10●油氣儲運(yùn)2009年天然氣的摻混技術(shù)及其應(yīng)用曹雄‘(中國石油天然氣管道工程有限公司) (中 國石油天然氣管道局)譚賢君劉春楊(中國石油管道研究中心) (中 國石油天然氣股份有限公司)曹雄馮曉東等:天然氣的摻混技術(shù)及其應(yīng)用,油氣儲運(yùn),2009,28(2) 10~13,70.摘要分析了城市天然氣利用中多氣源并存而產(chǎn)生的混用性能匹配、適應(yīng)特殊用戶的要求等五個方面的問題，根據(jù)分析結(jié)果,提出了利用隨天然氣動流量摻混方法、文丘里摻混方法等摻混技術(shù)解決管輸天然氣(PNG)、壓縮天然氣(CNG)和液化天然氣(LNG)等氣體摻混問題的方案。主題詞天然氣液化天然氣壓縮天然氣液化石油氣摻混技術(shù)應(yīng)用天然氣是多種化工產(chǎn)品的原料氣,也是優(yōu)質(zhì)的燃料氣,使用和儲運(yùn)方便經(jīng)濟(jì),并且清潔環(huán)保。隨著二、天然氣的種類(2)我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)和居民生活對天然氣的依賴程度越來越高,各地區(qū)、各城市燃?xì)獯蟾鶕?jù)開采方式天然氣通常分為以下四類。規(guī)模的應(yīng)用剛剛起步，能源的利用也正從單一能源(1)氣田氣。從氣井直接開采出來的天然氣。向多種能源轉(zhuǎn)變,因此出現(xiàn)了不同類型的天然氣不由于地域不同,各氣井天然氣的組分會有差別。能統(tǒng)一匹配、總體燃?xì)夤?yīng)量不足、特殊用戶的要求(2)石油伴生氣。伴隨石油開采一起生產(chǎn)出來很難滿足和供應(yīng)不能連續(xù)等問題。分析這些問題的的天然氣。成因,提出相應(yīng)的解決方案,是保證燃?xì)鈽I(yè)健康有序(3)凝析氣田氣。從氣井開采出來含有輕質(zhì)餾發(fā)展的重要前提。分的天然氣。(4)煤層礦井氣。從井下煤層抽出的氣體,氣質(zhì)- - .天然氣的特性[1)隨開采方式和地域有很大變化。天然氣的組分主要為甲烷,同時含有少量其他三、天然氣輸送方式烷烴和烯烴,二氧化碳,硫化氫氣體以及微量惰性氣體。甲烷的物理參數(shù)如下。依據(jù)輸送方式可分為以下三類。(1)分子式為CH,;(1)管輸天然氣(PNG)。管輸天然氣(PNG)通(2)無色,無味,無腐蝕性;常指在常溫下使天然氣以加壓方式通過管道由氣源(3)燃燒式為:輸送至用戶的天然氣。管輸天然氣由于氣源不同,CH +2O2 =CO2 +2H20+35.91 MJ/m2 ;組分也不盡相同,表1為國內(nèi)主要管輸天然氣(4)熱值為35. 91 MJ/m2 ;(PNG)的參數(shù)。(5)氣態(tài)時密度為0.688kg/m2,液態(tài)時密度為(2)壓縮天然氣(CNG)。壓縮天然氣通常指在21 t/m2 ;常溫下將氣態(tài)天然氣壓縮至20 MPa以上充入特制(6)常壓沸點(diǎn)為- 162C,高壓容器中，由汽車運(yùn)至用氣點(diǎn)后再換熱減壓的天(7)爆炸極限范圍為5%~15% V/V;然氣形態(tài)及應(yīng)用方式。目前國內(nèi)CNG通常只有兩(8)臨界溫度為-77C;種來源，即井口氣加壓或由長輸管道下載加樂。(9)液態(tài)與氣態(tài)體積比為1 : 600。由于加壓過程中天然氣無相變及無理化性能改■065000,河北省廊坊市和平路146號A座1305室電話:(0316)2074379.第28卷第2期曹雄等:天然 氣的摻混技術(shù)及其應(yīng)用●11.變,其特性參數(shù)與加壓前的天然氣基本相同。由船泊、汽車運(yùn)至用氣點(diǎn)后再加熱氣化的天然氣形(3)液化天然氣(LNG).液化天然氣(LNG)是態(tài)及應(yīng)用方式。我國目前市場上的LNG只有濮陽指將天然氣冷卻至一60C使其成為液態(tài),在0.5中原與新疆廣匯兩個地方生產(chǎn)。此外,進(jìn)口LNGMPa左右壓力下充裝人特制低溫真空絕熱容器中，也將于陸續(xù)到達(dá)中國。LNG特性參數(shù)見表2。.畏1國內(nèi)主要管輸天然氣(PNG)的參數(shù)氣源CC2C。nC. Cs 以上N:CO2HSMJ/m'陜京線天然氣0.55 0.08 0. 010.01不詳0.000235.2726西氣東輸天然氣96.23 1.77 0.30 0.06 0.08 0.13 0.97 0. 470.002036. 352 8四川天然氣97.291.04 0.22 0.01 0.01 不詳 0.50 0. 870.020 035.836 5東海天然氣87.23 4. 612.21 0.89 0.61 1.95 1.87 0. 6241.2655.冀東油田井口氣84.05 9.98 1.53 0.12 0.21 不詳 不詳 2. 0738. 4441注所列數(shù)據(jù)均為某一標(biāo)樣的測試數(shù)據(jù),僅供參考。表2 LNG 特性參數(shù)iC,nC，C,以上N2H2SMJ/m*濮陽中原95. 621.630.319 0. 1070.161 0. 1230.99.0.98336. 208 5新疆廣匯82. 3011.24.60.80.540. 010.0942. 33深圳澳氣.84.007.52.639.89注所列數(shù)據(jù)均為某-標(biāo)樣的測試數(shù)據(jù),僅供參考。白數(shù)和燃燒勢差別不大。這樣，用戶使用燃燒設(shè)備四.天然氣利用中存在的問題的效果就不會因?yàn)闅怏w種類存在差別而受到影響，與相應(yīng)的解決方案[)也方便了燃?xì)夤镜慕y(tǒng)-計(jì)費(fèi)要求,減少了運(yùn)營成本，同時還滿足了單-氣源供應(yīng)量不足的問題。1、不同類型天然氣混用性能匹配統(tǒng)一的問題隨天然氣動流量摻混的流程示意圖見圖1..根據(jù)圖1流程,高熱值的天然氣通常作為主動從以上參數(shù)可以看到，由于來源不同,各個地方氣體，經(jīng)過調(diào)壓后進(jìn)人流量計(jì),流量計(jì)將經(jīng)過溫度壓與公司處理程度不同,天然氣(PNG ,CNG,LNG)之力補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)體積流量信號遠(yuǎn)傳致中央控制臺,空間的熱值存在較大的差異,例如PNG,陜京線天然氣或者低熱值燃?xì)馔ǔＷ鳛楸粍託怏w。同理,經(jīng)過氣與東海天然氣之間熱值相差約6 MJ/m3之多;而穩(wěn)壓后由流量計(jì)輸出標(biāo)準(zhǔn)流量信號給中控臺。依據(jù)LNG(廣匯)與PNG(陜京)之間也相差7 MJ /m'.以上參數(shù),中央控制臺可確定摻混的比例,控制系統(tǒng)隨著工業(yè)用氣和居民用氣需求的不斷增長,許將調(diào)節(jié)氣動調(diào)節(jié)閥的開度使空氣(低熱值燃?xì)?以設(shè)多地區(qū)與燃?xì)夤?yīng)商不得不供應(yīng)2種或2種以上的定的比例進(jìn)入靜態(tài)混合系統(tǒng)，靜態(tài)混氣機(jī)中的金屬氣源,這就產(chǎn)生了以下兩方面的問題。板波紋填料及渦流發(fā)生器將使兩種氣體均勻混合。(1)如果幾種天然氣同時使用，雖然可以滿足用熱值儀對混合后的燃?xì)膺M(jìn)行連續(xù)在線檢測,并且將氣量的要求，也可以利用其中的一種天然氣作為機(jī)信號反饋至中央控制系統(tǒng),系統(tǒng)將根據(jù)熱值的偏差動氣源卡補(bǔ)充其他天然氣的缺口,但由于天然氣性隨時微調(diào)氣動調(diào)節(jié)閥的開度,最終將混合氣熱值穩(wěn)能的差別,就會影響燃燒的效果。定在設(shè)定的范圍內(nèi),同時熱值儀與氧氣分析儀等監(jiān)(2)由于天然氣間的性能差別，燃?xì)夤竟?yīng)的控儀表對混合氣的安全范圍進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)參數(shù)超標(biāo)各種天然氣的成本也不相同，如果同時進(jìn)入一條管時，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)并且發(fā)出聲光報(bào)警,而當(dāng)參數(shù)突道供應(yīng),就會影響燃?xì)夤镜氖召M(fèi)計(jì)量。破設(shè)定的上下限時，控制臺會自動關(guān)閉緊急切斷閥，解決方案是，因?yàn)樘烊粴庵g的差別主要在于確保運(yùn)行的安全。熱值，而熱值的差別一般不超過土10%,所以在解決2、適應(yīng)特殊用戶的要求問題此類問題經(jīng)常使用隨動流量摻混方式，即在高熱值(1)許多工業(yè)用戶對熱值的波動有嚴(yán)格的要求，天然氣中混合少量空氣或者低熱值燃?xì)?，使高熱值即燃?xì)鉄嶂档牟▌討?yīng)低于士2%,如果熱值波動超出天然氣與常規(guī)的天然氣的熱值相同或相近,并且華這個范圍,就會降低產(chǎn)品品質(zhì)或者增加廢品率，例如●12●油氣儲運(yùn)2009年玻璃行業(yè)、電子行業(yè)(顯象管制造等)、照明產(chǎn)品制且污染嚴(yán)重的煤制氣,例如水煤氣、焦?fàn)t煤氣等,而造、陶瓷行業(yè)、特殊的熱處理等。在目前國內(nèi)使用的使用天然氣后就要放棄原來的煤氣氣源,但煤氣管幾種天然氣當(dāng)中，即使同一種天然氣的熱值的波動網(wǎng)壓力低,用戶灶具也是按照煤氣氣源配置的,如果也超過了士2% ,所以無論哪一種天然氣都無法滿足直接改用天然氣,就要重新鋪設(shè)管道(或者改造管用戶的要求,幾種天然氣同時使用更無法滿足用戶道) ,同時也要改換灶具,這樣需要大量的資金,這是的要求,這就要對天然氣進(jìn)行不同氣源的摻混。燃?xì)夤竞陀脩綦y以承受的。常用的解決方案是采用隨動流量摻混方法,向針對這類用戶,常用的解決方案是采用文丘里天然氣中加入少量空氣以降低熱值,同時將混合氣摻混方法,即需要自吸環(huán)境中的空氣,不需要加壓和的熱值波動控制在土2%之內(nèi);或者在天然氣中加入除濕,運(yùn)行費(fèi)用低。同時,由于用戶要求出口壓力比少量液化石油氣等高熱值燃?xì)馐蛊錈嶂瞪?并且較低,其摻混方式出口壓力(通常低于0. 04 MPa)較將混合氣熱值波動控制在土2%之內(nèi),以滿足用戶工低的缺點(diǎn)反倒成為了優(yōu)點(diǎn)。另外,文丘里摻混方法藝的要求。具有本安特性,運(yùn)行安全可靠。文丘里摻混方法流(2)也有一些中小城市的用戶原來使用成本高程示意圖見圖2。-23-pρ一兩一0一空氣或低熱值天然氣流最計(jì)(帶溫度壓力補(bǔ)償)調(diào)壓器混合氣混合器緊急切斷閥氧分儀熱值儀中央控制臺流量計(jì)(帶溫度壓力補(bǔ)償)貿(mào)299↑混合器999?高熱值天然氣防爆電動調(diào)節(jié)閥流量計(jì)圖1 隨天然氣動流量摻混的流程示意圖文丘里混氣機(jī)不能保證連續(xù)性,例如PNG,如果以油井口氣作為氣源,每間隔1~2年就必須進(jìn)行15~20天的管道混合氣出口檢修。如果以海上氣井作為氣源，在臺風(fēng)到來時就(LNG)t四需要停氣。在西氣東輸工程沿線的城市中,由于各地區(qū)季節(jié)用氣量的不均衡,加之對下游燃?xì)夤静捎谜崭恫蛔h協(xié)議,燃?xì)夤竞茈y保證冬季的最大用氣量，所以在冬季會出現(xiàn)燃?xì)夤?yīng)的峰值缺口。CNG現(xiàn)已大量應(yīng)用于華北地區(qū)，如果冬季用氣量驟圖2文丘里據(jù)混方法流程示意圖增,以西氣東輸管道為依托下載的CNG母站因氣較高壓力的天然氣經(jīng)過門站減壓后進(jìn)入文丘里量緊張,常常陷入無米為炊的境況。依賴井口氣壓混氣機(jī),在文丘里管中形成負(fù)壓吸人環(huán)境中的空氣，縮的母站,也會因?yàn)槎具\(yùn)途中惡劣的雨雪天氣而混合后進(jìn)入管網(wǎng)或者原來的煤氣氣柜,再供應(yīng)用戶●大大影響向外輸送的能力,CNG橇車因無法準(zhǔn)時到3、備用氣源與調(diào)峰氣源的問題達(dá)而造成暫停供氣，使主要利用CNG的用戶陷人近年來,無論P(yáng)NG、CNG還是LNG,供氣中都困境。國內(nèi)生產(chǎn)的LNG目前只能由汽車運(yùn)輸,最第28卷第2期.曹雄等:天然氣的摻混技術(shù)及其應(yīng)用遠(yuǎn)的子站有時在幾千公里之外。運(yùn)力與運(yùn)途中的問混方式不能持續(xù)滿足噴射壓力,因此適宜利用層疊題很難解決,而氣候的影響最為嚴(yán)重，即使進(jìn)口的渦旋風(fēng)機(jī)提供空氣氣源的移動摻混方式。因?yàn)樾枰狶NG已經(jīng)到達(dá),也不可能完全解決運(yùn)輸問題。如果移動,所以摻混系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時考慮了使用簡單、方便因?yàn)檫@些原因而發(fā)生停止供氣或者供應(yīng)量不足的問的原則,通常采用三個單元組成，即氣源單元、氣化題，居民生活受將受到嚴(yán)重影響,工業(yè)用戶可能面臨混氣單元和控制單元,各單元相互獨(dú)立,方便運(yùn)輸，停產(chǎn)或者減產(chǎn)的局面。解決這些問題有兩個方案可各單元間的聯(lián)絡(luò)電纜、連接軟管均預(yù)制成快裝方式，供選擇,一是建設(shè)地下儲氣庫,但是投資巨大,中小設(shè)備運(yùn)抵現(xiàn)場后應(yīng)能在30分鐘內(nèi)連接完畢向用戶燃?xì)夤净蛘吖I(yè)用戶都很難承受;二是以液化氣供氣。混空站作為備用氣源，該方案的可行性較強(qiáng),首先，該系統(tǒng)無需對液化氣進(jìn)行增壓，即可提供中壓液化石油氣來源廣泛,存儲便利,并且液化氣混空站(0.3~0.4 MPa)代天然氣,氣源供應(yīng)采用液相鋼瓶投資相對較小。對于用氣量較小的用戶,可選擇移供應(yīng),設(shè)2組電磁閥,根據(jù)液相出口的管道壓力而自動摻混方式,見圖3。動切換瓶組。氣化器通常采用電加熱,也可以用熱液相鋼瓶安全閥電熱水浴水式氣化器,方便移動和提供加熱能源。層疊渦旋風(fēng)機(jī)供氣壓力穩(wěn)定,風(fēng)量控制容易,同時總功率也比A組面面直氣化器去用戶較小。對于用氣量相對較大而用氣壓力要求較低的用B組自有名高壓比例發(fā)防爆氣泵 .戶,可以選擇文丘里摻混方式;對于用氣量較大而壓混氣機(jī)力要求也較高的用戶,可以選擇高壓比例摻混方式。圖3移動摻混方式流程示意圖該方式技術(shù)上成熟,操作簡單,供氣量大,非常適合由于液化氣鋼瓶的壓力不能持續(xù)保持較高的壓作為中小城市備用氣源或調(diào)峰氣源。高壓比例摻混力.瓶組加壓比較困難,也比較麻煩,采用文丘里摻流程示意圖見圖4. .溫水循環(huán)氣化器。比例式混氣機(jī)流景計(jì)穩(wěn)壓泵汽車槽車裝卸號儲謐回'縵沖罐氧分儀合2冷干機(jī)中央控制臺熱水泵-g Jpodare一級調(diào)壓器畔二級調(diào)壓器空氣緩沖罐抽液罐空氣壓縮機(jī)圖4高壓比例摻混流程示意圖液化氣和壓縮空氣由比例混氣機(jī)的兩個進(jìn)口各孔尺寸?；鞖忾y中的活塞既可左右旋轉(zhuǎn)改變兩種氣自進(jìn)人混氣機(jī)本體上的調(diào)壓器,其中空氣調(diào)壓器作體的進(jìn)口孔的面積，從而改變混合氣中兩種氣體的為主動閥,其設(shè)定壓力即為混氣機(jī)的工作壓力,液化比例,又可隨著用氣量的變化而上下浮動，自動跟蹤氣調(diào)壓器為隨動閥,其設(shè)定壓力與空氣壓力相同并用氣量的變化調(diào)節(jié)混氣機(jī)的流量。實(shí)時跟蹤氣壓力的波動,以確保兩種氣體以基本相4、管網(wǎng)故障的不間斷供氣問題同的壓力進(jìn)入混氣機(jī)內(nèi)。在兩種氣體的物理特性及國內(nèi)許多城市的燃?xì)夤芫W(wǎng)為多年前鋪設(shè),以鋼雙氣差壓基本確定后，決定流量的只有混氣閥的開(下轉(zhuǎn)第70頁)由氣儲運(yùn)2009年201MPa,僅為管材屈服強(qiáng)度(360MPa)的56%,滿規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)管道缺陷的復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng),建足了管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)的技術(shù)要求。由此可見，碳纖維議使用有限元數(shù)值模擬方法輔助復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)層能夠有效地降低管道缺陷的應(yīng)力水設(shè)計(jì)。.平,控制管道的徑向膨脹,保證管道修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)后恢復(fù)(3)加強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料維修補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用范圍和正常的運(yùn)行壓力。實(shí)踐證明,鄯善輸氣站站內(nèi)管道應(yīng)用條件的進(jìn)一步研究,以便更好地指導(dǎo)復(fù)合材料缺陷設(shè)計(jì)的復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)方案是安全可行的。維修補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。鄯善輸氣站站內(nèi)管道多處大面積外腐蝕缺陷經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)評估后,采用了碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)參考文獻(xiàn)后,管道均恢復(fù)了正常的運(yùn)行壓力。1，路民旭陳迎鋒等:管遘維 修補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢，油氣儲運(yùn),2005,24(1).2，Stephens D R and Kilinski T J ; Field validation of composite四、結(jié)論repair of gas transmission pipelines, Final Report to the GasResearch Institute Chicagollinois .GRI-98/0032,April 1998.(1)隨著管道完整性管理理念在我國的逐步推3， Chris Alexander, Bob Francini, State of the aet asessment ofcompoaite systems uset to repair transmissione, Proceeding of廣,對油氣輸送管道維修過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性的Icp 2006 , 6th International Pipeline Conference,September 25~要求也越來越高。碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是29 ,Calgary ,Alberta,Canada.一種快速、安全而經(jīng)濟(jì)的缺陷管道修復(fù)技術(shù),將在我國油氣輸送管道維修補(bǔ)強(qiáng)中得到越來越多的應(yīng)用。(收藊8期，2008-01-31)(2)針對現(xiàn)階段沒有成熟的復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)(上接第13頁)管居多,在嚴(yán)重腐蝕的情況下,很容易發(fā)生泄漏,加為能源,如果選擇其他能源管輸天然氣,又需要更改之近年來城市處于飛速發(fā)展?fàn)顟B(tài),在建設(shè)中也非常設(shè)備,給供求雙方都帶來一定的損失。容易造成地下管道破損漏氣的事故。由于燃?xì)獾囊捉鉀Q方案是,采用移動式中壓比例摻混系統(tǒng)先燃易爆特性,檢修時需要停止下游燃?xì)夤?yīng),這樣一行向用戶供應(yīng)代天然氣。當(dāng)管網(wǎng)鋪設(shè)到達(dá)后移動摻方面給下游的居民帶來生活不便，或給工業(yè)用戶造混系統(tǒng)可作為搶險(xiǎn)設(shè)備,也可運(yùn)至更遠(yuǎn)區(qū)城用作用成損失,燃?xì)夤?yīng)商也由于違反供氣合同而蒙受經(jīng)戶拓展。相對于建設(shè)固定混氣站,該方式大大降低濟(jì)損失;另一方面恢復(fù)供氣時必然導(dǎo)致不安全因素了建設(shè)時間與投資成本。的增加。采用移動式中壓比例摻混系統(tǒng),即可向下游提供1 000 m'/h以下流量的代天然氣。該混氣五、結(jié)束語;裝置可由汽車運(yùn)至事故點(diǎn)下游,在30分鐘內(nèi)投入使用，由鋼瓶內(nèi)的液化石油氣混制代天然氣(也可混制隨著我國長輸管道的建設(shè),城市天然氣利用工代油制氣與代焦?fàn)t氣)。裝置按戶外型設(shè)計(jì),并配有程不斷興起,各類燃?xì)庥脩舻囊蟛粩嗵岣?多種氣獨(dú)立控制室,安全可靠,使用便捷,待漏點(diǎn)修復(fù),恢復(fù)源并存的格局中也將會產(chǎn)生更多應(yīng)用上的問題,通供氣后即可用汽車運(yùn)走。過業(yè)界的共同努力,將會有更合適的解決方案。5、管道暫時無法到達(dá)區(qū)域的用戶拓展問題居民用戶尤其是大型工業(yè)用戶的供氣拓展對任何燃?xì)夤径际侵陵P(guān)重要的。當(dāng)用戶在管輸天然氣即將到來但未到來時,或者管輸天然氣無法到達(dá),同1，項(xiàng)友謙:燃?xì)鉄崃こ坛?用數(shù)據(jù)手冊,中國建筑工業(yè)出版社(北時這些用戶用氣量相對較大或者屬于知名企業(yè),這京)1999.對燃?xì)夤径允且灰粋€技術(shù)難題。如果建立CNG2，段常貴 t燃?xì)廨斉?中國建筑工業(yè)出版社(北京) .2001.3,劉新哲章崎平;天然氣應(yīng)用中 的問題及解決方案,煤氣與熱供應(yīng)站,但經(jīng)常是氣源不易確定,投資也相對較大;力.2005(7).如果建設(shè)LNG站,但投資相對CNG站更高。在這種情況下,用戶或是等待,或是轉(zhuǎn)而選擇電能或油作(收稿8期:2008-03-12)