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題秦朝葵吳之覲同濟大學機械學院秦朝葵等.多氣源天然氣的互換性問題.天然氣工業(yè),2009,29(12):90-93要隨著天然氣越來越多地應用于城市燃氣系統(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題的由來及其可能產(chǎn)生的影嘲、常見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)了國外天然氣互換性問題的具體解決辦法;分析了我國多氣源天然氣互換性研究的現(xiàn)狀。最后提出了借鲞國外經(jīng)驗合理解決我國目前多氣源天然氣互換性問題的對策:加快確立相關(guān)行業(yè)標準,因地制宜地設定“適應多氣源燃具的天然氣設計基準參數(shù)”并據(jù)此合理引進氣源,合理劃分區(qū)城,按用戶分類供氣;同時應對燃具剿造商提出“適應多氣源燃具的設計要求”,對未來入市的燃具提出明確要求。據(jù)此對現(xiàn)有天然氣利用設備進行改造或調(diào)整,以順利解決天然氣互換性問題關(guān)鍵詞多氣源天然氣組分互換性對策中國DOI:10.3787/j.issn.1000976.2009.12.028我國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的。探開發(fā)難度大、成本高,天然氣輸運管線長跨度大,管輸氣與LNG在熱值和組分方面的不同導致且許多城市都采用多氣源供應的方式。以上海為了天然氣互換性問題例,已有“西氣東輸”天然氣、川氣、東海氣以及近期1.2天然氣互換性問題可能產(chǎn)生的影響到岸的LNG等多種氣源。隨著多氣源格局的形成,美國燃氣技術(shù)院( Gas Technology Institute尤其是進口LNG與管輸犬然氣由于生產(chǎn)工藝、輸運GTI)對高熱值(43.22M/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進行了大量實驗,初步確定天然氣互性將成為越來越多的城市必須面對的問題。換性問題可能會產(chǎn)生以下影響1互換性問題的由來及其可能的影響1)點火性能的改變,可能導致不完全燃燒,火焰拉長、出現(xiàn)黃焰、煙氣中CO排放量升高,或會導致1.I天然氣互換性問題的由來排放超標,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)對燃氣質(zhì)量要求高的燃燒裝置如燃氣輪機值較低。LNG貿(mào)易之初,一些國家在LNG接收站等,會導致其效率降低、排放惡化降低設備可靠性,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)作為單獨產(chǎn)品出售,同時保證4)干擾工藝流程的控制影響流量計的精度。外輸天然氣的組分與管輸氣相當,形成了天然氣凝天然氣互換性問題涉及民用、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,對氣源波動LNG價格攀升,凝析液提取的經(jīng)濟性降低,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,且多為專線供氣、專人維護,互換性問題值介于41.36~43.6MJ/m2之間。另外由于液化工的解決相對簡單。而民用、商用燃燒器雖然對氣源藝的要求,LNG中氮氣極少,幾乎不含二氧化碳,而要求較低,對氣源波動有一定的適應能力但量大面作者簡介:秦朝葵,1968年生教授博士;主要從事燃氣燃燒與輸配領域的科研與教學工作。地址:(201804)上海市曹安公路4800號同濟大學機械學院。電話:(021)69583802,13601664501.E-mail:chkqin@#edu.cn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現(xiàn)場解決發(fā)展出多指數(shù)法。問題。因此,天然氣互換性問題的研究重點應以民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40年代末,如美國2互換性問題理論計算方法及其比較AGA( Amencan Gas Association,AGA)指數(shù)法和韋弗指數(shù)法( Weaver indice)等。這類方法涉及大量天然氣互換性問題始于20世紀至今已形成一實驗獲取的經(jīng)驗公式可靠性與燃燒器種類和燃氣套比較成熟的互換性理論計算方法,大致可分為互的類型密切相關(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,美國燃氣研究院( 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年進行了修訂。該方法是作為天由大量實驗的經(jīng)驗數(shù)據(jù)發(fā)展而來然氣和非天然氣燃氣互換的可靠判據(jù),具有相當?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如果華白數(shù)不變,則熱負荷和一的互換性問題上,AGA法的有效性還有待評估。次空氣系數(shù)就基本穩(wěn)定。當天然氣組分和性質(zhì)變化各種指數(shù)計算法見表1所示不大時,華白數(shù)是最簡便也是最早的一個互換性判2.3各種判別法的比較據(jù)。各國一般規(guī)定在兩種天然氣互換時華白數(shù)的變各種判別法的比較結(jié)果見表2。化不大于士10%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題早期,由于置換氣和基準數(shù)法需對每種用氣設備進行計算和試驗,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題時,然氣互換性。但隨著氣源種類的增多,僅靠華白數(shù)NGC+(由美國國家天然氣委員會牽頭,聯(lián)合LNG不足以判斷能否互換,此時,還必須引入“火焰特性”管道、城市燃氣、發(fā)電、化工、燃氣設備生產(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構(gòu)的傾向性,與燃氣的化學物理性質(zhì)直接相關(guān)。但到組成的工作組)采用了一個較為實用的“工作區(qū)間”目前為止還無法用一個單一的指標來表示,故由此概念,如圖1所示,其目的是找到一個主要參數(shù)并確表1燃氣互換指數(shù)計算方法表指數(shù)判定法計算公式單值指數(shù)族華白數(shù)法W=H為高熱值;s為相對密度離焰極限常數(shù):K=n+F:n+離焰互換指數(shù):L1=71(x-k)次空氣因數(shù):∫=AGA指數(shù)法回火互換指數(shù):Ip=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)法熱負荷因數(shù):JH引射因數(shù):JAv+5()-18.8(O2式中:R為燃氣中氫原子數(shù)與碳氫化合同火指數(shù):J=S-1.4J,+0.4物中碳原子數(shù)的比值;N為燃氣的100韋弗指數(shù)法個烴分子中,烴類分子總數(shù)減去飽和烴脫火指數(shù):=JS(1=g分子數(shù);O2為燃氣中氧氣的百分比;r為燃氣中惰性氣的百分比;W為燃氣CO生成指數(shù):J1=14-0,365-0.634的華白數(shù)v為燃氣的理論空氣量以上公式中,下腳標a表示基準黃焰指數(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)保然氣工業(yè)2009年12月衰2燃氣互換常用方法比較表互換條件華白指數(shù)法華白數(shù)變化不大于士10%簡便但適應范圍較窄AGA指數(shù)法脫火指數(shù)l1≤1.0;回火指數(shù)ly<18;黃焰指數(shù)Iy≥1.0適用較廣,但計算量大指數(shù)判定法0.95<熱負荷因數(shù)JH<1.050.95<引射因數(shù)JA<1.05韋弗指數(shù)法問火指數(shù)Jp<0.08適川燃氣壓力波動范圍在(0.5~1.5)脫火指數(shù)J>0.641.25kPa內(nèi),計算量大CO生成指數(shù)J,<黃焰指數(shù)丿y<0.14等離焰線、等回火線、等CO線以及圖形判定法德爾布法兩條華白數(shù)允許變化曲線所限定的適相較廣較抽象實驗數(shù)據(jù)多是其他范圍內(nèi)為可互換區(qū)域圖形判定法的基礎燃燒特性判定法置換后燃具的新T作點應落在置換較形象試驗工作量大后新的特性曲線范圍之內(nèi)弗不完全燃燒指數(shù)C0NO和黃焰3.1.2在天然氣進入輸配管網(wǎng)前進行調(diào)節(jié)數(shù)向限在LNG氣化進入城市輸配管網(wǎng)之前,主要是在接收站進行再處理。證工作間白燃、L和火焰1)凝析處理法:在LNG接收站,采用凝析分離動態(tài)特性到題白數(shù)低限工藝對LNG進行處理,減小其中NGL的成分。脫火、CO和滅2)摻混氣體法:在LNG接收站進行處理的另種方法是摻入氮氣、空氣、煙氣等氣體,以降低其華熱值、C4及以上組分等補充參數(shù)白數(shù),同時調(diào)幣互換參數(shù)的數(shù)值。圖1NGG+所提出的“工作范圍”要領圖3)不同氣源摻混法:在接收站還可將兩種不同來源的LNG進行摻混,或者將LNG與各種管輸氣定該參數(shù)在最低和最高限時對最終使用效果的影源摻混。通過控制兩種氣源的不同比例以滿足一定響。華白數(shù)是最合理的選擇,其上限用于預測黃焰、的外輸氣質(zhì)量要求。不完全燃燒、NO和CO排放等燃燒問題,下限用于綜上,在LNG接收站處進行惰性氣體摻混是研預測脫火、吹熄和CO排放等問題究和實施最多的控制LNG可互換性的方法;在特定條件下也可采用NGL分離。3各國天然氣互換性問題的解決方法31.3在用戶使用端進行調(diào)節(jié)3.1美國1)對氣源進行調(diào)節(jié):美國洛磯山脈地區(qū)的燃氣美國天然氣的應用歷史最長、使用量最大、遇到公司采用在城市門站處摻混空氣的方法,來解決該的問題也最多,關(guān)于互換性的研究最早。針對LNG地區(qū)的燃氣互換性問題。在摻混空氣后華白數(shù)從和管輸氣的互換性問題,美國于2005年頒布了《天49.54M/m3降低到4470MJ/m3。然氣可互換性及非燃燒類應用白皮書》,提出了一系2)對用戶設備的調(diào)節(jié):即對燃具進行調(diào)查和檢列解決方案,主要有以下3種措施:測,必要時根據(jù)氣源的變化對燃具進行調(diào)節(jié)。該方3.1.1在天然氣出產(chǎn)地進行調(diào)節(jié)法需對大量的燃具進行調(diào)查監(jiān)測,同時需專業(yè)的人脫除犬然氣中的雜質(zhì)和腐蝕性成分,以及甲烷員對其進行調(diào)節(jié)。而大中型工業(yè)燃燒設備因數(shù)量外的某些重烴(如戊烷、正己烷等)。早期LNG在生少、對燃氣質(zhì)量要求高,可采用該方法;但對于量大產(chǎn)地均進行了上述凝析處理,以防止在液化工藝過面廣的民用、商用燃具,此方法不具備可行性程中發(fā)生冰堵。但近年來天然氣價格攀升,出于經(jīng)3.2歐洲濟性考慮LNG中保留了一定的高熱值成分,導致整歐洲國家眾多且各有自己的標準,差異很大。體熱值升高。歐洲的燃氣互換性問題始于19世紀60年代,當時第29卷第12期天然氣工業(yè)加工利用與安全環(huán)保的燃氣互換性解決方法大多采用挖制燃氣質(zhì)量,即我國現(xiàn)行的天然氣互換性理論計算方法基本上規(guī)定一個質(zhì)量標準范圍此范圍內(nèi)的燃氣方可分配采用AGA指數(shù)法韋弗指數(shù)法和德爾布法。但國外給現(xiàn)有燃具使用,以保護終端用戶的安全。進入21制定此類標準均針對本國燃具情況,而我國的燃氣世紀后,天然氣的發(fā)展要求跨境聯(lián)網(wǎng)互通,2002年3使用習慣、燃具設計、氣源成分等均不同于國外。以月14日,6個歐盟基本成員國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(燃氣)交易協(xié)會( EASEE-gas),受美國燃氣工業(yè)然是美國以前頒布的標準,但我國典型管輸氣的熱標準委員會成功經(jīng)驗的啟示,采用美國的互換問題值要高于美國所以在基準氣上的定義會有所不同,模型解決本土問題。且離焰、黃焰、回火的允許極限并非一成不變,尤其法國政府1997年9月16日發(fā)布政府令,準許是當初始工況改變時,互換指數(shù)的允許極限值必然在法國兩種不同類型的輸配管網(wǎng)中輸送H型天然隨之變化。因此國外方法是否適用于我國,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驗證別是38.52~40.08M/m3和34.2~37.8MJ/m3),以此解決氣源不匹配而帶來的互換性問題。5結(jié)論荷蘭天然氣存儲設施容量大,通過將不同熱值在我國大規(guī)模引進LNG后,也會面臨著全國性的天然氣混配,調(diào)制成符合用戶需求的混合氣體來的天然氣“可互換性”問題。但不同地區(qū)所面臨的形解決燃氣互換性問題。勢又會有所不同:廣東和福建等地當前采用LNG單德國兩套管網(wǎng)標準熱值為36.18~36.03MJ/一氣源因而主要問題是燃氣設備如何適應LNG氣m3和40.08~39.97MJ/m3。源特性的問題;北京、江蘇等地今后將采用LNG和英國因擁有大量陳舊的民用設備,在天然氣規(guī)管網(wǎng)氣雙氣源,情況要復雜得多。為了解決由此格標準化的問題上采取了等待和觀望的態(tài)度,目前帶來的天然氣互換性問題需加快確立相關(guān)行業(yè)標推薦天然氣熱值為39.8MJ/m3,并以kWh/m3為計準因地制宜的設定“適應多氣源燃具的天然氣設計價標準?；鶞蕝?shù)”,據(jù)此合理引進氣源,合理劃分區(qū)域按用3.3亞洲戶分類供氣;同時應對燃具制造商提出“適應多氣源亞洲天然氣工業(yè)起步較晚,但發(fā)達國家如日本燃具的設計要求”,對未來入市的燃具提出明確要則較早開始進口LNG。日本國內(nèi)采用的天然氣質(zhì)求,據(jù)此對現(xiàn)有天然氣利用設備進行改造或調(diào)整,以量標準是天然氣的高熱值需達到或者超過44MJ/順利實現(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(常用液化石油氣)4我國天然氣互換性研究的現(xiàn)狀[l] White Paper on natural gas interchangeability and nonombustion end use [R]. [S 1. ] NGC+ Interchangea從20世紀60年代起,我國對國外天然氣互換bility Work Group, 2005.性的研究進展已開始關(guān)注并有所介紹。1976年,第[21姜正侯燃氣燃燒理論與實踐[M北京中國建筑工業(yè)13屆世界燃氣大會出現(xiàn)了利用華白數(shù)和燃燒勢(德出版社,1985爾布法)這2個參數(shù)對燃氣進行分類的報告,我園于[3]李猷嘉.正確處理天然氣質(zhì)量中的燃氣互換性問題[城市燃氣,2008(3):6-10.20世紀9年代也參照這個方法頒布了GB/T13611[4]孫秀麗秦朝葵郭甲生,淺談天然氣互換性的對策研究《城市燃氣分類》3。2006年我國頒布了《城鎮(zhèn)燃氣[冂].上海煤氣,2008(4):20-23.分類和基本特性》,對GB/T13611氣種分類等進行了部分改動,但使用華白數(shù)和燃燒勢進行分類的基(收稿日期20090426編輯何本原則沒有發(fā)生變化