天然气互换性判别方法研究.pdf

6 42 石油 与 天 然 气化 工 CHEMI CAI ENGI NEE RI NG OF OI L GAS 2 O 1 3 分析 计 量 与标 准 化 天然气互换性判别方法研究 理 。 郭开华 皇甫立 霞 高文 学。 许 文晓。 山大学．7 - 学院 2 ． 中国石油西南油气田公 司天然气研 究院 3 ． 国家燃 气用具质 量监 督检 验 中心 摘 要 综述 了欧 美等 国家和地 区在 天然 气互换 性 方 面的研 究进展 ， 归纳 、 总结 和评述 了现 在 国际上应 用较 多的天 然气互 换性 判别 法 ， 分别 是 美 国的 AG A 3 6号公 告 方 法 、 韦 弗指数 法 ， 法 国德 尔布互换 法、 英国的达顿互换性判别方法等， 这些方法都是针对大气式燃烧方式提 出的， 具备各 自 的适 用性和 限制 性 。我 国于 1 9 8 2年 借鉴 了法 国德 尔布 互换 性 法 ， 针 对我 国城镇 燃 气进行 了分 类和 组分定义。对近年来我国在燃气互换性方面的研究和进展进行 了总结， 指 出随着燃气利 用终端设 备 的 多样化 ， 要根 据 具体燃 气燃 烧利 用设备 ， 基 于设 备 燃 烧 时燃 气和 空 气混 合 方 式 的不 同， 研 究 选 取适应要求的、 科 学的燃气互换性指标和配气控制参数 。 关 键 词 天然 气 互换性 沃泊指 数 燃烧 势 中 图分 类 号 TE 6 4 2 文 献标 志码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 2 0 S t u d y o n n a t u r a l g a s i nt e r c h a n g e a bi l i t y d i s c r i m i n a n t m e t ho d Zh o u Li ，Gu o Ka i hu a ， Hua ng f u Li x i a ， Ga o W e nx u e ，Xu W e n xi a o 1 ．S c h o o l o f En gi n e e r i n g o f S u n Ya t S e n Un i v e r s i t y，Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6，Gu a n g d o n g， Ch i n a； 2 ．Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Na t u r a l Ga s Te c h n o l o gy o f Pe t r o Ch i n a S o u t h we s t Oi l Ga e l d C o mp a n y，C h e n g d u 6 1 0 2 1 3 ， S i c h u a n， C h i n a；3 ．Ch i n a Qu a l i t y S u pe r v i s i n g a n d Te s t C e n t e r f o r G a s Ap p l i a n c e C G AC ， Ti a n j i n 3 0 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Thi s pa p e r r e v i e we d t h e r e s e a r c h p r o gr e s s o f na t ur a l g a s i n t e r c ha n ge a bm t y i n Eu r o p e a n a n d Ame r i c a n c o unt r i e s a n d r e gi o ns，a nd s u m ma r i z e d t ha t t he c o m m o nl y us e d ga s i n t e r c ha ng e a bi l i t y m e t ho ds i n t he wo r l d。whi c h a r e AGA Bu l l e t i n 3 6 me t h od。W e a v e r i nd i c e s m e t ho d i n U S，De l bo ur g m e t ho d i n Fr a nc e ，Dut t on Di a g r a m m e t ho d i n U K ，e c t ． The s e m e t ho ds a r e a l l d e v e l o pe d f o r a t m o s ph e r i c c ombu s t i on，wi t h r e s pe c t i ve a pp l i c a bi l i t y a n d l i mi t a t i o n．I n Ch i na，t h e t o wn g a s wa s c a t e g o r i z e d a n d d e f i n e d b y c o mp o s i t i o n a c c o r d i n g t o Fr a n c e De l b o u r g i n t e r e h a n g e a b i l i t y m e t ho d i n 1 9 8 2 ． The p a pe r a l s o s u m ma r i z e d t he r e s e a r c h a n d p r o g r e s s o n g a s i nt e r c ha nge a b i l i t y i n r e c e n t y e a r s i n Chi n a，a n d i nd i c a t e d t ha t wi t h t he di ve r s i f i c a t i o n of t he f u e l ga s t e r m i n a l e q ui pm e nt s，t h e de s i r a bl e a n d s c i e nt i f i c g a s i n t e r c ha n ge a bⅢt y i n di c e s a nd ga s di s t r i bu t i o n c on t r o l p a r a m e t e r s c o ul d b e s t u d i e d a n d c h os e n a c c o r d i ng t o t he s p e c i f i c ga s c o m bu s t i on e q u i pm e nt ，a nd b as e d on t h e di f f e r e nc e of m i xe d mod e s o f g a s a n d a i r wh e n bu r n i ng ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ，i n t e r c h a n g e a b i l i t y，W o b b e i n d e x，c o mb u s t i o n p o t e n t i a 基金项 目 2 0 1 2年国家质检公益科研专项项 目“ 天然气 互换性技术和标准研究” 2 0 1 2 1 0 2 3 5 。 作者简 介 周 1 9 8 1 一 ， 男 ， 工程师 ， 中国石油西南油气 田公 司天然气研 究院检测所 副所 长 ， 国际标准制 定工作组 I S O／ T C 1 9 3 ／ S C 1 ／ w 2 2 召集人 ， 主要从事天然气分析测试及标准 化方面 的研 究工作 。地址 6 1 0 2 1 3 四川成都 双流华 阳天研路 2 1 8号 。电话 0 2 8 8 5 6 0 4 5 1 2 。E ma i l z h o u ． 1 i p e t r o c h i n a ． c o rn． C F I 周 坤 l ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 6期 周 理 等 天然气互换性判别方法研究 2 0世纪 4 O年代以前 ，许多国家就开始注意到 燃气组成 的变化对燃气 的利用有很大的影响 ， 提 出 了燃 气 的互换 性 I n t e r c h a n g e a b i I i t y 和燃 具 的适应 性 F l e x i a b i l i t y 两个 概念 ， 其 中燃 气 互换 性 定 义为 在不明显改变运行安全 、 效率和性能 ， 或者不会 明显 增加空气污染物排放量的情况下， 在燃烧设施 中采 用一种燃气替代另外一种燃气 的能力口 一 。很多机构 开展 了燃气互换性方面的研究 ， 根据各 自气 源情况 和燃气应用 中的突出问题 ， 提出 了一些判 断燃气互 换 与否 的方 法 和技术 。 2 1 世纪以来 ， 天 然气 国际贸易量 日趋 扩大， 各 国与贸易有关 的部门与投资者和燃气链 中的应用部 门各有 自己的立场。前者希望扩大对天然气组分 的 限制要求 ， 后者希望能遵循燃具的应用规律 ， 两方面 在不断地进行研究 和磋商 ， 期望 能为本 国或本地区 得到一个合乎实际的、 统一的结论。 1 国 内外天然气互换性 问题 的研究 1 ． 1欧洲 地 区 欧洲地区燃 气使用 的历史悠久 ， 2 1世纪 以来 ， 天然气的发展要求跨境联 网， 互通有无 。由于国家 众多且情况不同， 各有 自己的标准 ， 差异也很大 ， 亟 需能为跨境服务 的燃气互换的质量标准。欧盟的许 多国家认为 ， 解决互换性 问题的主要 方法是控制燃 气的质量 ， 使之适应于国内的燃具市场 。结果就 出 现 了不 同 的互换 性方 法 ， 反映 了不 同型 号 、 不 同年代 使用 中各类燃具 的要求。在英 国， 当地燃气 的供应 量下降 ， 对来 自英 国大陆架 UKC S 的天然气供应 的长期关注 ， 使确保供应安全性的互换性方法得到 了发展。英国由于本土很多的燃气质量和英 国大陆 架 的气源有关 ， 多年来一直在研究天然气 的互换性 。 为适应这种燃气组分 的变化 ， 英 国燃气界发展 了一 种 半定 量 的衡 量燃 气适 应性 的 方法 。这 一方 法开 始 主要用于家用燃具 ， 但 对工业和商业用户也 同样有 指导作用 。 1 ． 2 美 国 美国天然气应用的历史最长， 使用量最大， 遇到 的问题最多 ， 关于互换性的研究最早 ， 也最深入。近 年来 ， 由于液 化天然气 L NG 的进 口量 日益增 长， 燃气组分在各生产 国的变化较大 ， 与 国内所供 天然 气 的组 分 可能 不 匹配 ， 能否 利 用 原 有 管 网供 气 迫 切 需 要有 一个 统一 的意见 。 美 国燃气 行 业 的协会 组 织 、 科 研 机 构 和企 业 已 经在燃气可互换性方面开展 了大量研究工作， 但 目 前在各地区燃气气质特性 、 各种终端利用设备对气 质组分变化的忍耐程度等方面 ， 数据还很 缺乏 。为 此 ， 美 国国家气体委员会 N GC 建议设定一个过 渡 区间 ， 以 收集 和 分 析 更 多 的 数 据 ， 进 行 更 多 的试 验 ， 使业界在制定气质可互换性标准方面达成共识 。 1 ． 3其 他 国家 俄罗斯是天然气的用气大国， 也是主要的出 口 国， 由于其气质长期十分稳定 ， 不存在互换性问题。 日本较早开始进 口 L NG作 为本 国的气 源， 进 口量 占 8 5 以上 。日本的法律规定 ， 天然气的高热 值必须达到或超过规定 ， 规定进 口 L NG 的热值不 允许低于 4 1 ． 2 MJ ／ m。 ， 然后增热至 4 5 MJ ／ m。 。因 此 ， 应用 丙 、 丁烷 增 热 ， 最 低 的高 热 值 为 4 4 MJ ／ m。 ， 平均 为 4 6 MJ ／ m。 。近 年 来，由 于 液 化 石 油 气 L P G 价格猛涨 ， 高热值 已适当降低 ， 但 2 0 0 7年仍 达 4 5 MJ ／ m。 。自 1 9 9 2年以来 ， 燃气轮机沃泊指数 w 的允许波动范围在 5 以内， 以达到高效 、 NOx 低排放和燃烧稳定的要求 ， 而实际的波动范围只有 2 MJ ／ m。 E 2 3 ] 。 印度 进 口的 L NG 主要 用 于 工 业 ， 炊 事 则 主 要 用煤油 ， 采暖主要用 L P G或煤油 。印度的地方配气 公司只有 3家， 无适用于全 国的天然气质量标准。 进 口L NG的研究主要侧重于价格而不是质量 。政 府对燃气的质量问题正在评估口 ] 。 1 ． 4 中国 1 9 7 6年 在 英 国 伦 敦 召 开 的 世 界 燃 气 大 会 W G C 上 ，国 际 燃 气 联 盟 I GU 根 据 互 换 性 概 念 进行了燃气分类 。我 国参考了 I GU 的研究成果 ， 在 我 国城镇燃气分类标准的制定 中， 充 分考虑 了基准 气和界限气 的定义和分类 。 我 国的天然气供应 ， 除国产天然气外 ， 还从不 同 国家进 口 L NG， 从 中亚 、 俄罗斯 、 缅甸等进 口管道 气 ， 天然气 的最高 和最低 w 相差约 2 5 。国际上 与中国类似情况 的国家只有西班牙 ， w 相差 2 O ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 6期 周理 等 天然气互换性判别方法研究 6 4 5 火焰速度指数 J 图2 天然气互换图及其演变 Fi g． 2 Na t u r a l ga s i n l e r c h an ge ab_ t y gr ap h a nd ev olut i o n 非甲烷组分 相当于c H N 摩尔分数／ ％ 图3 欧洲常用天然气与达顿互换性判别图形的关系 英国，1 9 8 4 年出版 F i g． 3 Relat i o n b et wee n c o mmonly u s e d na t u r a l ga s es in Eur op e an d Du t t on i n t er c ha n gea biI I t y di a gr am U K， p u b l i s h e d in 1 9 8 4 一 致 。达顿方法适 用于天然气和其他含氢的燃气。 该 互换 性 方 法 充 分 考 虑 了 火 焰 燃 烧 现 象 与 火 焰 温 度 、 燃烧速度及燃具性能有关联。认为燃气 中含有 的烃和惰性气体对火焰特性有影响 ， 达顿试图开发 一 种简化的方法， 于是提出了当量混合物的概念 ， 燃 气 中烃 的含量 可 以 由标 准烃 甲烷和 丙烷 的含 量 代 替 ， 对 惰 性 组 分 ， 则 用 标 准 惰 性 气 体 表 示 ， 即氮 气 。 由于不 同烷烃的层流燃烧速度是相似的， 惰性气体 的影响也是相似的， 故该方法对互换性的判断是适 用的。当量混合气方法必须保持“ 分子数” 守恒 ， 以 确 保 与燃气 体 积有 关 的标 准 燃气 规则 能够 有效 。惰 性气体组分通过影响 w 而产生 当量数 。为考 虑氢 气的影响 ， 这一基本方法进行 了外延。 2 ． 3美国的燃气互换性判别法 1 9 2 7年 ， AGA 开始 了一项长达 6年 的互换性 研究 ， 称为 燃气掺混调查研究 ， 依据研究成果提出 了一 个通 用 公 式 ， 称 为 “ C ” 指 数一 燃 气 具 性 能 的互 换性指数 ， 并于 1 9 3 6年在联邦 贸易委员会的 公用 事 业 上发 表 ， 这一 指数 一般 称 为“ AGA‘ C’ 指数 ” 。 1 9 3 8年 ， AGA委员会选择代表美 国国内应用 的可用 于燃 气 具测试 的燃气进 行 了调查 研究 。研 究 结 果见 A GA 测 试 实 验 室 8 4 7号 报 告 ， 虽 然 测 试 的 燃 气种 类 与数量 比 掺 混 燃 气 调查 研 究 要 少 ， 但 也 给 出了一些 重要 数据 。 在 1 9 4 1年 ， 诺 埃 最早 关注 包括 了 L P G 的置 换 ， 出版了一个被广泛接受的互换性公式， 即诺埃指数。 1 9 4 6年 ， AGA． 实 验 室 出版 了 3 6号 公 告 研 究 报 告 ， 对 互 换性 研究 进行 了论 述 。 由此可 见 ， 在 2 O 世 纪早期 ， 美 国燃 气行 业协 会 已经做 了大量 的工作 ， 用几十种燃气混合气对燃气具进行了上万次的测试 实验来评估和模拟互换性 。随着燃气供应 的日益多 样性 以适应需求的变化 ， 以及燃具燃烧器及其 他终 端利用燃烧装置 13趋复杂以适应提高效率和排放问 题 的需要 ， 这类 测试 工 作必 须继 续进行 。很 显然 ， 评 价一 种新 供应 置换 燃 气 的互换 性 问题最 可行 方法 是在 实验 室里 对不 同 的燃 烧装 置 利 用 某 一 参 考 调 节 气进行调节以测试其性能。对于天然气而言， 这 是一个“ 费时 、 耗财” 的过程 ， 因此对每一种需要进行 燃气互换性评估 的情况是不切实际的。替代大量实 验室测试更合理可行的方法是利用那些容易测量的 燃 气特 性 进行 预测 性计 算 。 3 我国的互换性技术与方法研 究 3 ． 1 燃气互换性的特性参数 我 国在 1 9 8 2年正式借鉴了法国德尔布燃气互 换 性方 法 ， 提 出采用 燃 气 W 、 C P 燃 烧 势 两 个 主 要 参 数来 分 析和判 断燃 气 的互换 性 。 以后 基 于大气 式 燃 烧器 具 的 燃 气 互 换 性 研 究 ， 采 用 燃 气 W 、 C P、 黄 焰 、 结炭等指标对燃 气互换 的燃烧 性能进行 界定。 在 过去 相 当长 的一 段 时 间 里 ， 相 关 的实 验 研 究 主 要 集 中在典型燃气对人工煤气与天然气类燃具的气质 适 应性 的影 响 。主要 公式 如下 1 W 计算公式见式 1 。 w一旦 1 姐 式 中w 为 沃 泊 指 数 ， 或 称 热 负 荷 指 数， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 与 天 然 气化 工 CHEMI CAL ENGI NEE RI NG OF OI L GAS MJ ／ m。 ； H 为燃气高热值 ， MJ ／ m。 ； d为燃气相对密 度 设空气的相对密度一1 。 2 C P计算公式如下 C P K． ,／ d 2 K 一 1 0 ． 0 0 5 4 O 3 式中 C P为燃烧势 ；H 、 C O、 C H 、 C H 分别 为燃气中 H 、 C O、 C H 、 C H 的体积分数 ， ％； d为 燃气相对密度 ； K 为修正系数 ； O 为燃气 中氧的体 积 分数 ， 。 3 ． 2 我 国近年 来的燃 气互 换性 研究 概 况 随着燃气燃烧利用设备 的多样化 ， 更多 的高效 率、 低碳排放的燃烧设备进入城市家庭和企业 ， 形成 了不同燃烧方式共存的城市燃气利用格局， 扩散式 燃烧器 、 大气式燃烧器、 完全预混式燃烧器共同存在 于同一个城市的燃气网络末端。不 同种类燃气的转 换有不尽相同的技术要求、 工程标准和质量控制体 系 4 ] 。不同燃气如何平稳利用 、 燃具如何适配多气 源转换 ， 以及如何实现等效实验配气 ， 仍是现实的技 术 问题[ 5 ] 。 2 0 1 2年 ， 中国石油西南油气 田公司天然气研究 院承担了国家质量监督检验总局标准前期研究项 目 天然气互换性技术和标准研究 ， 以建立既适 合我 国国情又与 国际接轨的进入长输管线 的天然气互换 性准则 国家标准， 为实现我 国燃气互换性提供指导 和依据。主要内容包括 对我国涉及 到入 网混输的 各类气源 包括 国 内气 田气 、 煤层气 、 页岩气、 煤制 气 以及进 口天然气 和 L NG气质及互换性 相关参 数的现状进行调查 、 分析研究 ； 调查 、 分析研究我 国 各类燃气用具 居民用燃具 、 工业用燃具 、 汽车、 燃气 轮机等 对燃气气质与互换性相关要求 ； 对 比分析研 究国际 、 国外相对成熟的天然气互换性判别方法相 关标准和技术规范 。项 目的研究成果将为进入我国 长输管线的各类天然气互换性判别提供有效的技术 支撑 。 4 结 语 近年来 ， 我国在燃气互换性判别方法方面进行 了很多有益的研究和探索 ， 通过对城市燃气的互换 性 和燃 具 的适 应 性两个 方 面进行 了实验 和理论 的研 究 ， 建立和确定了表征大气式燃烧器具燃烧特性 的 主要参数 ； 形成了实验测定燃气具气质适应域与城 市燃气互换域的技术方法 。 当前形势下， 特别是我 国天然气供应格局从之 前单一 的国内油气 田天然气 区域供应 ， 转 向了多气 源、 多种类 的天然气通过主干线混合输送并联网供 ； 基于技术研究及气量供销 的原因 ， 天然气互换性方 法研究开始 由大气 式燃烧方式转而面向全预混 、 扩 散式等不 同燃烧方式 。随着燃气利用终端设备 的多 样化， 要根据具体燃气燃烧利用设备 ， 基于设备燃烧 时燃气和空气混合方式的不 同， 研究选取适应要求 的、 科学 的燃气互换性指标 和配气控制参数 。对各 种燃烧方式 ， 要进行严谨的燃气互换性实验 ， 研究并 确定与之燃烧特性和排放指标有关联的关键特性参 数， 合理选择燃气互换性 研究 的技术参 数、 控 制指 标 ， 并进行 大量 的实验研究 和技 术论证 ， 以建立完 整 、 科学的城市燃气多气源互换性方法体系。 参 考 文 献 [ 1 ]Ame r i c a n G a s As s o c i a t i o n ． Ga s E n g i n e e r s Ha n d b o o k F i r s t E d i t i o n ， C h a p t e r 1 4 一 1 n t e r c h a n g e a b | 1 t y o f f u e l g a s e s [ M] ． Ne w Yo r k t h e I n d u s t r i a l P r e s s ，l 9 6 5 ． [ 2 ]李猷嘉 ． 正确处理 天然气质 量 中的燃 气互换性 问题[ J ] ． 城 市燃 气 ， 2 0 0 8 4 3 1 1 ． [ 3 ]郭开华 ， 王冠培， 皇甫立霞 ， 等．中 国天 然气气 质规格 及互 换性 标 准问题 I J ] ．天然气工业 ，2 o 1 1 ， 3 1 3 9 7 1 0 1 ． [ 4 ]张杨竣 ， 秦朝葵 ， 刘鹏君． L NG互换性 及我 国天然气 气质管理 问 题探讨[ J ] ． 石油与天然气化工 ， 2 0 1 2 ， 4 1 2 2 1 9 2 2 2 ． [ 5 ]杨贤潮 ， 秦朝葵 ， 戴万能． 典 型互换性 判别法对 国 内燃具 适用性 的实验研究r 1 ] ． 石油与天然气化工 ． 2 0 1 2 。 4 1 I 4 8 5 2 ． 收稿日期 2 0 1 3 1 0 3 0 ； 编辑 钟 国利 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m