多气源天然气的互换性问题

加工利用与安全环保天然气工业2009年12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,2009,29(12):90-93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LNG热值敦高的历史原因;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”,对未来入市的蘼具提出明确要求。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DOI:10.3787/j.issn.1000976.2009.12.028我国的天然气资源主要分布在西部,埋藏深、勘这些组分在管输气中是常见的。探开发难度大、成本高,天然气输运管线长、跨度大,管输气与LNG在热值和组分方面的不同,导致且许多城市都采用多气源供应的方式。以上海为了天然气互换性问题例,已有“两气东输”天然气、川气、东海气以及近期1.2天然气互换性问题可能产生的影响到岸的LNG等多种气源。随着多气源格局的形成,美国燃气技术院( Gas Technology Institute尤其是进口LNG与管输犬然气由于生产工艺、输运GTI)对高热值(43.22MJ/m3)LNG和低热值(38方式的不同,燃烧性质存在较大差异。天然气互换MJ/m3)LNG进行了大量实验,初步确定天然气互性将成为越来越多的城市必须面对的问题换性问题可能会产生以下影响:1互换性问题的由来及其可能的影响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CO排放量升高,或会导致1.I天然气互换性问题的由来排放超标,并可能产生回火现象管输气在天然气贸易中一直占较高份额,高压2)火焰温度的升高导致废气中NO含量升高。输送要求必须脱除易凝析的组分,因此管输气的热3)对燃气质量要求高的燃烧装置如燃气轮机值较低。LNG贸易之初,一些国家在LNG接收站等,会导致其效率降低、排放恶化,降低设备可靠性,建立了加工厂,提取乙烷、丙烷、丁烷以及更高的烷并缩短零部件寿命烃(如戊烷、正己烷等)作为单独产品出售,同时保证4)干扰工艺流程的控制,影响流量计的精度,外输天然气的组分与管输气相当,形成了天然气凝天然气互换性问题涉及民用、工业和商用。工析液( Natural Gas Liquid,NGL)工业。其后随着业燃烧器,尤其是低污染的新型燃烧器,对气源波动LNG价格攀升,凝析液提取的经济性降低,外输天的耐受度更差但工业燃烧器的数量较民用和商用然气中开始保留比管输气更多的高热值成分,其热要少得多,且多为专线供气、专人维护,互换性问题值介于4.36-43.6M/m之间。另外由于液化工的解V中国煤化工烧器虽然对气源艺的要求LNG中氮气极少,几乎不含二氧化碳,而要求CNMHG应能力,但量大面作者简介:秦朝葵,1968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:(201804)上海市曹安公路4800号同济大学机械学院。电话:(021)69583802,13601664501。 E-mail: chkqin@ g tongi.edu,cn·90·第29卷第12期天然气工业加工利用与安全环保广,决定了工作人员不能深入到每家每户现场解决发展出多指数法。问题。因此,天然气互换性问题的研究重点应以民2.2多指数法用和商用燃烧装置为主多指数法可追溯到19世纪40年代末,如美国2互换性问题理论计算方法及其比较AGA( Amencan Gas Association,AGA)指数法和韦弗指数法( Weaver indice)等。这类方法涉及大量天然气互换性问题始于20世纪,至今已形成一实验获取的经验公式,可靠性与燃烧器种类和燃气套比较成熟的互换性理论计算方法,大致可分为互的类型密切相关。AGA最早于1946年颁布了换指数判定法和图形判定法,指数判定法又可分为AGA指数法,美国燃气研究院( Gas Research Insti单指数法和多指数法。指数判定法和图形判定法均tute,GRI)于1982年进行了修订。该方法是作为天由大量实验的经验数据发展而来。然气和非天然气燃气互换的可靠判据,具有相当的2.1单指数(华白数 Wobbe index)法代表性和普适性,但在新兴气源(如LNG)与天然气天然气互换时如果华白数不变,则热负荷和一的互换性问题上,AGA法的有效性还有待评估。次空气系数就基本稳定。当天然气组分和性质变化各种指数计算法见表1所示。不大时,华白数是最简便也是最早的一个互换性判2.3各种判别法的比较据。各国一般规定在两种天然气互换时华白数的变各种判别法的比较结果见表2。化不大于士10%21。多指数法配合华白数使用的效果最好,但多指在天然气互换性问题早期,由于置换气和基准数法需对每种用气设备进行计算和试验,工作量很气相差不大,燃烧特性较接近,用华白数即可控制天大。为此,在解决LNG与管输气的互换性问题时然气互换性。但随着气源种类的增多,仅靠华白数NGC+(由美国国家天然气委员会牵头,联合LNG、不足以判断能否互换,此时,还必须引入“火焰特性”管道、城市燃气、发电、化工、燃气设备生产、天然气概念,可定义为发生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧处理等行业的近百家企业以及部分政府和科研机构的倾向性与燃气的化学物理性质直接相关。但到组成的工作组)采用了一个较为实用的“工作区间目前为止还无法用一个单一的指标来表示,故由此概念如图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单值指数法华白数法W=HH为高热值;s为相对密度离焰极限常数:K=Fn+P:n+离焰互换指数:lL=f.a.(K,Ig)次空气因数:∫指数法时火互换指数:h=E,HTn+T2r2+…黄焰互换指数:Iy=式中:F为离焰常数;T为消除黄焰需要的最小空气量;a为完全燃烧放出105kJ热量所需要的理论空气量多值指数法热负荷因数:J引射因数:JA=s=v。+5(m)-18.8(O2)式中:R为燃气中氢原子数与碳氢化合同火指数:J=5-1.4J+0.4物中碳原子数的比值;N为燃气的100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:JL=JA中国煤化工气的百分比分比;W为燃气CO生成指数:J1=JA-0.366k-0CNMHO理论空气量以上公式甲,卜脚标a表示基准黄焰指数:Jy=JA+气,s代表置换气,mix代表混合气体加工利用与安全环保天然气工业2009年12月衰2燃气互换常用方法比较衰互换条件特点华白指数法华白数变化不大于±10%简便,但适应范围较窄AGA指数法脱火指数l1≤1.0;回火指数l<1.18;黄焰指数ly≥1.0适用较广,但计算量大指数判定法0.95<热负荷因数JH<1.050.95<引射因数JA<1.05韦弗指数法问火指数J<0.08适川燃气压力波动范围在(0.5~1.5)脱火指数J>0.641.25kPa内,计算量大CO生成指数J<0黄焰指数丿y<0.14等离焰线、等问火线、等CO线以及图形判定法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、是其他范围内为可生换区域图形判定法的基础燃烧特性判定法置换后燃具的新T作点应落在置换较形象试验工作量后新的特性曲线范围之内弗不完全燃烧指数CONO和黄焰3.1.2在天然气进入输配管网前进行调节样白数尚限在LNG气化进入城市输配管网之前,主要是在接收站进行再处理工作间白燃、融L和火焰动态特性问题1)凝析处理法:在LNG接收站,采用凝析分离白数低限工艺对LNG进行处理,减小其中NGL的成分脱火、CO和吹灭2)掺混气体法:在LNG接收站进行处理的另种方法是摻入氮气、空气、烟气等气体,以降低其华热值、C4及以上组分等补充参数白数,同时调幣互换参数的数值。图1NGG+所提出的“工作范围”要领图3)不同气源掺混法:在接收站还可将两种不同来源的LNG进行掺混,或者将LNG与各种管输气定该参数在最低和最高限时对最终使用效果的影源掺混。通过控制两种气源的不同比例以满足一定响。华白数是最合理的选择,其上限用于预测黄焰、的外输气质量要求。不完全燃烧、NO3和CO排放等燃烧问题,下限用于综上,在LNG接收站处进行惰性气体掺混是研预测脱火、吹熄和CO排放等问题究和实施最多的控制LNG可互换性的方法;在特定条件下也可采用NGL分离。3各国天然气互换性问题的解决方法3.1.3在用户使用端进行调节3.1美国1)对气源进行调节:美国洛矶山脉地区的燃气美国天然气的应用历史最长、使用量最大、遇到公司采用在城市门站处掺混空气的方法,来解决该的问题也最多,关于互换性的研究最早。针对LNG地区的燃气互换性问题。在掺混空气后华白数从和管输气的互换性问题,美国于2005年颁布∫《天49.54MJ/m3降低到44.70MJ/m3。然气可互换性及非燃烧类应用白皮书》提出了一系2)对用户设备的调节:即刈燃具进行调查和检列解决方案,主要有以下3种措施测,必要时根据气源的变化对燃具进行调节。该方3.1.1在天然气出产地进行调节法需对大量的燃具进行调查监测,同时需专业的人脱除天然气中的杂质和腐蚀性成分,以及甲烷员对其进行调节。而大中型工业燃烧设备因数量外的某些重烃(如戊烷、正已烷等)。早期LNG在生少、对然T出立,可亚田该方法;但对于量大产地均进行了上述凝析处理,以防止在液化工艺过面广中国煤化工备可行性。程中发生冰堵。但近年来天然气价格攀升,出于经3CNMHG济性考虑LNG中保留了一定的高热值成分,导致整欧洲国家众多且各有自己的标准,差异很大体热值升高欧洲的燃气互换性问题始于19世纪60年代,当时第29卷第12期天然气工业加工利用与安全环保的燃气互换性解决方法大多采用挖制燃气质量,即我国现行的天然气互换性理论计算方法基本上规定一个质量标准范围,此范围内的燃气方可分配采用AGA指数法韦弗指数法和德尔布法。但国外给现有燃具使用,以保护终端用户的安全。进入21制定此类标准均针对本国燃具情况,而我国的燃气世纪后,天然气的发展要求跨境联网互通,2002年3使用习惯燃具设计、气源成分等均不同于国外。以月14日,6个欧盟基本成员国在巴黎成立了欧洲能AGA指数法为例,目前采用的天然气互换极限值仍源(燃气)交易协会( EASEE-gas),受美国燃气工业然是美国以前颁布的标准,但我国典型管输气的热标准委员会成功经验的启示,采用美国的互换问题值要高于美国所以在基准气上的定义会有所不同,模型解决本土问题。且离焰、黄焰、回火的允许极限并非一成不变,尤其法国政府1997年9月16日发布政府令,准许是当初始工况改变时,互换指数的允许极限值必然在法国两种不同类型的输配管网中输送H型天然随之变化。因此国外方法是否适用于我国,尚需科气和B型天然气(H、B型管网内的天然气热值范围分研工作来验证别是38.52~40.08M/m3和34.2~37.8MJ/m3),5结论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,通过将不同热值在我国大规模引进LNG后,也会面临着全国性的天然气混配,调制成符合用户需求的混合气体来的天然气“可互换性”问题。但不同地区所面临的形解决燃气互换性问题。势又会有所不同:广东和福建等地当前采用LNG单德国两套管网标准热值为36.18~36.03M/一气源因而主要问题是燃气设备如何适应LNG气m3和40.08~39.97MJ/m3。源特性的问题;北京、江苏等地今后将采用LNG和英国因拥有大量陈旧的民用设备,在天然气规管网气双气源情况要复杂得多。为了解决由此格标准化的问题上采取了等待和观望的态度,目前带来的天然气互换性问题需加快确立相关行业标推荐天然气热值为39.8MJ/m3,并以kWh/m3为计准,因地制宜的设定“适应多气源燃具的天然气设计价标准基准参数”,据此合理引进气源,合理划分区域,按用3.3亚洲户分类供气;同时应对燃具制造商提出“适应多气源亚洲天然气工业起步较晚,但发达国家如日本燃具的设计要求”,对未来入市的燃具提出明确要则较早开始进口LNG。日本国内采用的天然气质求,据此对现有天然气利用设备进行改造或调整,以量标准是天然气的高热值需达到或者超过44MJ/顺利实现天然气互换m3,所以在LNG中添加富含丙烷、丁烷的气体增热参考文献(常用液化石油气)。我国天然气互换性研究的现状[1] White Paper on natural gas interchangeability and nocombustion end use [R]. [SL]: NGC+Interchange从20世纪60年代起,我国对国外天然气互换bility Work Group, 2005性的研究进腰已开始关注并有所介绍。1976年,第21姜正侯燃气燃烧理论与实践[M,北京中国建筑工业13届世界燃气大会出现了利用华白数和燃烧势(德出版社,1985尔布法)这2个参数对燃气进行分类的报告我国于[]李猷嘉正确处理天然气质最中的燃气互换性问题[J城市燃气,2008(3):6-10.20世纪90年代也参照这个方法颁布了GB/T13611[4]孙秀丽,秦朝葵郭甲生浅谈天然气互换性的对策研究《城市燃气分类》3。2006年我国颁布了《城镇燃气[冂].上海煤气,2008(4):20-23.分类和基本特性》,对GB/T13611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(收稿日期2009-04-26编辑本原则没有发生变化中国煤化工CNMHG93