多气源天然气的互换性问题.pdf

天然气工业 2 0 0 9 年 1 2 月 多气源天然气 的互换性 问题 秦朝葵 吴之觐 同济大学机械学院 秦朝葵等． 多气源天然气的互换性问题． 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 1 2 9 0 9 3 ． 摘 要 随着天 然气越来越多地应用于城 市燃气系统 ， 许多城市都将 出现 多种气源并存 的格 局。为此， 介绍 了多气源天然气互换性 问题的 由来及其可能产生的影响、 常见 的互换性判定方法和技术路 线； 追溯 了 L NG热值较 高的历史原因； 总结 了国外天然气互换 性问题的具体解决 办法； 分析 了我国多气源天然 气互换性研究的现状。最 后提 出了借鉴国外经验合理解 决我 国目前多气源天然 气互 换性问题 的对策 加快确立相 关行 业标准， 因地 制宜地 设定“ 适应 多气源燃具 的天然气设计基准参数” ， 并据此合理 引进 气源， 合理划 分区域， 按用 户分类供气； 同时应对 燃具制造商提 出“ 适应 多气源燃具 的设计要求” ， 对未来入市的燃具提 出明确要求。据此对现 有天 然气利用 设备进 行改造或调整 ， 以顺利解决天然气互换性 问题。 关键词 多气源 天 然气 组分 互换性 对策 中国 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 2 ． 0 2 8 我国的天然 气资源 主要分 布在 西 部 ， 埋 藏深 、 勘 探开发难度大、 成本高， 天然气输运管线长、 跨度大， 且许多城市都采用多气源供应 的方式 。以上海为 例 ， 已有 “ 西气 东输 ” 天然 气 、 川 气 、 东海 气 以及 近期 到岸的 L NG等多种气源。随着多气源格局的形成 ， 尤其 是进 口 L N G 与管输天 然气 由于生产 工艺 、 输运 方式 的不 同 ， 燃 烧 性质 存 在 较 大差 异 。天 然 气互 换 性将成 为越来越 多的城 市必须 面对的问题 。 1 互换性问题的 由来及其可能的影响 1 ． 1 天 然气互换性 问题 的由来 管输气在天然气贸易中一直占较高份额， 高压 输 送要 求必 须脱 除 易 凝析 的组分 ， 因此 管输 气 的热 值较低 。L N G贸易之初 ， 一些 国家在 L N G接收站 建立 了加工厂 ， 提 取 乙烷 、 丙烷 、 丁 烷 以 及更 高 的烷 烃 如戊烷 、 正 己烷 等 作 为单独 产 品出售 ， 同时保 证 外输天然气的组分与管输气相当， 形成 了天然气凝 析 液 N a t u r a l Ga s L i q u i d ，NGL 工 业 。其 后 随着 L NG价格 攀 升 ， 凝 析 液提 取 的 经济 性 降低 ， 外输 天 然气 中开始保留比管输气更多的高热值成分 ， 其热 值介 于 4 1 ． 3 6 ～4 3 ． 6 MJ ／ m。 之间 。另外 由于液化 工 艺的要求， L NG中氮气极少 ， 几乎不含二氧化碳 ， 而 这些组分在管输气中是常见的。 管输气与 L NG在热值和组分方面的不同， 导致 了天然气互 换性 问题 。 1 。 2天然气 互换性 问题可 能产 生 的影 响 美 国 燃 气 技 术 院 Ga s T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， GT I 对高热 值 4 3 ． 2 2 MJ ／ m。 L NG和低热值 3 8 MJ ／ m。 L NG进行了大量实验， 初步确定天然气互 换 性 问题 可能会产 生 以下影响 1 点 火性能 的改变 ， 可 能 导致不 完全 燃烧 ， 火焰 拉 长 、 出现 黄焰 、 烟气 中 c O 排 放量 升 高 ， 或 会 导致 排放 超标 ， 并 可能产 生 回火现 象 。 2 火焰温度的升高导致废气中 NO 含量升高。 3 对燃气质量要求高的燃烧装置如燃气轮机 等， 会导致其效率降低、 排放恶化， 降低设备可靠性 ， 并 缩短零部 件寿命 。 4 干扰 工艺流 程 的控制 ， 影响流 量计 的精度 。 天然气互换性问题涉及民用、 工业和商用 。工 业燃烧 器 ， 尤 其是低污 染的新 型燃 烧器 ， 对气 源 波动 的耐受 度更 差 ， 但 工业 燃 烧器 的数 量 较 民用 和商 用 要 少得 多 ， 且 多 为专 线 供气 、 专 人 维 护 ， 互 换 性 问题 的解决相对简单 。而 民用、 商用燃烧器虽然对气源 要求较低 ， 对气源波动有一定的适应能力 ， 但量大面 作者简介 秦朝葵， 1 9 6 8 年 生， 教授 ， 博士 ； 主要从事燃气燃烧与输配领域的科研与教学工作 。地址 2 0 1 8 0 4 上海市曹安 公路 4 8 0 0号同济大学机械学院。电话 0 2 1 6 9 5 8 3 8 0 2 ， 1 3 6 0 1 6 6 4 5 0 1 。E ma i l c h k q i n t o n g j i ． e d u ． c n 9 0 第 2 9 卷第 1 2 期 天然气工业 广 ， 决 定 了工作 人 员 不 能 深入 到每 家 每 户 现场 解 决 问题 。因此 ， 天 然 气互 换 性 问题 的研 究 重 点 应 以 民 用和商用燃烧装置为主 。 2 互换性 问题 理论计算 方法及其 比较 天然气 互换 性 问题始 于 2 0世 纪 ， 至 今 已形 成 一 套 比较 成 熟 的互 换 性 理论 计 算 方 法 ， 大 致 可 分 为互 换 指 数 判定 法 和 图形 判定 法 ， 指数 判 定 法 又 可分 为 单 指数 法和 多指数 法 。指数 判定 法 和 图形 判 定法 均 由大量 实验 的经验 数据 发展 而来 。 2 ． 1单指数 华 白数 Wo b b e i n d e x 法 天然 气 互 换 时 如果 华 白数 不变 ， 则 热 负荷 和 一 次 空气 系数就 基本稳 定 。 当天然 气组 分 和 性 质变 化 不 大 时 ， 华 白数 是 最 简便 也 是 最 早 的一 个互 换 性 判 据 。各 国一般 规定在 两种 天然 气 互换 时 华 白数 的变 化不 大 于1 0 E 2 2 。 在 天 然气 互 换 性 问题 早期 ， 由于置 换 气 和 基 准 气相差 不大 ， 燃烧 特性 较接 近 ， 用华 白数 即可 控 制 天 然 气互 换性 。但 随着 气 源种 类 的增 多 ， 仅 靠 华 白数 不 足 以判断 能否互 换 ， 此 时 ， 还 必须 引入 “ 火焰 特 性 ” 概 念 ， 可定义 为 发 生 离 焰 、 黄 焰 、 回火 和 不 完 全 燃 烧 的倾 向性 ， 与燃 气 的化学 、 物 理性 质 直 接 相关 。但 到 目前 为 止还 无 法 用 一个 单 一 的指标 来 表 示 ， 故 由此 发 展 出多指数 法 。 2 ． 2 多指数 法 多指数法可追溯 到 1 9世纪 4 0年代末 ， 如美国 AGA Ame n c a n G a s As s o c i a t i o n ，AGA 指 数 法 和 韦弗 指数 法 W e a v e r i n d i c e 等 。这 类 方 法涉 及 大量 实验 获 取 的经 验公 式 ， 可靠 性 与 燃烧 器 种类 和燃 气 的 类 型 功 相 关 。AGA 最 早 于 1 9 4 6年 颁 布 了 AG A 指数 法 ， 美 国燃 气研 究 院 Ga s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， GRI 于 1 9 8 2年进行了修订。该方法是作为天 然气和非天然气燃气互换 的可靠判据 ， 具有相当的 代表 性 和普适 性 ， 但 在新 兴 气 源 如 L NG 与 天 然气 的互换性 问题 上 ， AGA 法 的有 效性 还有待 评估 。 各种 指数 计算 法见 表 1 所示 。 2 ． 3各 种判别 法 的比较 各种 判别 法 的比较结 果见表 2 。 多 指 数 法 配合 华 白数使 用 的效 果最 好 ， 但 多 指 数法 需 对 每 种用 气 设 备 进行 计 算 和试 验 ， 工作 量 很 大 。为此 ， 在 解 决 L NG 与 管 输 气 的互 换 性 问题 时 ， NG C 由美 国 国家 天然 气委 员会 牵 头 ， 联合 L NG、 管 道 、 城 市燃 气 、 发 电 、 化 工 、 燃 气 设 备 生 产 、 天然 气 处 理等行 业 的近百 家企业 以及部 分政 府 和科 研 机构 组成 的工 作组 采 用 了一 个 较 为 实 用 的 “ 工 作 区间” 概 念 ， 如 图1 所 示 ， 其 目的是 找 到一 个 主要 参 数 并确 表 1 燃气互换指数计算方法表 指数判定法 计算公式 说明 单值指数法 华白数法 w 一旦 H为高热值 ； S 为相对密度 5 亩 陡 机 R B告 黼 一 r l F2 r 2 ⋯ ． 七匕 T K a S m i A GA ～ { ～ { }a 一 次 空 气 因 数 -厂 一 指 数 法 回 火 互 换 麓 ， T 1 r 1 r 2 ⋯ “ 一 V 0 7 r． 一 2 6 ． 3 r o 2 式 中 F为离焰常数； T为消 除黄焰需要 黄焰 _， a 口s 口 J v 一 考 害 ys 的 最 小 空 气 量 ； n 为 完 全 燃 烧 放 出 1 0 5 k J 热量所需要 的理论空气量 多值指数法 热负荷因数 ， 一 。 ∑ B 引 射 因 数 -， 一 g 0 s √ 妻 V 0 5 r 一 1 8 ． 8 0 2 1 式 中 R 为 燃 气 中 氢 原 子 数 与 碳 氢 化 合 回 火 指 数 一 妾 一 1 ． 4 -，n 。 ． 4 物 中 碳 原 子 数 的 比 值 ； N 为 燃 气 的 1 0 0 韦 弗 指 数 法 个 烃 分 子 中 ， 烃 类 分 子 总 数 减 去 饱 和 烃 脱 火 指 数 ．， 一 ‘， 妾 分 子 数 ； 0 2 为 燃 气 中 氧 气 的 百 分 比 为 燃 气 中 惰 性 气 的 百 分 比 ；W 为 燃 气 c 0生成指数 ． ， 一 J AO ． 3 6 6 R s O ． 6 3 4 的华 白数 ； V 。为燃气的理论空 气量 。 以上 公 式 中 ， 下 脚 标 a表 示 基 准 黄焰指数 I， 一 ． ， 一 1 气 ， s 代表置换气 ， mi x代表混合气体 9 1 天然气工业 2 0 0 9 年1 2 月 表 2 燃气互换常用方法比较表 方法 互换条件 特点 华 白指数法 华 自数变化不大于1 O 简便 ， 但适应 范围较窄 脱火指数 ， ≤ 1 ． 0 ； 回火指数 ， F 指 AG A指数法 适用较广 ， 但计算量大 1 ．1 8 ； 黄焰指数 』 Y ≥1 ． 0 数 0 ．9 5 热负荷因数 J H 1 ． o 5 判 o ．9 5 引射 因数 -， A 1 ． o 5 定 回火指数 J O ．6 4 1 ． 2 5 k P a 内 ， 计算量大 C 0 生 成 指数 J． O 黄焰指数 几 O ． 1 4 图 等离焰线 、 等 回火 线 、 等C O线 以及 形 德尔布法 两 条华白数 允许 变化 曲线 所限定 的 适用较广 、 较抽象 、 实验数据多 、 是其他 判 范 围内为可互换 区域 图形判定法的基础 定 置换后燃具 的新工作点应落在置换 法 燃烧特性判定法 较形象 ， 试验工作量大 后新的特性 曲线范围之内 图 1 NG G所提 出的“ 工作范 围” 要领图 定该参数在 最低 和最 高限时对最终使用效果 的影 响 。华 白数是最合 理 的选 择 ， 其 上 限用 于预测 黄 焰 、 不 完全燃烧 、 NO 和 C O排 放 等燃烧 问题 ， 下 限用 于 预 测脱火 、 吹熄 和 C O排 放等 问题 。 3 各国天然气互换性 问题的解决方法 3 ． 1 美国 美 国天然 气 的应 用历史 最 长 、 使 用量 最 大 、 遇 到 的问题 也最多 ， 关 于互换 性 的研 究最 早 。针对 L NG 和管输 气的互 换 性 问 题 ， 美 国于 2 0 0 5年 颁 布 了 天 然气可互换性及非燃烧类应用 白皮书 ， 提出了一系 列解决方案， 主要有以下 3种措施Ⅲ 3 ． 1 ． 1 在 天然 气 出产地进 行调 节 脱除天然气中的杂质和腐蚀性成分 ， 以及 甲烷 外的某些重烃 如戊烷 、 正己烷等 。早期 L NG在生 产 地均 进行 了上 述 凝 析处 理 ， 以防止 在 液化 工艺 过 程中发生冰堵 。但近年来 天然气价格攀升 ， 出于经 济性考虑 L N G中保留了一定的高热值成分 ， 导致整 体热值升高。 9 2 3 ． 1 ． 2 在天 然气进入输 配 管网前 进行调 节 在 L NG气 化进 入城 市输 配管网之 前 ， 主要是在 接 收站进行再 处理 。 1 凝析处 理 法 在 L N G 接 收 站 ， 采用 凝 析分 离 工艺对 I NG进行处 理 ， 减小 其 中 NG L的成分 。 2 掺 混气体 法 在 L N G接 收站进 行处 理 的另一 种方法是掺入氮气 、 空气 、 烟气等气体 ， 以降低其华 白数 ， 同时调整互换参 数 的数值 。 3 不 同气 源掺 混 法 在 接 收站 还 可将 两 种 不 同 来源 的 L NG进行 掺 混 ， 或 者 将 L NG与 各种 管输 气 源掺混。通过控制两种气源的不同比例 以满足一定 的外输气 质量要求 。 综上 ， 在 L NG接收站 处进行 惰性气 体掺 混是研 究 和实施最多 的控制 L NG可互换 性 的方 法 ； 在特定 条件下 也可采 用 NGL分离 。 3 ． 1 ． 3在 用户使 用端 进行调 节 1 对 气源 进 行 调节 美 国洛 矶 山脉 地 区 的燃 气 公司采用在城市门站处掺混空气的方法， 来解决该 地 区的 燃 气互 换 性 问 题 。在 掺 混 空 气 后 华 白数 从 4 9 ． 5 4 MJ ／ m。 降低到 4 4 ． 7 0 MJ ／ m。 。 2 对用户设备的调节 即对燃具进行调查和检 测 ， 必要 时根 据气 源 的变 化对 燃 具进 行 调 节 。该 方 法 需对 大 量 的燃 具进 行调 查 监 测 ， 同 时需 专业 的人 员对其进行调节。而大 中型工业燃烧设备 因数量 少、 对燃气质量要求高， 可采用该方法； 但对于量大 面广的民用、 商用燃具 ， 此方法不具备可行性。 3 ． 2欧洲 欧 洲 国家 众 多 且 各有 自己 的标 准 ， 差 异 很 大。 欧 洲的燃 气互 换 性 问题 始 于 l 9世 纪 6 O年 代 ， 当 时 第 2 9 卷第 1 2 期 天然气工业 的燃 气 互 换 性解 决 方 法 大 多采 用 控 制 燃气 质 量 ， 即 规 定一 个 质 量 标准 范 围 ， 此 范 围 内的燃 气 方 可 分 配 给现有燃具使用 ， 以保护终端用户的安全。进入 2 1 世纪后， 天然气的发展要求跨境联网互通 ， 2 0 0 2年 3 月 1 4日， 6 个 欧盟基 本 成 员 国在 巴黎 成 立 了欧 洲 能 源 燃 气 交 易 协 会 E AS E E g a s ， 受 美 国燃 气 工 业 标准 委 员会 成 功 经 验 的启 示 ， 采用 美 国 的互 换 问题 模型解 决本 土 问题 。 法 国政 府 1 9 9 7年 9月 1 6日发 布 政 府 令 ， 准 许 在法 国两 种不 同类 型 的输 配管 网 中 ， 输送 H 型 天 然 气 和 B型天然气 H、 B型管 网内的天然气 热值 范 围分 别是 3 8 ． 5 2 ～4 0 ． 0 8 MJ ／ m 。和 3 4 ． 2 ～3 7 ． 8 MJ ／ i n ， 以此解 决气 源不 匹配而 带来 的互换 性 问题 。 荷 兰天 然 气 存储 设 施 容 量 大 ， 通 过将 不 同热 值 的天 然气 混 配 ， 调 制 成 符 合用 户 需 求 的 混合 气 体 来 解 决燃气 互换 性 问题 。 德 国两 套 管 网标 准 热值 为 3 6 ． 1 8 ～3 6 ． O 3 MJ ／ m。和 4 O ． O 8 ～3 9 ． 9 7 MJ ／ m。 。 英 国 因拥 有 大量 陈 旧 的民用 设 备 ， 在 天 然 气 规 格 标 准化 的 问题 上采 取 了等 待 和观 望 的态度 ， 目前 推荐天然气热值为 3 9 ． 8 MJ ／ m。 ， 并以 k wh ／ m。 为计 价标 准 。 3 ． 3 亚 洲 亚洲 天 然 气 工业 起 步 较 晚 ， 但 发 达 国家 如 日本 则 较早 开 始 进 口 L NG。 日本 国 内 采 用 的 天然 气 质 量 标准是 天 然 气 的 高 热 值 需 达 到 或 者 超 过 4 4 MJ ／ m。 ，所 以在 L NG 中添 加 富含 丙 烷 、 丁 烷 的气 体 增 热 常用液 化石油 气 。 4 我 国天然气 互换性研 究的现状 从 2 O世 纪 6 0年 代 起 ， 我 国对 国外 天 然 气 互 换 性 的研 究 进展 已开始 关 注 并有 所 介 绍 。l 9 7 6年 ， 第 1 3 届 世界燃 气 大会 出现 了利 用华 白数 和 燃烧 势 德 尔布法 这 2 个 参数 对燃 气进 行 分类 的报 告 ， 我 国于 2 0世 纪 9 O年 代也参 照这 个方 法颁 布 了 GB ／ T 1 3 6 1 1 城 市燃 气 分类 ] 。2 0 0 6年 我 国颁 布 了 城 镇 燃 气 分类和基 本特 性 ， 对 GB ／ T 1 3 6 1 1 气 种 分类 等 进 行 了部 分改 动 ， 但 使 用 华 白数 和燃 烧 势 进行 分 类 的基 本 原则没 有发 生变 化 。 我 国现 行 的天然 气互换 性 理论 计算 方 法 基本 上 采用 AGA指数法 、 韦弗指数法和德尔布法。但 国外 制定 此 类 标 准均 针 对 本 国燃 具 情 况 ， 而 我 国的燃 气 使用习惯、 燃具设计、 气源成分等均不 同于国外。以 AG A 指数 法为 例 ， 目前采用 的 天然 气互 换 极 限值 仍 然 是 美 国以前 颁 布 的 标 准 ， 但 我 国典 型 管输 气 的 热 值 要 高于美 国 ， 所 以在基 准气 上 的定 义 会 有所 不 同 ， 且 离焰 、 黄焰 、 回火 的允 许 极 限 并 非一 成 不 变 ， 尤 其 是 当初 始工 况 改 变 时 ， 互换 指数 的允许 极 限值 必然 随之变化 。因此 国外 方 法 是 否适 用 于 我 国 ， 尚需 科 研 工作来 验证 。 5 结论 在 我 国大规模 引进 L NG后 ， 也会 面 临着全 国性 的天然气 “ 可 互换性 ” 问题 。但 不 同地 区所 面 临的形 势 又会有 所不 同 广 东 和福 建 等地 当前 采用 L NG单 一 气 源 ， 因而 主要 问题是燃 气设 备如 何 适应 L NG气 源 特性 的问题 ； 北 京 、 江 苏 等 地 今 后 将采 用 L N G 和 管 网气双 气 源 ， 情 况 要 复 杂 得 多 ] 。为 了解 决 由此 带 来 的天 然 气 互换 性 问题 ， 需 加 快 确立 相 关 行业 标 准 ， 因地制 宜 的设定 “ 适应 多气 源燃 具 的 天然 气设 计 基 准参数 ” ， 据此 合理 引进 气 源 ， 合 理 划分 区域 ， 按 用 户 分类供 气 ； 同时应 对燃具 制 造 商提 出“ 适应 多 气源 燃 具 的设 计 要 求 ” ， 对 未来 人 市 的燃 具 提 出 明确 要 求 ， 据此 对现 有天然 气利 用设 备进 行 改造 或 调 整 ， 以 顺 利实现 天然 气互换 。 参 考 文 献 [ 1 ]Wh i t e P a p e r o n n a t u r a l g a s i n t e r c h a n g e a b | l i t y a n d n o n c o mb u s t i o n e n d u s e[ R ] ．[ s ． 1 _ ] N GC I n t e r c h a n g e a bi l i t y W o r k Gr oup， 20 05 ． [ 2 ]姜正侯． 燃 气燃 烧理论 与实践 [ M] ． 北京 中国建筑工 业 出版 社 ， 1 9 8 5 ． [ 3 ]李猷嘉． 正确处理天 然气质量 中的燃气互 换性 问题 E J ] ． 城 市 燃 气 ， 2 0 0 8 3 6 1 0 ． E 4 ]孙 秀丽， 秦朝葵 ， 郭 甲生． 浅谈天 然气互换性 的对策研 究 E J ] ． 上海煤气 ， 2 0 0 8 4 2 0 2 3 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 4 2 6 编辑何 明 9 3 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载