中國天然氣氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準問題

摘 要

摘要：隨著天然氣產(chǎn)業(yè)和市場的管網(wǎng)化及互聯(lián)互通，多氣源接入混輸和跨區(qū)域管網(wǎng)運營成為未來發(fā)展的必然趨勢，天然氣質(zhì)量規(guī)格及互換性標準的設(shè)立是必須面對和解決的重大問題。為此，評
摘要：隨著天然氣產(chǎn)業(yè)和市場的管網(wǎng)化及互聯(lián)互通，多氣源接入混輸和跨區(qū)域管網(wǎng)運營成為未來發(fā)展的必然趨勢，天然氣質(zhì)量規(guī)格及互換性標準的設(shè)立是必須面對和解決的重大問題。為此，評述了國際上尤其是歐、美在天然氣氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準問題方面的研究進展和成果，分析比較了中國與美國、英國、西班牙、印度及歐洲等國家和地區(qū)的天然氣(包括LNG)燃燒特性和氣質(zhì)標準，并將其表示在互換性盒子圖上，結(jié)果表明中國多氣源狀況的復(fù)雜性和寬泛性與歐洲類似。根據(jù)對當前國內(nèi)相關(guān)氣質(zhì)標準及采用狀況的研究，指出了國內(nèi)氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準存在的缺陷和不完善性。提出了建立中國天然氣氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準應(yīng)注意的控制范圍、管網(wǎng)波動性限制要求、燃具準入要求及適應(yīng)域，為制定科學(xué)、合理的相關(guān)規(guī)范和標準提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)性原則，可為天然氣商品和諧交易、大型燃氣動力設(shè)備引進的技術(shù)要求、燃具制造商產(chǎn)品要求等提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：天然氣；氣質(zhì)；規(guī)格；互換性；標準
1 中國天然氣市場氣源狀況
    隨著天然氣產(chǎn)業(yè)和市場的日趨管網(wǎng)化和互聯(lián)互通，多種氣源接入混輸?shù)目鐓^(qū)域大型管網(wǎng)成為發(fā)展的必然趨勢。目前，中國天然氣氣源是多方位、多類別的，基本情況見表1[1]。國內(nèi)現(xiàn)階段主要管道天然氣和LNG的氣質(zhì)規(guī)格和燃燒特性參數(shù)具有較大差異，熱值(HHV)和華白指數(shù)(WI，Wobbe Index，熱負荷指數(shù))的變化范圍分別為36.3～43.3MJ/m3和45.9～53.5MJ/m3。同時，隨著中國LNG產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，更多進口和國際現(xiàn)貨貿(mào)易LNG將進入天然氣供應(yīng)管網(wǎng)，使得氣質(zhì)規(guī)格種類更加繁多。表2給出了當前國際市場上主要LNG供應(yīng)國的氣質(zhì)規(guī)格和特性參數(shù)[2]。因此各種燃具、燃燒器和燃氣動力設(shè)備對氣質(zhì)波動的適應(yīng)能力可能存在諸多問題。天然氣(NG)和LNG質(zhì)量規(guī)格及互換性標準的設(shè)立是必須面對和亟待解決的問題[1，3]。

2 互聯(lián)管網(wǎng)氣質(zhì)規(guī)格及互換性問題
    縱觀國際天然氣能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)達國家和較大發(fā)展中國家與區(qū)域，如美國、歐洲地區(qū)、東南亞地區(qū)、印度、巴西、中國等無一不面臨多氣源聯(lián)網(wǎng)和高效安全運行管理的共同問題，特別是近年來LNG呈規(guī)模地快速發(fā)展，使得國際各種規(guī)格的天然氣貿(mào)易凸顯出氣質(zhì)規(guī)格及互換性要求的重要，許多國家或地區(qū)都在研究制定相應(yīng)的標準和導(dǎo)則，“有限定地”促進天然氣(含氣化LNG)跨網(wǎng)、跨區(qū)域、以至跨國的交易。自2003年開始，國際燃氣聯(lián)盟(IGU)天然氣工作組(C)成立了LNG氣質(zhì)規(guī)格及互換性技術(shù)委員會(D1)，專門關(guān)注該問題，并每3a提供3年度工作報告，對NG和LNG的質(zhì)量和規(guī)格(主要成分、雜質(zhì)含量、純度和燃燒特性等)、測定分析方法、氣質(zhì)變化對各類用戶(民用、商用、工業(yè)、發(fā)電、燃機等)的影響、氣質(zhì)調(diào)整方法等進行評估，并對各國和地區(qū)性標準制定狀況進行概括心。
    NG和氣化LNG氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準問題的解決和指導(dǎo)性規(guī)則的建立是要尋求NG及LNG供應(yīng)商與用戶及管網(wǎng)公司之間在效率和安全性方面取得平衡，既要有確?？煽啃院桶踩缘谋匾拗疲惨袘?yīng)用的科學(xué)性和柔度。在保證用戶利益不受損害的同時，讓供應(yīng)商有合理的依據(jù)可尋，能夠?qū)φ麄€供應(yīng)鏈進行效率和商務(wù)操作的優(yōu)化。近年來國際上各國和地區(qū)在這方面的實踐充分體現(xiàn)了這一點[4～5]。
3 國內(nèi)相關(guān)標準狀況
    國內(nèi)在天然氣氣質(zhì)規(guī)格和互換性方面相關(guān)的標準主要有GB 17820—1999《天然氣》、GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》，以及與LNG相關(guān)的標準GB/T 19204—2003《液化天然氣的一般特性》、GB/T 11062—1998《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》、GB/T 13610—2003《天然氣的組成分析氣相色譜法》。GB 17820主要參考了IS0 13686：1998《天然氣質(zhì)量指標》，并根據(jù)含硫量的大小將我國商品天然氣分為3類，同時要求民用天然氣只適用一類和二類，三類可作為工業(yè)燃料。GB/T 19204—2003等同采用EN1160：1997《液化天然氣裝置和設(shè)備液化天然氣的一般特性》，在氣質(zhì)規(guī)格方面只對甲烷最低含量(75%)和氮氣最高含量(5%)進行了限定。
    GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》的燃氣分類是借用了歐洲對燃具適用類別的分類標準EN437：1994《試驗氣、試驗壓力和器具分類》和EN30-1-1：1999《家用燃氣灶具》。然而EN437只是針對燃具分類測試而言，并非真正意義上的燃氣分類和質(zhì)量規(guī)格標準。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》在對燃氣質(zhì)量和互換規(guī)定要求時，采用GB/T 13611作為燃氣發(fā)熱量及熱值波動范圍的基準和采用GB17820作為城鎮(zhèn)用天然氣質(zhì)量的要求，同時規(guī)定了天然氣交接處的烴露點限定要求。
    對于常規(guī)天然氣(除大量摻混空氣和氮氣的天然氣外)，包括絕大部分氣化LNG，均可歸類于12T天然氣。對于用12T的基準氣(純甲烷)作為天然氣互換性的基準，將其華白指數(shù)的上、下限作為天然氣互換性的范圍，這種簡單化做法是不妥當?shù)?sup>[6]，可能導(dǎo)致不能互換等問題。因此從嚴格意義上來講，中國缺乏天然氣氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準或指導(dǎo)性規(guī)定，急需借鑒國際上的最新研究成果來開展相應(yīng)的工作。
4 國際相關(guān)標準研究及成果借鑒
    不同規(guī)格燃氣互換性研究的常規(guī)方法是對互換性條件進行判定。早期有美國的A.G.A指數(shù)判定法和韋弗指數(shù)法，國內(nèi)常采用這兩種方法對燃氣間的互換性進行判定。但需注意，雖然指數(shù)法的計算公式是確定的，但限定值并不唯一，需要由當?shù)?、當時實際燃具的實測數(shù)據(jù)來合理設(shè)定。此外還有一些常用圖解方法，具代表性的有法國德爾布圖解法和英國達頓圖解法。這些方法都是以當時大量的已有燃具測試實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行理論分析和數(shù)據(jù)歸納而得出的，具有一定的普適性。
    國際上這方面研究具代表性的是美國和歐洲地區(qū)。美國利用天然氣的歷史很長，關(guān)于互換性的研究也很深入。美國的互換性標準問題主要是指管道氣和LNG的互換性，由于美國天然氣市場各行業(yè)之間自由競爭激烈且勢均力敵，若有利益沖突，則很難調(diào)和。由此美國聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)倡議，由美國國家天然氣委員會(NGC)牽頭，聯(lián)合LNG、天然氣管道、城市燃氣、發(fā)電、化工、燃氣設(shè)備生產(chǎn)、天然氣處理等行業(yè)的近百家企業(yè)以及部分政府和科研機構(gòu)組成工作組(簡稱NGC+)，開展了燃氣可互換性的研究，評估范圍包括美國26個城市、16個天然氣管輸公司、7000多個氣樣，于2005年2月發(fā)布了《天然氣可互換性及非燃燒應(yīng)用白皮書》[7]。
    歐洲地區(qū)天然氣管網(wǎng)之間氣質(zhì)規(guī)格有較大差異，歐洲燃具分類測試標準EN437為進一步研究制定燃氣規(guī)格及互換性標準提供了基礎(chǔ)。歐洲天然氣行業(yè)發(fā)展要求跨境聯(lián)網(wǎng)，歐洲燃氣工業(yè)技術(shù)協(xié)會(MARCOGAZ)于2003年2月發(fā)表了關(guān)于《歐洲燃氣質(zhì)量規(guī)定的第一個立場文告》。歐洲合理能源交易協(xié)會(EASEE-gas)，以協(xié)調(diào)各方利益，促進天然氣貿(mào)易和交接的和諧化為出發(fā)點，基于已有的天然氣管網(wǎng)和進口LNG情況，于2005年提出能夠為歐洲各國接受的較寬泛的《和諧天然氣質(zhì)量通用商業(yè)標準》(CBP 2005—001/01)[8～9]。
5 標準制定的建議與要求
    中國天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，市場巨大，氣源范圍廣，類似歐洲。應(yīng)借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗，建立適應(yīng)中國的氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準體系。應(yīng)充分考慮當前和未來市場發(fā)展的需求和產(chǎn)業(yè)預(yù)期，以及氣質(zhì)波動的范圍和速度對終端用戶燃具可能產(chǎn)生的影響，確定天然氣質(zhì)量規(guī)格及互換性要求，保證商品天然氣的應(yīng)用安全。
    由華白指數(shù)、發(fā)熱量和相對密度的控制范圍構(gòu)成了互換性盒子，圖1將中國目前和將來管輸天然氣和氣化LNG的燃燒特性參數(shù)表示在互換性盒子上，比較了典型地區(qū)和國家的互換性標準控制域。歐洲一些國家根據(jù)本國的特殊情況制定各自的標準，如西班牙標準比較寬泛，華白指數(shù)范圍大于歐洲和諧標準；而英國較嚴，其華白指數(shù)限定要比歐洲和諧標準嚴格得多。

    對華白指數(shù)限定范圍的控制是天然氣利用的安全性、環(huán)境排放和效率的保證。燃氣的碳氫比數(shù)決定了不完全燃燒指數(shù)的大小或燃燒的C0排放量。圖2給出了相對密度修正的碳氫比和華白指數(shù)的關(guān)系。由此可見控制華白指數(shù)范圍與控制碳氫比的變化一樣，具有限定不完全燃燒指數(shù)或黃焰指數(shù)的同樣功效。圖2中GS(M)R是英國燃氣安全管理規(guī)范“Gas Safety(Management)Regulations”的縮寫。
 

    同樣，限定相對密度的范圍與限定甲烷的最低含量具有同樣的功效。甲烷值和辛烷值有非常確定的關(guān)系，是抗爆燃的重要參數(shù)。圖3、4分別給出了甲烷含量與華白指數(shù)和相對密度的關(guān)系。

    由上述分析可知，對國內(nèi)各個管網(wǎng)天然氣(特別在交接點處)華白指數(shù)的波動范圍給出合理的指導(dǎo)性要求(對一些局部的特殊情況要留有余地)是十分必要的?？刂迫A白指數(shù)的波動應(yīng)包含對波動范圍和波動速度或頻率的要求。
    制定合理的氣質(zhì)規(guī)格及互換性標準或指導(dǎo)性原則對規(guī)范天然氣產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，促進天然氣商品和諧交易(包括對國外進口NG和LNG質(zhì)量規(guī)格協(xié)議要求)十分重要，也是中國大型動力設(shè)備引進時對制造商提出合理技術(shù)指標要求的參考依據(jù)。例如燃具進入時，用互換域邊界進行檢驗，適應(yīng)燃氣互換域的燃具才允許進入市場；引進燃氣輪機組時，可以對不同廠家的機組提出相同華白指數(shù)最大波動范圍要求。目前，美國GE公司的機組能接受的修正華白指數(shù)MWI波動范圍為±5%，日本三菱規(guī)定MWI波動范圍為±2%。
    在研究制定標準的同時，應(yīng)注意考慮具體實施的有效性問題，根據(jù)多氣源天然氣混輸管網(wǎng)的運行控制策略和指標要求，建立互聯(lián)型混輸運行和調(diào)度(含一般和應(yīng)急情況)時管網(wǎng)參數(shù)波動的準確預(yù)測平臺。
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(本文作者：郭開華1，2 王冠培1 皇甫立霞1，2 李寧2 1.中山大學(xué)工學(xué)院；2.中山大學(xué)BP液化天然氣中心)