天然氣互換性研究的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

楊詩怡，楊興振，李銀莉，許彭理

（1. 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 四川 成都 610500； 2. 新疆新捷燃?xì)庥邢挢?zé)任公司， 新疆 烏魯木齊 830000；3. 貴州燃?xì)鉄崃υO(shè)計(jì)有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽 550000； 4. 成都華潤燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司， 四川 成都 610500）

天然氣互換性研究的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

楊詩怡1，楊興振2，李銀莉3，許彭理4

（1. 西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院， 四川 成都 610500； 2. 新疆新捷燃?xì)庥邢挢?zé)任公司， 新疆 烏魯木齊 830000；3. 貴州燃?xì)鉄崃υO(shè)計(jì)有限責(zé)任公司， 貴州 貴陽 550000； 4. 成都華潤燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司， 四川 成都 610500）

隨著我國清潔能源需求的不斷增長和天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國逐步形成了國產(chǎn)天然氣、進(jìn)口管道氣和進(jìn)口液化天然氣的多氣源供應(yīng)格局。各氣源由于氣質(zhì)和組分的不同，進(jìn)入同一管網(wǎng)時(shí)易導(dǎo)致天然氣互換性問題，直接影響燃燒設(shè)備的燃燒特性。綜述了華白數(shù)法、AGA指數(shù)法、韋弗指數(shù)法、德爾布法和達(dá)頓法等天然氣互換性判別方法。分析了世界各國解決互換性問題所采取的措施，對我國未來天然氣互換性研究進(jìn)行了展望，建議通過實(shí)驗(yàn)建立符合我國氣源現(xiàn)狀的互換性判別方法。

多氣源；供應(yīng)格局；互換性；判別方法

2013年，我國天然氣表觀消費(fèi)量達(dá)到了 1676億 m3，占一次能源消費(fèi)的比重上升至 5.9%。天然氣進(jìn)口量達(dá)530億m3，同比增25%，天然氣對外依存度首次突破30%，達(dá)到31.6%。橫跨多個(gè)目標(biāo)市場區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)，資源多元化、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、調(diào)度靈活化的供氣格局將逐漸形成。目前我國天然氣氣源供應(yīng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化趨勢，有以陜甘寧氣、塔里木氣和四川氣為代表的國內(nèi)管道氣，緬甸、土庫曼斯特和哈薩克斯坦的進(jìn)口管道氣，澳大利亞、卡塔爾和馬來西亞為代表的進(jìn)口LNG，以及以新疆廣匯為代表的國產(chǎn)LNG[1]。

天然氣供應(yīng)多元化提高了我國天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全性，各種天然氣產(chǎn)地及生產(chǎn)工藝通常不同，各氣源，特別是管輸天然氣和液化天然氣的組分及燃燒特性差異較大，如果同時(shí)進(jìn)入一個(gè)管網(wǎng)，易導(dǎo)致天然氣互換性問題[2]。國產(chǎn)氣與進(jìn)口氣熱值存在較大的差異，我國目前多種氣源的高位熱值變化范圍為36.29～43.32 MJ/m3。我國某些城市已經(jīng)出現(xiàn)了不穩(wěn)定供氣與用戶穩(wěn)定要求之間的矛盾，特別是在具有LNG接收站的沿海省市，因此，開展天然氣互換性研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 天然氣互換性判別方法

天然氣互換性定義為[4]：在不明顯改變運(yùn)行安全、效率和性能、或者不會明顯增加空氣污染物排放量的情況下，在燃燒設(shè)施中采用一種燃?xì)馓娲硗庖环N燃?xì)獾哪芰Α?0世紀(jì)30年代美國就開展了燃?xì)饣Q性方面的研究，提出了美國燃?xì)鈪f(xié)會（AGA)判定法和韋弗判定法。20世紀(jì)50年代歐洲開始使用天然氣，隨之也進(jìn)行了互換性研究，相繼發(fā)展了德爾布法，吉爾伯特-普里格法，達(dá)頓法等判定方法。

1.1 指數(shù)判定法

1.1.1 華白指數(shù)法

華白指數(shù)法是天然氣互換性研究領(lǐng)域最早應(yīng)用的一個(gè)判別方法，它是表征燃?xì)鉄嶝?fù)荷的特性數(shù)據(jù)，天然氣互換時(shí)如果華白數(shù)保持恒定，則燃燒器熱負(fù)荷和一次空氣系數(shù)就基本穩(wěn)定。目前，世界各個(gè)國家規(guī)定的華白數(shù)允許范圍大多不一樣，但是作為燃具輸入熱量的基礎(chǔ)指數(shù)，很多國家規(guī)定其變化范圍在 5%左右。華白指數(shù)是目前使用最為廣泛的互換性判別方法，它僅從熱負(fù)荷的角度來考慮互換性，并沒有考慮穩(wěn)定燃燒所包含的其它因素，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性[5]。

1.1.2 AGA指數(shù)法

由于氣源種類增多，采用華白指數(shù)已不足以控制燃?xì)獾馁|(zhì)量，20世紀(jì)70年代美國燃?xì)鈪f(xié)會提出了以回火指數(shù)IF、離焰指數(shù)IL和黃焰指數(shù)IY這3個(gè)指數(shù)作為判斷燃燒穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，即AGA指數(shù)法。該方法使用的前提是燃?xì)獾母邿嶂当仨毚笥?32 MJ/m3，其中基準(zhǔn)氣和置換氣的性質(zhì)服從容積百分比混合法則。該方法是作為天然氣和非天然氣燃?xì)饣Q的可靠判據(jù)，具有一定的代表性和普適性，在新興氣源(如LNG)與天然氣的互換性問題上，AGA法的有效性還有待評估[6]。

1.1.3 韋弗指數(shù)法

韋弗指數(shù)法主要通過回火指數(shù)JF、不完全燃燒指數(shù)JI、熱負(fù)荷指數(shù)JH、脫火指數(shù)JL、引射因數(shù)JA、黃焰指數(shù)JY和6個(gè)指數(shù)作為判別依據(jù)[5]，其判別依據(jù)見表1。

表1 韋弗指數(shù)法判斷依據(jù)Table 1 Judgment of Weaver index

1.2 圖形判定法

1.2.1 德爾布法

法國燃?xì)夤镜膶?shí)驗(yàn)表明，不同氣源的燃?xì)庠谕环N燃燒器上燃燒時(shí)，回火、離焰和CO三條曲線主要取決于與內(nèi)焰高度有關(guān)的因素，而黃焰曲線則與內(nèi)焰高度無關(guān)[5]。該法選取的判別指數(shù)為華白數(shù)W和燃燒勢Cp，用W-Cp構(gòu)成的坐標(biāo)系上的曲線表示燃?xì)庠试S互換的范圍。

1.2.2 達(dá)頓法

達(dá)頓法根據(jù)燃?xì)饨M分進(jìn)行天然氣互換性的預(yù)測，該法認(rèn)為任何一種實(shí)際的燃?xì)饽軌蛴杉淄?、其他烴類、氫和惰性氣體構(gòu)成，其他烴類可用當(dāng)量丙烷和甲烷表示[6]。

上述5種天然氣互換性判別方法的特點(diǎn)如表2所示[6,7]。

表2 天然氣互換判定方法的比較Table 2 Comparison of natural gas exchange methods

2 世界各國解決天然氣互換性問題的方法

2.1 美 國

在世界各國中，美國是天然氣使用量最大、遇到問題最多的國家。美國國家天然氣委員會(NGC)牽頭成立了互換性研究工作組(簡稱NGC+)，開展了相關(guān)的燃?xì)饪苫Q性的研究，在2005年發(fā)布了《天然氣可互換性及非燃燒應(yīng)用白皮書》，給出了相關(guān)的解決方案，其方法主要有下面3種[2]：

（1）天然氣產(chǎn)地

早期LNG在出產(chǎn)地均會進(jìn)行凝析處理，分離出戊烷、己烷和更重的烴類組分，避免在液化工藝中造成冰堵故障。

（2）LNG接收站

①凝析處理法：采用凝析分離工藝對LNG進(jìn)行處理，降低NGL成分；②摻混氣體法：摻入氮?dú)?、空氣、煙氣等氣體，降低其華白數(shù)；③不同氣源摻混法：該方法的原理主要是通過在LNG接收站內(nèi)進(jìn)行兩種LNG的摻混[8]。

（3）用戶端

①調(diào)節(jié)氣源：燃?xì)夤就ㄟ^在城市門站處摻混空氣，解決了地區(qū)性的燃?xì)饣Q性問題；②調(diào)節(jié)用戶設(shè)備：對燃具進(jìn)行調(diào)查和檢測，必要時(shí)根據(jù)氣源的變化對燃具進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 歐洲

歐洲國家眾多，天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的差異造成了各自的標(biāo)準(zhǔn)相差較大。2002年3月，歐盟6個(gè)基本成員國在巴黎成立了歐洲能源（燃?xì)猓┙灰讌f(xié)會（EASEE-gas），借鑒美國互換問題模型解決互換性問題[4]。

英國擁有大量陳舊的民用燃?xì)庠O(shè)備，在多氣源互換性的問題上采取了觀望的態(tài)度，目前推薦的天然氣熱值為39.8 MJ/m3，計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為kWh/m[3,8]。

法國建設(shè)了兩種不同類型的輸配管網(wǎng)，分別輸送不同熱值的天然氣，兩種天然氣的熱值范圍分別為34.2～37.8 MJ/m3和38.52～40.08 MJ/m3。

荷蘭由于本身的天然氣存儲設(shè)施容量大，將熱值不同的天然氣進(jìn)行混合混配，向用戶輸送符合熱值需求的混合氣體[9]。

2.3 亞洲

在亞洲各國中，日本具有一定的代表性，其天然氣消費(fèi)主要依靠進(jìn)口LNG。日本相關(guān)的法律規(guī)定[5]：天然氣的高熱值必須達(dá)到或超過規(guī)定，規(guī)定進(jìn)口LNG的熱值不允許低于41.2 MJ/m3，然后增熱至45 MJ/m3。其增熱方案主要是通過在LNG中添加液化石油氣達(dá)到預(yù)定熱值，最低的高熱值為44 MJ/m3，平均為46 MJ/m3。

3 我國天然氣互換性研究現(xiàn)狀

1976年在英國倫敦召開的世界燃?xì)獯髸╓GC）上，國際燃?xì)饴?lián)盟（IGU）根據(jù)互換性概念利用華白數(shù)和燃燒勢對燃?xì)膺M(jìn)行了分類，20世紀(jì)90年代我國參照 IGU的研究成果，頒布了 GB/T 13611《城市燃?xì)夥诸悺贰?006年頒布了《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴?，對GB/T 13611氣種分類等進(jìn)行了修改，但使用華白數(shù)和燃燒勢進(jìn)行分類的基本原則沒有變化[10,11]。

我國在天然氣互換方面制定了一些規(guī)范和指標(biāo)，但我國天然氣互換性研究領(lǐng)域主要采用了國外判別方法，包括AGA指數(shù)法、韋弗指數(shù)法等，而我國氣源成分、燃具類型都和國外有較大差距，且沒有掌握國外的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，很難進(jìn)行深入探討。

因此，我國需要在分析比較國外天然氣互換成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以相關(guān)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納，繪制出適合我國燃具現(xiàn)狀的互換圖，提出符合我國天然氣氣源實(shí)際現(xiàn)狀的互換性方法[12]。

4 結(jié) 論

（1）隨著我國氣源多元化、供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的供氣格局的逐漸形成，成分不穩(wěn)定的氣源與要求相對穩(wěn)定的用戶之間的矛盾在我國城市中將會越來越多的出現(xiàn)，開展天然氣互換性研究工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）國外現(xiàn)有的互換性判別方法都是各國根據(jù)本國的氣源狀況通過實(shí)驗(yàn)研究得出來的，我國應(yīng)立足現(xiàn)有氣源實(shí)際現(xiàn)狀，提出符合我國實(shí)際情況的互換性研究方法。

（3）對于存在多氣源互換性問題的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)管道走向、氣質(zhì)成分、管輸壓力等因素合理選擇適應(yīng)性高的天然氣互換性方案，沿海城市引入進(jìn)口LNG時(shí)，應(yīng)選擇與已有氣質(zhì)互換性較好的氣源。

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Development Status and Trend of Research on Natural Gas Interchangeability

YANG Shi-yi1，YANG Xing-zhen2，LI Yin-li3，XU Peng-li4
（1. School of Petroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500，China；2. Xinjiang Xinjie Gas Co. , Ltd, XinJiang Wulumuqi 830000，China；3. Guizhou GAS & heat Design Co. , Ltd, Guizhou Guiyang 550000，China；4. Chengdu China Resources Gas Design Co., Ltd, Sichuan Chengdu 610500，China）

With the rapid development of the growing clean energy demand and natural gas industry in China, multi gas source supply pattern of domestic natural gas, import pipeline gas and liquefied natural gas in China has been gradually formed. Each source with different temperament and different component into the same network is easy to lead to natural gas interchangeability problem, which will directly affect the combustion characteristics of combustion equipment. In this paper, the discriminant methods of natural gas interchangeability were summarized, such as Wobbe number method, AGA index, Weaver index method, Del method and so on. The measures to solve the interchangeability problem at home and abroad were analyzed, natural gas interchangeability research in China was discussed, it’s suggested that the discriminant method based on the present situation of gas resource in China should be established by experiments.

Multiple gas source; Supply pattern; Interchangeability; Identification method

TE 624

A

1671-0460（2014）12-2655-03

2014-05-26

楊詩怡（1990-），女，四川成都人，在讀碩士生，現(xiàn)就讀于西南石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事城市燃?xì)夥较虻难芯抗ぷ鳌-mail：359208413@qq.com。