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石油与天然气化 工 CH E MIC ALE NGl N EER INGO FO l L＆GAS 523 分析测试 天然气气质及其互换性 张玉坤 ’ 许文晓 。 陈勇 。 1 ．四川 大学化学工程学院2．中国石油 西南油气田公司天然气研究院 摘要介绍了天然 气互换性的 定义和表征参数，探 讨了目前美国 、英国和欧洲天然气气质及 其互换性研究进展，结合我国天然 气发展趋势，阐述 了开展 我国天然 气互换 性的 重要 意义并提 出了 建议。 关键词 天然气气质互换性 天然气作为 一 种清洁能源，在 世 界范围内得 到 越 来 越 广泛的应用。然而 ，需求的不断增长 造成天 然气供不应求的局 面。为了解 决这 一 情况，欧美等 国家不断从其他国家 进口液化天然气L NG，并将 液化天然气和 不同气源的天然气注入国家 输气管 网。美国气 体协 会A GA 预计，2020年管道 内 22％的天然气将 由LNG 供应；而 所有欧盟国家2030 年 引进的LNG量 预计将是2000年L N G 进口量的3 倍。我国计划在2020年建成 千万吨规模的 LNG 接 收站。 L NG 的 注入必将使输气 管网内天然 气 的气 质发生变化，给用户、设备生产商等带来影 响，使终 端用 户不得不考虑天然气的组成和互换性问题。 1 天然气的互顿 -肚 1．1 定义 任何燃具都是 按 一 定 的燃气成分设计的，即燃 具通常只 适用于 一 种燃 气。当燃气成分 变化不大 时，燃烧器燃烧工况虽有改变，但尚能满足燃具原有 的设计要求，那么 这种变 化 是 允许的。但当燃气成 分变化过大 时，燃烧工况的改变 使得燃具不能正常 工作 ，这种变化就是不允许的。 一 般，设某 一 燃具以 A 燃气为基准进行设计和 调整，由于某种原 因要以 s燃气置换A 燃气，如果 燃烧器 不加以任何调整而能保证燃具正常工作，则 表示 s燃气可以置换A 燃气，或称 s燃气对A 燃气 而言具有 ” 互换性 ” 。 A 燃气称为基准气，s燃 气称 为置换气。反之，如果燃具不能正常工作，则称S燃 气对 A 燃气而言没有互换性。 互换性不是可逆的， 即s燃气能置换A燃气，并不代表 A 燃气 一 定能置 换 s燃 气 。燃气互换性是对燃气生产单位提出的要 求，它限制燃气性质的任意改变。 1．2 表征天然气互换性的参数 描述天然气互换性 的参数有 多个，具有代表性 的有以下几种 发热量；沃泊 指数；相 对密 度；韦弗指数系 列 W eaverindices；A G A 指数系列A GAindices；不 完全燃烧系数；离焰指数；黑烟指数。 发热量代 表天然气的能量含量，可表示为高位 发热量或低位发热量。发热量并不是描述互换性的 最佳参数，沃泊指数是绽用最广的互换因子。沃泊 指数是在给定 时问内通过给定尺寸的燃烧器喷嘴的 天然气的热量。沃泊指数越大，热量 也 越高。 具 有相同沃泊指数的所有气体将传递相 同的热 量。但沃泊指数过高，会造成不完全燃烧，燃具会释 放出较高浓度的 一 氧化碳。沃泊指数过低，会 产生 离焰现象，火焰会变得 不稳定，甚至熄灭。美国国家 天然气委员会燃 气可互换性研究工作组N GC 采 用 “ 工作区间 ” 概念见图 1表明 沃泊指数对燃 烧 特性的影响。 相对密度用于互换性指标是为了限制天然气中 的重烃含量。重烃含量提高，即使沃泊指数相同，也 会导致出现 一 些燃烧 问题，如 一 氧化碳排放量增加、 煤烟形成、发动机爆震 或燃气轮机自燃。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 524 天然气气质及其互换性 2008 不完全燃烧系数、离焰指数和黑烟指数是英国 燃具市 场应用的互换 性参 数，而韦弗指数系 列和 A G A 指数系列 是美国市 场应 用 的互换 性 参数。韦 弗指数系列包括 离焰指数、回火指数、热负荷指数和 不完全燃烧 指 数；A G A指 数系 列包 括离 焰指数、回 火指数和黄焰指数。 2 麦国天然气气两厦互顿性 天然气中甲烷 的含 量对沃泊指数的影响最大。 大部分天然气经过加工处理后 含有 约90％ 一 95％ 体积分数的 甲烷。美国天然气工艺研究所 G T I 表 明，纯甲烷的沃泊指数为 1363Btu／scf；美国居民 用户天然气的沃泊 指数 一 般 介于 1310 ～ l 390 Btu／scf之间 。 G TI对 大 量天然气的组成 进 行了调 研，发现美国天然气的 甲烷 含量平 均为92 ．3％ 。美 国天然气组成和进口 L N G组成存在较 大差异，见图 2和图3 。 图片 其他组分7．7％ 100 98 96 94 毫92 砌 90 如8 8 8 6 8 4 82 图2美国天然气平均组成 图片表源美国天然气工艺研究所G T I 图3美国进口液化天然气平均组成 表1进 一 步比较了美国天然气与各种进口 LNG 的平 均性质。表 1表 明了高位发热量 对沃泊指数的 影响，发热量越高，沃泊指数越大。从表 1可以看 出，进口的LNG具备的天然气性质高于美 国的平 均 天然气性质。美国天然气的平均沃泊指数与从阿曼 进口的LNG的沃泊指数的差值超 过了7 ．5％ 。而美 国大部分燃气设备可耐受 的沃泊指数变化 为4％ ～ 5％ 。对于这部分设备的用户和厂商而言，制定统 一 的天然气气质标准是值得关心的问题。 一。 高位发热量 相对 沃泊指数 因冢 Btu／scfM J／m 。 密度 Btu／scfM J／m 3 美 国天然气 103338．430．59813364 9．70 特立 尼达 岛L N G 104238．760．57613725 1．04 阿尔及利亚L N G 10964 0．770．614139852．O l 卡塔尔L N G 1 12641．8 90．63 1141752．71 阿布扎比L N G 11264 1．8 90．63214 1752．71 马来西亚L NG 115542．970．64 914 3453．34 阿曼L NG 1 1624 3．230．654143753．4 6 注数字出自美国天然 气工艺 研 究所GT I。 美国在天然气气 质和互换 性 方面 既有州法 规， 又有 联邦法规。为了统 一 天然气气质，2004年，由 美国国家天然气委员会NG C牵头，联合近百家企 业以及部分政府和科研机构组成工作组简称N G C ，开 展了天然气气质和可互换性的研 究，于 2005 年2月发布了天然气可互换性 及非燃 烧 应用白皮 书，详细阐述了天然气气质和互换性 问题，并总结 A ．沃泊指数的变化范围是所在区域 “ 当地燃气的历史平均值 ” 或 “ 基准气或目标气 ” 沃泊指数的4％以内①。并且 沃泊指数≤1400Btu／scf52 ．08MJ／m 。 。 高位发热量≤11lOBtu／scf41．29 MJ／m 。。 B．其他组分的限定值① 丁烷及以上组分≤I ．5％摩尔分数 惰性气体≤4 ％摩尔分数 c．例外情况如果某些地区在使用沃泊指数、发热量和气体组分超 过上述限定值的气源方面已有实践经验 。 。则这些地区可以继续使 用该等气源。只要最终使用设备不会由此发生安全和应用方面的问 题。 注①实践表明，在所规定沃泊指数4％范围和燃气组分限定条 件下，燃气的沃泊指数 通常高于1200Btu／s cf4 4 ．64MJ／m 。 。 ②高位发热量的标准参比条件为101 ．325kPa，15q C 。 ③实践经验是指 由最终使用试验和监控程序建立的实际使用 经验。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气化工 C HEMlCAt -E NGIN E ERINGOFOlL＆GAS 525 出沃泊指数在当地 天然气典型值或历史值的 4 ％ 范围内是可接受的。燃气可互换性指标 。见 表 2。 N GC将该结果提交美国 联邦能源管理委 员 会 F E R C，希望委员会能发 起 一 建议 规则 制 定的通 知N OPR。他们希望该 N OPR 包 括定义沃泊指数 极限值的标准、 一 些特殊组分的限制及定义可互换 性 的方法。 2006年6月 ，FE RC拒绝发起该 N O PR ， 而是建议每个天然气公司在其管输协议t ariff中 的 “ 特定术语和条件 ” 中规定天然 气 气 质和互换性 问题。 3 英蓦王煞气气质碡互囊性 英国天然气气质指标由天然气安 全 管理法 规G SM R规定 ，该法规使用沃泊指数 作 为最主 要 的互换 性参 数。 G S MR 设置的沃泊指数范 围 为 4 7．20 ～ 5 1．41MJ／m ’ ，这 一 范 围小于其他许多国家 ， 包括欧洲其他国家规定的沃泊指数范围 。英国天然 气安全管理法 规G S MR 规定的气 质 参 数 旧 。见 表 3。 硫化氢，mg／m ’ 总硫包括Hs，mg／m 。 氢气，％m om 01 氧气，％m ol ／m 01 杂质 烃露点和水露点 ≤5 ≤50 ≤0．1 ≤0．2 不应含有 干扰管道或燃气设备 完 整性 或操作的固体或液态物质 其含量不干扰管道或燃 气设备完 整性或操作 沃泊指数w N，MJ／m 。 ≥ 4 5 7 1 ． ． 2 4 j 不完全燃烧 系数IC F ≤O．4 8 煤烟指数SI ≤0．60 注体积计 量的标准参比条件为101 ．325k Pa，15℃ 。 为了与未来欧洲天然气质量指标协调 一 致 相适 应，英国贸易工业部D T I发起 一 项计 划，确认与英 国天然气气质和互换性相关的 一 些问题。该计 划 内 容包括检查天然气入口点处的气体加工方案、评 价 不同气质条件下 的燃具 性能和协商天然气工业的未 来政策。 根据英国 DTI两年 的气质项目研究 结果 ，英国 政府很可能暂时保 持 G S M R 制定的天然气指标，要 求对超出该指 标的进口天然气进 行混合或 加工处 理，以符合现有的沃泊指数限制。 4 甑洲天譬气气顷厦互檄恬 欧洲委 员会指 令 98 ／30／EC和2003／55／EC目 的是创建 一 个内部天然气市场，以共同标准输送 、分 配、供应和储存天然气。欧盟各成员 国之间天然气 气质指标 的差异 为过境 贸易造成了障碍 。 欧盟 天然气管理论坛马德里论坛于 2002年 成立了欧洲气体能量交 换合理化 协会E A SEE g as， 目的是使参加论坛的所有成员对 一 组公共商 务准则达成协议，其 中的 一 部分是建立协调天然气 气质的准 则。欧 洲天然气工业技 术委 员会M ar cogaz “ 气体质量 ” 工作组也参 与了该 项工作，帮助 推荐有关气体互换性 的参数及参数值。该工作组在 “ 欧洲天然气互换 性 质量规范的第二份声 明 2003 ． 8．6 ” 中推荐沃泊指数和 相对密度作为互换 性参 数，并规定了参数值。 EA S EE g as采用了Marcogaz 的建议，并采用了相对密度参数 值及沃泊指数上限 值。 EA SE E g as规定的气质参数 旧。见 表4。 气质指标单位最低值最高值推荐实施日期 沃泊指数 k Wh／m ” 13．6015．811／10／ 2010 相对 密度 I TI ’／ m ’ 0．5550．7001／10／2010 总硫 mg／m 。 301／10／2006 H 2S C O S以硫计m g／m ’ 51／10／ 2006 RSH以硫计m g／m 。 61／10／2006 02 m01％0．011／10／2010 CO， to ol％2．51／10／ 2006 水露点 ℃／ 7MPaa 一 81／10／ 2006 烃露点 ℃／7MPa8 一 21／10／2006 {lk Wh3．6MJ ，燃烧温度25℃，体积计量的 标准参比条 件为101 ．325kPa，0c C 。 欧洲委员会已委托欧洲标 准 化组织C E N制 定 一 欧洲天然气气质标准，尽 可能 在合理的代价下 给出最宽范 围的、可接受 的天然气性能。 CEN正对 所 有欧盟国家 的所有燃气设备和燃具 的需求及有代 表性燃具 的测试项目进行调查。 该调 查与英国气质项目类似，只是数量大于英 国的项目，这将为天然气质 量 对 国 内燃 气用 具的安 全、效率和环境的影 响提供数据分析。 完成该工作后，CE N将考虑制定新的测 试标准 和燃具性 能标准，以建立能够经受较大变 动天然气 气质并有效运作的新的燃具群体。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 26天然气气质及其互换性 2008 5 我 国天然气气 质及互换性 我国天然气气 质指标是 由 国家强制 标准 GB 178 20 “ 天然 气 ” 进 行 规定的，在最新修订 的GB 178 20征求意见稿 中对高位发热量重新进 行 了规定 见表5，但对 天 然气组成 、天然气互换性无具体规 定，不利于燃气互换。 项目 高位发热量，MJ／m ’ 总硫以硫计，mg／m ’ ≤ 硫化氢，mg／m ’ ≤ 二氧化碳 ，y，％ ≤ 在交 接压力下，从5月 1日至10月3 1日 ，0 水露 点，o c ≤从1 1月1日至4月30日， 一 5 注本标准 中气 体体积的 标准参比条件 是101 ．325kPa ， 20℃ 。 在 GB／T13611 2006 “ 城镇燃气分类和基本特 性 ” 中对燃 气按沃泊指数进行了分类，对作为 燃 料 的天然气划 分 为5类3T 、4T、6T、10T和 12T ，其 中 3T 、4 T和6T类别气体热值不能满足 GB178 20中的 热值要求。同时 符 合 GB17820和GB ／T1361 1 2006的燃气沃泊 指数范围为33．8 7 ～ 53．81MJ／m ’ 101 ．325k Pa ，20 0C ，见表 6。 G B ／T13611 2006规定值 换算到 符合G B 178 2 0 101．325kPa，i 5％干101． 32 5kPa，20℃干 又 - 符 2 00 合 6 G 的 B 燃 ／T 气 1 分 36 类 11 诱帕指数i商华自救i ～诉帕萄数i} 晔白 数j ⋯， 标准MJ／m ’ 范围MJ／m ’ 标准MJ／m ’ 范围MJ／m ’ 10T41．5239．06 44． 8 4 40． 79 33．8 7 44．05 12T50．7345．67 54．7849． 8 3 448 6 ～ 53．8 l 注沃泊指数由20℃换算到15℃的 换算系数 为1 ．018 0。 6 对我国的启示 我国天然气产业正处在起步阶段，每年天然气 消费 量快速上升。目前沿海地区正大规模引进 LNG ，西气东输二线已签署协 议 从土库曼斯坦 和哈 萨克斯坦引进天然气，不同气质 的天然气和 LN G 进 入我国输气管网。国产天然气、引进 的管道天然气 和引进 的L NG由于产地 及处理工艺不同，气质必然 存在差异。当供给用户 的天 然气气质发生改变时， 置换气必须对基准气具有 “ 互换性 ” ，否则就不能保 证用户使用安全，这就对天然 气生产单 位供应单 位提 出了严格 的要求，限制了 天然气气 质的任意 改变。因此，尽快开展我国天然气互换 性研究是非 常必要 的。 但我国不同地区所面临的形势会有所不同，北 京、江苏等地今后将 采用 L NG 和管网气双气源， 一 个用户如果使用两种气源 混合后 的天然气，就需要 保持稳定的、可接受的可互换性参数指标，情况要复 杂得多。这是要求进入管网的各气源必须共同遵守 一 个天然气互换性要求，必须 适 应网内用气设 施要 求，形 成多气源、多产地 、多销售商和多用户的质量 保证体系。因此提出以下几点建议 1建议 由政府部门倡导、支持和资助，相关行 业协会牵头，联合石油天然气、城市燃气、燃气设备 生产、发 电、化工等行业的企业 和科研机构，尽快收 集各地区燃气气质、燃气设备设计 “ 基 准气 ” 方面的 数据，开 展 天然气燃烧设备的试验，深入开展燃气可 互换性方面 的研究。 2建议对目前使用的各种燃气设备开 展可互 换性方面 的研究，即研究 燃气组分变化可能产生的 影响，主 要表现在燃烧现象自燃、回火 、离焰、黄 焰、不完全燃 烧等和排放 特性氮 氧化物、 一 氧化 碳等等方面。 3尽快制定符合我国国情 、适 应天然气快速 发展需要的、统 一 的天然气互换性标准。 4进 一 步了解全球各 LNG 气源 的气 质数据， 针 对国内不同市 场研究适 用的天然气 “ 可互换 性 ” 控制方案。 参 考文献 1N G CInter cha“geabi l i tyWorkgroup，Whitepaper onn atu ralgasin - tercha“geab． 1ityandn on combustionendu se ，F ebruary28，2005 2U K g assafetym an agementregulation ，1996 3EASEE gas，C omm onbusin ess p r a cti ce ．Harm onisationofnatural gasqu ali ty，3February2005 作者简介 张玉坤高级工程师，1994年毕业于石油大学 北京化学工 程专业。现任中石 油 西南油气田公司天然气研 究院 副总工程师， HS E副总监。 收稿日期2008 09 0l；收修改稿2008 10 14 ；编辑杨 兰 类 4 O ， O 一 一 ” 扰 2 孓 类 O ， 0 一 弧 l一 0互 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m