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陈赓良 的个人博客

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对指导性国家标准GB/Z 33440的讨论

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当前我国天然气工业已重回快速发展轨道。2016年天然气产量1369亿m3,其中页岩气产量79亿m3,同比增长72%;煤制天然气(SNG)产量21.6亿m3,同比增长15%,煤层气地面开采量约45亿m3,同比略有增长。2016年我国天然气量消费量达到2060亿m3,进口天然气(包括管输气和LNG)721亿m3,占总消费量35%[1]。随着进口天然气、LNG、页岩气、煤层气和SNG等新品种进入长输管道及商品气市场,燃气的互换性问题受到普遍关注。在广泛调研上游气源与下游用户的基础上,并结合部分试验工作,于2016年发布了指导性国家标准“进入长输管网天然气互换性一般要求”(GB/Z33440)。此标准在总结我国管输商品天然气沃泊指数与燃气互换性关系方面作了大量开创性工作,但也存在以下问题宜进一步探讨。

1. 互换性是区域性气质指标,进入长输管网的天然气是否存在互换性?

2. 在燃气组成复杂的情况下,单独以沃泊指数能否判别燃气互换性?

3. 该标准表1所示的判别准则与GB/T13611-2006的规定是否一致?

4. 该标准判别煤层气及煤质代用天然气与现有气源互换性的依据何在?

5. 以该标准图A.1所示“进入长输管网天然气性盒子”如何判别互换性?    

一.燃气互换性的涵义

首先需明确的是:天然气的沃泊指数与燃气的互换性是两个完全不同的概念,天然气只有作为燃气使用时才产生互换性问题。

沃泊指数的定义是:在规定参比条件下,体积基发热量除以在相同规定参比条件下的相对密度平方根。其涵义是在相同燃气压力下,两种组成不同而沃泊指数相同的燃气对燃具的输入热量是相同的。

2005年美国天然气委员会(NGC+)互换性工作组发布“天然气互换性与非燃烧终端用途白皮书”以来,白皮书中提出的互换性定义已经在全球范围内被广泛接受;其定义为: “在不明显改变运行安全、效率和性能,或不明显增加空气污染物排放量的情况下,在燃烧设施中采用一种燃气替代另一种燃气的能力”[2]。分析上述定义的内涵可以看出,进行互换性判别时应考虑如表1所示的4个方面的影响因素;而沃泊指数仅是其中之一。在1920年代,欧美地区城镇燃气组成比较简单的情况下,尚可以用沃泊指数判别互换性,而在目前(大城市的)燃气组成极其复杂的情况下,根本没有可能单独以沃泊指数来判别互换性。


表1所示的判别准则阐明了燃气互换性与燃具适应性是相辅相成的两个方面。当天然气组成变化时,至少将从3个方面影响燃具的适应性。一是导致燃具热负荷改变而影响燃烧稳定性;二是影响燃烧完全程度,即不完全的燃烧可能使烟气中CO含量上升,甚至产生析炭;三是使火焰特性(如它的尺寸、形状)发生变化,导致火焰温度不能满足工艺要求。而燃具适应性是指它能稳定燃烧的条件:即不发生黄焰、回火、离焰,以及烟气中CO含量不超标。由图1可知,由回火曲线(F)、离焰曲线(L)、黄焰曲线(Y)和不完全燃烧曲线四者构成了一个稳定燃烧区域(三角区),此三角区即为燃具的稳定燃烧范围[3]。


二.互换性判别方法

燃气互换性问题研究的核心是其判别方法。常用判别方法分为单指数法和多指数法两大类。使用最方便的单指数判别法是沃泊指数法,但由于该法是以供应燃具的热量(热负荷)为基础进行判别,缺乏对燃烧现象的描述,故不适用于组成变化复杂的多气源互换性判别(参见表2)。


国家标准“城镇燃气分类和基本特性”(GB/T13611)是目前我国燃气行业普遍遵循的互换性判别标准,后者是通过将天然气分类的途径,明确规定了不同类别天然气的燃烧特性(参见表3)。该标准规定在一般条件下,可以互换的两种燃气必须在相同参比条件下属于同一类别,并控制其高位沃泊指数(华白数)变化范围为±(5~10)%。

GB/T 13611规定的燃烧势法实质上是德尔布(Delbourg)法的一种变形。燃烧势(CP)也称为燃烧速度指数,是一个无量纲参数,它不仅反映燃烧速度对离焰与回火的影响,也反映了火焰高度对烟气中CO含量的影响。

表3   城镇燃气分类及其基本特性*


表4    进入长输管网天然气互换性一般要求

表4所示为GB/T 33440规定的进入长输管网天然气互换性的一般要求,对照表3与表4可以明显地看出两者大相径庭。同时,表4中既规定了沃泊指数的变化范围,又规定其波动范围,两者的数据是矛盾的!

目前已经有研究表明,在气源组成复杂的上海、北京等地区,单独以沃泊指数判别管输天然气与LNG的互换性时,对某些互换性要求高的燃具往往会得出不正确的结果(参见表5和表6)[4]。

表5    上海地区的验证结果

表6    北京地区的验证结果

三.关于互换性盒子

GB/Z33440给出了一个新概念“互换性盒子”(互换性逻辑框),并将其定义为:以纵横坐标组成的一个平面坐标系,在坐标系中规定相关参数而形成的闭合框图。由此定义看不出与燃气互换性有任何关联。

GB/Z33440附录A中给出的图A.1是进入长输管网天然气性盒子的一个示例(参见图2),但此图仅反映了进入长输管网天然气的高位发热量与其沃泊指数的大致范围,同样与局部输配系统(LDS)内燃气的互换性及燃具适应性无任何关联。 因此,此标准能否规定进入长输管网气源/混输气源与现有气源互换性的一般要求?宜仔细斟酌。同时,燃气的互换性是针对局部输配系统而言,因而不同国家之间或一个国家内的不同地区之间,其互换性要求可能不一致。


图2   进入长输管网天然气互换性盒子

欧盟国家为了促进和发展其燃气市场,于2002年成立了欧洲气体能量合理交易协会(EASSE-gas)专门从事天然气气质标准化研究。EASSE-gas在调研了73个管道气和LNG进口点后,在其2005年提出的“天然气气质协调建议”中,推荐商品天然气沃泊指数范围为48.96~56.92 MJ/m3(相应的相对密度范围为0.55~0.70);但对互换性判别方法选择及沃泊指数允许波动范围均由各国自行规定。由此可见,仅以图2 所示的互换性盒子是不能,也不可能判别燃气互换性。

图3   EASSE-gas处理进口LNG与管道气互换性逻辑框

EASSE-gas曾使用过互换性逻辑框处理进口天然气与管道气之间的互换性问题(参见图3),但其目的只是验证这两种组成基本相同、仅是甲烷含量及相对密度有所差别的气源,在高位发热量与沃泊指数之间是否存在线性关系[5]

近期文献中报导了以图4所示的互换性盒子来表示我国目前与未来的管道气与气化LNG的互换性控制域[6],认为只要燃气的沃泊指数落在互换性盒子内,两者即具备了互换性。此论点同样宜进一步仔细推敲。

1.现已国际公认,单独用沃泊指数不能正确反映燃气互换性。

2.GB/T13611规定,由高位沃泊指数和燃气的燃烧势判别燃气互换性;12T天然气的高位沃泊指数范围为45.67~54.78MJ/m3,燃烧势范围为36.3~69.3。

3.燃气互换性是一项区域性气质指标,不同地区对燃气互换性有不同要求。如上海、北京这样的多气源供应的地区都应该有本地区的燃气互换性要求;近年来这方面的研究工作已经取得进展(参见表7和表8)[7]。


图4    中国各种气源的气质规格在互换性盒子上的表示图

表7    北京地区各气源天然气的燃烧特性


表8    上海地区各气源天然气的燃烧特性


表8的数据表明,上海地区进口LNG富气的沃泊指数比12T基准气高5.2%,而燃烧势则高9.2%,故它与12T基准气的互换性不甚理想[8]。

上述研究工作虽尚处于起步阶段,但这是我国燃气互换性研究的正确方向。

四.关于互换性工作框

长期以来美国没有由联邦或州的燃气质量标准,只有各管道公司独立发布的天然气气质标准。近年来为解决管道气与LNG的互换性问题,美国天然委员会互换性工作组(NGC+)组织国内16家输气公司在26个城市的商品天然气交接点,取了6800个气样进行分析,从而得到了天然气组成与其燃烧性质的统计分析结果(参见表9)。很明显,NGC+向美国联邦能源法规委员会(FERC)推荐的商品天然气沃泊指数控制范围(参见表10),主要是基于表9所示的统计数据[2]。


在进行商品天然气互换性标准化过程中,NGC+工作组采用构建互换性工作框以确定其可接受范围的研究方法颇值得借鉴(参见图5)。此方法的要点可大致归纳如下:

(1)在全国范围内对利用天然气重点城市历史数据的调查中(参见表9),得到了沃泊指数的最高值、最低值和平均值等重要的原始数据。

(2)确定一个关键性的参数(沃泊指数),并据此判别其在上述最高值和最低值条件下对终端利用设备的影响。

(3)从燃具适应性的角度,采用韦弗(Weaver)指数法来判别不完全燃烧现象(参见表11)。沃泊指数最高值反映了黄焰,并意味着潜在的NOX和CO排放量增加;而沃泊指数最低值则反映了离焰、熄火和生成CO等燃烧现象。

(4)实验研究和燃烧理论皆表明,选择沃泊指数最高值作为单一指数不足以在较宽的组成范围内反映出燃具的不完全燃烧现象,当天然气(高位)发热量超过43.79MJ/m3(1100Btu/scf)时尤其如此。

(5)为保障燃具的安全与环保性,NGC+工作组在其白皮书中建议在构建互换性工作框时,宜选择较为保守的沃泊指数最高值,并增加如发热量、C4+含量等指标作为补充参数。


图5    互换性工作区间示意图


NGC+工作组的研究目标是:在保证最大限度地有效供应商品天然气的前提下,同时满足终端利用设备的技术规范要求[2]。2005年白皮书发表时,收集到的具有区域性特点的互换性数据,与当地燃具的规范要求尚存在若干不相吻合之处,故工作组建议在3年~5年的过渡时期内设置一个临时性的互换性准则,以适应大量进口LNG掺入长输管道后产生的互换性变化。近年来由于美国页岩气开发取得长足进步,故FERC迄今未审批该准则。临时性准则的要点如下:

(1)将供气区域内调研所得的沃泊指数历史平均值(由组成数据计算),或试验用基准气值的±4%,规定为该项区域沃泊指数的变化范围。

(2)在14.73psia,600F和干气的条件下,商品天然气高位发热量限值为1110Btu/scf(44.19MJ/m3);沃泊指数最高限值为1400Btu/scf(55.74MJ/m3)。

(3)附加的组分含量限值为:  C4+最高限值1.5%(mol),总惰性气体含量最高限值4%(mol)。

(4)在所供燃气超过上述沃泊指数、高位发热量及组成限值时,只要不对终端利用设备造成安全与使用问题,在供气区域内由终端利用(设备)试验和监测计划所确认的实际经验仍可继续应用。

五.几点认识

1. 进入长输管网的天然气是否存在互换性问题?宜仔细斟酌。

2. GB/Z33440判别煤质代用天然气与现有气源互换性的依据何在?

3. 在燃气组成复杂的情况下,单独以沃泊指数不能正确判别燃气互换性。

4. GB/Z33440表1所示的判别准则与GB/T13611-2006的规定不一致。

5. GB/Z33440附录A中给出的天然气性盒子不能正确判别燃气互换性。

6. 以GB/T13611-2006的规定为基础研究燃气互换性是正确的发展方向。

7. 互换性工作框与互换性盒子有本质区别,前者是研究互换性的有效工具。


参考文献

[1] “中国天然气发展报告(2017)”白皮书

[2] NGC+ Interchangeability Work Group, White Paper on Natural Gas Interchangeability and Non-Combustion End Use[R], February 28, 2008, Washington DC, USA

[3] 罗  勤  陈赓良等编著,天然气国家标准实施指南,

北京:中国标准出版社(2006),P. 213

[4] 张倩倩  李振林,天然气互换性判定方法研究现状及发展前景,石油化工学院学报,2013,21(3):31

[5] 李猷嘉,正确处理天然气质量中的互换性问题,城市燃气,2008(3):6

[6] 周  理,中国天然气分类及互换性标准探讨,石油工业技术监督,2014(7):18

[7] 王红霞,北京地区多气源天然气互换性的探讨,石油规划设计,2010,21(1):18

[8] 何淑静,上海市多气源天然气互换性音量初探,城市公用事业,2009,23(2):14


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