣Q的可靠判據(jù),具有相當(dāng)?shù)?.1單指數(shù)(華白數(shù) Wobbe index)法代表性和普適性,但在新興氣源(如LNG)與天然氣天然氣互換時(shí)如果華白數(shù)不變,則熱負(fù)荷和一的互換性問(wèn)題上,AGA法的有效性還有待評(píng)估。次空氣系數(shù)就基本穩(wěn)定。當(dāng)天然氣組分和性質(zhì)變化各種指數(shù)計(jì)算法見(jiàn)表1所示。不大時(shí),華白數(shù)是最簡(jiǎn)便也是最早的一個(gè)互換性判2.3各種判別法的比較據(jù)。各國(guó)一般規(guī)定在兩種天然氣互換時(shí)華白數(shù)的變各種判別法的比較結(jié)果見(jiàn)表2?；淮笥谑?0%21。多指數(shù)法配合華白數(shù)使用的效果最好,但多指在天然氣互換性問(wèn)題早期,由于置換氣和基準(zhǔn)數(shù)法需對(duì)每種用氣設(shè)備進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn),工作量很氣相差不大,燃燒特性較接近,用華白數(shù)即可控制天大。為此,在解決LNG與管輸氣的互換性問(wèn)題時(shí)然氣互換性。但隨著氣源種類(lèi)的增多,僅靠華白數(shù)NGC+(由美國(guó)國(guó)家天然氣委員會(huì)牽頭,聯(lián)合LNG、不足以判斷能否互換,此時(shí),還必須引入“火焰特性”管道、城市燃?xì)?、發(fā)電、化工、燃?xì)庠O(shè)備生產(chǎn)、天然氣概念,可定義為發(fā)生離焰、黃焰、回火和不完全燃燒處理等行業(yè)的近百家企業(yè)以及部分政府和科研機(jī)構(gòu)的傾向性與燃?xì)獾幕瘜W(xué)物理性質(zhì)直接相關(guān)。但到組成的工作組)采用了一個(gè)較為實(shí)用的“工作區(qū)間目前為止還無(wú)法用一個(gè)單一的指標(biāo)來(lái)表示,故由此概念如圖1所示,其目的是找到一個(gè)主要參數(shù)并確表1燃?xì)饣Q指數(shù)計(jì)算方法表指數(shù)判定法計(jì)算公式單值指數(shù)法華白數(shù)法W=HH為高熱值;s為相對(duì)密度離焰極限常數(shù):K=Fn+P:n+離焰互換指數(shù):lL=f.a.(K,Ig)次空氣因數(shù):∫指數(shù)法時(shí)火互換指數(shù):h=E,HTn+T2r2+…黃焰互換指數(shù):Iy=式中:F為離焰常數(shù);T為消除黃焰需要的最小空氣量;a為完全燃燒放出105kJ熱量所需要的理論空氣量多值指數(shù)法熱負(fù)荷因數(shù):J引射因數(shù):JA=s=v。+5(m)-18.8(O2)式中:R為燃?xì)庵袣湓訑?shù)與碳?xì)浠贤鹬笖?shù):J=5-1.4J+0.4物中碳原子數(shù)的比值;N為燃?xì)獾?00韋弗指數(shù)法個(gè)烴分子中,烴類(lèi)分子總數(shù)減去飽和烴脫火指數(shù):JL=JA中國(guó)煤化工氣的百分比分比;W為燃?xì)釩O生成指數(shù):J1=JA-0.366k-0CNMHO理論空氣量以上公式甲,卜腳標(biāo)a表示基準(zhǔn)黃焰指數(shù):Jy=JA+氣,s代表置換氣,mix代表混合氣體加工利用與安全環(huán)保天然氣工業(yè)2009年12月衰2燃?xì)饣Q常用方法比較衰互換條件特點(diǎn)華白指數(shù)法華白數(shù)變化不大于±10%簡(jiǎn)便,但適應(yīng)范圍較窄AGA指數(shù)法脫火指數(shù)l1≤1.0;回火指數(shù)l<1.18;黃焰指數(shù)ly≥1.0適用較廣,但計(jì)算量大指數(shù)判定法0.95<熱負(fù)荷因數(shù)JH<1.050.95<引射因數(shù)JA<1.05韋弗指數(shù)法問(wèn)火指數(shù)J<0.08適川燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)范圍在(0.5~1.5)脫火指數(shù)J>0.641.25kPa內(nèi),計(jì)算量大CO生成指數(shù)J<0黃焰指數(shù)丿y<0.14等離焰線、等問(wèn)火線、等CO線以及圖形判定法德?tīng)柌挤▋蓷l華白數(shù)允許變化曲線所限定的適用較廣、較抽象實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多、是其他范圍內(nèi)為可生換區(qū)域圖形判定法的基礎(chǔ)燃燒特性判定法置換后燃具的新T作點(diǎn)應(yīng)落在置換較形象試驗(yàn)工作量后新的特性曲線范圍之內(nèi)弗不完全燃燒指數(shù)CONO和黃焰3.1.2在天然氣進(jìn)入輸配管網(wǎng)前進(jìn)行調(diào)節(jié)樣白數(shù)尚限在LNG氣化進(jìn)入城市輸配管網(wǎng)之前,主要是在接收站進(jìn)行再處理工作間白燃、融L和火焰動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題1)凝析處理法:在LNG接收站,采用凝析分離白數(shù)低限工藝對(duì)LNG進(jìn)行處理,減小其中NGL的成分脫火、CO和吹滅2)摻混氣體法:在LNG接收站進(jìn)行處理的另種方法是摻入氮?dú)?、空氣、煙氣等氣體,以降低其華熱值、C4及以上組分等補(bǔ)充參數(shù)白數(shù),同時(shí)調(diào)幣互換參數(shù)的數(shù)值。圖1NGG+所提出的“工作范圍”要領(lǐng)圖3)不同氣源摻混法:在接收站還可將兩種不同來(lái)源的LNG進(jìn)行摻混,或者將LNG與各種管輸氣定該參數(shù)在最低和最高限時(shí)對(duì)最終使用效果的影源摻混。通過(guò)控制兩種氣源的不同比例以滿(mǎn)足一定響。華白數(shù)是最合理的選擇,其上限用于預(yù)測(cè)黃焰、的外輸氣質(zhì)量要求。不完全燃燒、NO3和CO排放等燃燒問(wèn)題,下限用于綜上,在LNG接收站處進(jìn)行惰性氣體摻混是研預(yù)測(cè)脫火、吹熄和CO排放等問(wèn)題究和實(shí)施最多的控制LNG可互換性的方法;在特定條件下也可采用NGL分離。3各國(guó)天然氣互換性問(wèn)題的解決方法3.1.3在用戶(hù)使用端進(jìn)行調(diào)節(jié)3.1美國(guó)1)對(duì)氣源進(jìn)行調(diào)節(jié):美國(guó)洛磯山脈地區(qū)的燃?xì)饷绹?guó)天然氣的應(yīng)用歷史最長(zhǎng)、使用量最大、遇到公司采用在城市門(mén)站處摻混空氣的方法,來(lái)解決該的問(wèn)題也最多,關(guān)于互換性的研究最早。針對(duì)LNG地區(qū)的燃?xì)饣Q性問(wèn)題。在摻混空氣后華白數(shù)從和管輸氣的互換性問(wèn)題,美國(guó)于2005年頒布∫《天49.54MJ/m3降低到44.70MJ/m3。然氣可互換性及非燃燒類(lèi)應(yīng)用白皮書(shū)》提出了一系2)對(duì)用戶(hù)設(shè)備的調(diào)節(jié):即刈燃具進(jìn)行調(diào)查和檢列解決方案,主要有以下3種措施測(cè),必要時(shí)根據(jù)氣源的變化對(duì)燃具進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方3.1.1在天然氣出產(chǎn)地進(jìn)行調(diào)節(jié)法需對(duì)大量的燃具進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測(cè),同時(shí)需專(zhuān)業(yè)的人脫除天然氣中的雜質(zhì)和腐蝕性成分,以及甲烷員對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。而大中型工業(yè)燃燒設(shè)備因數(shù)量外的某些重?zé)N(如戊烷、正已烷等)。早期LNG在生少、對(duì)然T出立,可亞田該方法;但對(duì)于量大產(chǎn)地均進(jìn)行了上述凝析處理,以防止在液化工藝過(guò)面廣中國(guó)煤化工備可行性。程中發(fā)生冰堵。但近年來(lái)天然氣價(jià)格攀升,出于經(jīng)3CNMHG濟(jì)性考慮LNG中保留了一定的高熱值成分,導(dǎo)致整歐洲國(guó)家眾多且各有自己的標(biāo)準(zhǔn),差異很大體熱值升高歐洲的燃?xì)饣Q性問(wèn)題始于19世紀(jì)60年代,當(dāng)時(shí)第29卷第12期天然氣工業(yè)加工利用與安全環(huán)保的燃?xì)饣Q性解決方法大多采用挖制燃?xì)赓|(zhì)量,即我國(guó)現(xiàn)行的天然氣互換性理論計(jì)算方法基本上規(guī)定一個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍,此范圍內(nèi)的燃?xì)夥娇煞峙洳捎肁GA指數(shù)法韋弗指數(shù)法和德?tīng)柌挤?。但?guó)外給現(xiàn)有燃具使用,以保護(hù)終端用戶(hù)的安全。進(jìn)入21制定此類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)本國(guó)燃具情況,而我國(guó)的燃?xì)馐兰o(jì)后,天然氣的發(fā)展要求跨境聯(lián)網(wǎng)互通,2002年3使用習(xí)慣燃具設(shè)計(jì)、氣源成分等均不同于國(guó)外。以月14日,6個(gè)歐盟基本成員國(guó)在巴黎成立了歐洲能AGA指數(shù)法為例,目前采用的天然氣互換極限值仍源(燃?xì)?交易協(xié)會(huì)( EASEE-gas),受美國(guó)燃?xì)夤I(yè)然是美國(guó)以前頒布的標(biāo)準(zhǔn),但我國(guó)典型管輸氣的熱標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成功經(jīng)驗(yàn)的啟示,采用美國(guó)的互換問(wèn)題值要高于美國(guó)所以在基準(zhǔn)氣上的定義會(huì)有所不同,模型解決本土問(wèn)題。且離焰、黃焰、回火的允許極限并非一成不變,尤其法國(guó)政府1997年9月16日發(fā)布政府令,準(zhǔn)許是當(dāng)初始工況改變時(shí),互換指數(shù)的允許極限值必然在法國(guó)兩種不同類(lèi)型的輸配管網(wǎng)中輸送H型天然隨之變化。因此國(guó)外方法是否適用于我國(guó),尚需科氣和B型天然氣(H、B型管網(wǎng)內(nèi)的天然氣熱值范圍分研工作來(lái)驗(yàn)證別是38.52~40.08M/m3和34.2~37.8MJ/m3),5結(jié)論以此解決氣源不匹配而帶來(lái)的互換性問(wèn)題荷蘭天然氣存儲(chǔ)設(shè)施容量大,通過(guò)將不同熱值在我國(guó)大規(guī)模引進(jìn)LNG后,也會(huì)面臨著全國(guó)性的天然氣混配,調(diào)制成符合用戶(hù)需求的混合氣體來(lái)的天然氣“可互換性”問(wèn)題。但不同地區(qū)所面臨的形解決燃?xì)饣Q性問(wèn)題。勢(shì)又會(huì)有所不同:廣東和福建等地當(dāng)前采用LNG單德國(guó)兩套管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)熱值為36.18~36.03M/一氣源因而主要問(wèn)題是燃?xì)庠O(shè)備如何適應(yīng)LNG氣m3和40.08~39.97MJ/m3。源特性的問(wèn)題;北京、江蘇等地今后將采用LNG和英國(guó)因擁有大量陳舊的民用設(shè)備,在天然氣規(guī)管網(wǎng)氣雙氣源情況要復(fù)雜得多。為了解決由此格標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題上采取了等待和觀望的態(tài)度,目前帶來(lái)的天然氣互換性問(wèn)題需加快確立相關(guān)行業(yè)標(biāo)推薦天然氣熱值為39.8MJ/m3,并以kWh/m3為計(jì)準(zhǔn),因地制宜的設(shè)定“適應(yīng)多氣源燃具的天然氣設(shè)計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)參數(shù)”,據(jù)此合理引進(jìn)氣源,合理劃分區(qū)域,按用3.3亞洲戶(hù)分類(lèi)供氣;同時(shí)應(yīng)對(duì)燃具制造商提出“適應(yīng)多氣源亞洲天然氣工業(yè)起步較晚,但發(fā)達(dá)國(guó)家如日本燃具的設(shè)計(jì)要求”,對(duì)未來(lái)入市的燃具提出明確要?jiǎng)t較早開(kāi)始進(jìn)口LNG。日本國(guó)內(nèi)采用的天然氣質(zhì)求,據(jù)此對(duì)現(xiàn)有天然氣利用設(shè)備進(jìn)行改造或調(diào)整,以量標(biāo)準(zhǔn)是天然氣的高熱值需達(dá)到或者超過(guò)44MJ/順利實(shí)現(xiàn)天然氣互換m3,所以在LNG中添加富含丙烷、丁烷的氣體增熱參考文獻(xiàn)(常用液化石油氣)。我國(guó)天然氣互換性研究的現(xiàn)狀[1] 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[SL]: NGC+Interchange從20世紀(jì)60年代起,我國(guó)對(duì)國(guó)外天然氣互換bility Work Group, 2005性的研究進(jìn)腰已開(kāi)始關(guān)注并有所介紹。1976年,第21姜正侯燃?xì)馊紵碚撆c實(shí)踐[M,北京中國(guó)建筑工業(yè)13屆世界燃?xì)獯髸?huì)出現(xiàn)了利用華白數(shù)和燃燒勢(shì)(德出版社,1985爾布法)這2個(gè)參數(shù)對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行分類(lèi)的報(bào)告我國(guó)于[]李猷嘉正確處理天然氣質(zhì)最中的燃?xì)饣Q性問(wèn)題[J城市燃?xì)?2008(3):6-10.20世紀(jì)90年代也參照這個(gè)方法頒布了GB/T13611[4]孫秀麗,秦朝葵郭甲生淺談天然氣互換性的對(duì)策研究《城市燃?xì)夥诸?lèi)》3。2006年我國(guó)頒布了《城鎮(zhèn)燃?xì)鈁冂].上海煤氣,2008(4):20-23.分類(lèi)和基本特性》,對(duì)GB/T13611氣種分類(lèi)等進(jìn)行了部分改動(dòng),但使用華白數(shù)和燃燒勢(shì)進(jìn)行分類(lèi)的基(收稿日期2009-04-26編輯本原則沒(méi)有發(fā)生變化中國(guó)煤化工CNMHG93