进口LNG与国内管道天然气互换性的判定

摘 要

摘要：采用韦弗指数法对不同气源的天然气与基准气的互换性进行了分析，建议以12T类别的天然气作为基准气，对不可互换的天然气通过混气方式实现与基准气的互换。关键词：液化天然气；
摘要：采用韦弗指数法对不同气源的天然气与基准气的互换性进行了分析，建议以12T类别的天然气作为基准气，对不可互换的天然气通过混气方式实现与基准气的互换。
关键词：液化天然气；管道天然气；互换性；韦弗指数
Assessment of Interchangeability between Imported LNG and Domestic Pipeline Natural Gas
YUAN Shu-ming，LAI Jian-bo，LIU Guo-li，YU Jian-guo
Abstract：The Weaver index method is used to analyze the interchangeability between natural gas from different sources and the reference gas. It is recommended that 12T natural gas is used as the reference gas，and the non-interchangeable natural gas can be interchanged with the reference gas via mixing mode.
Key words：LNG；pipeline natural gas；interchangeability；Weaver index
1 互换性问题的提出
    多气源供应可以提高城市天然气供应系统的安全性，但也给城市天然气供应系统带来新的问题。不同气源的天然气品质存在一定差异，这会给天然气的利用造成一定影响，尤其是对天然气品质有特殊要求的应用领域[1、2]。
    美国在20世纪90年代开始大量进口富含重烃的LNG后，进口LNG与管道天然气的互换性问题当时就成为美国燃气界的一个研究课题。我国天然气工业发展现状从气源上看，有国产气、进口管道气和LNG，它们的组成和燃烧特性存在较大差异；从终端用户上看，有居民、商业、工业、燃气汽车、燃气发电等用户。多气源供应势必给城市燃气用户带来互换性问题[3]。
2 互换性指标
    燃气组成发生变化可能产生的影响主要表现在燃烧现象和排放特性两个方面[4]。燃烧现象方面的影响包括回火、脱火、黄焰等，排放特性方面的影响包括氮氧化物、一氧化碳的排放量等。
    判定燃气互换性的方法有很多，多数是在大量实验数据的基础上进行理论分析和归纳，从而得出具有普遍意义的互换性判定指数[5]。互换性的衡量指标可分为单一指数和多重指数。单一指数，如华白数，它是最常用也是最有效的衡量指标，但缺乏对燃烧现象的描述[6]。多重指数，如AGA指数和韦弗指数。AGA指数系列包括脱火指数、回火指数、黄焰指数；韦弗指数系列除包含AGA指数系列外，还包含热负荷指数、引射指数和一氧化碳生成指数。可见，韦弗指数法比AGA指数法更加严格。将单一指数和多重指数配合使用可以得到最佳的互换性判定效果。
    韦弗指数法适用于民用和工业燃烧器。韦弗指数法又称成组指数法，是用一组无因次指数来判定燃气的互换性[7]。
   ① 热负荷指数
热负荷指数表示在燃气压力不变的情况下，燃气置换时，热负荷的相对变化。
 
式中JH——热负荷指数
    H——燃气高热值，MJ/m3
    d——燃气的相对密度
    下标a——基准气
    下标s——置换气
   ② 引射空气指数
引射空气指数表示燃气置换时空气吸入量的相对变化。
 
式中JA——引射空气指数
    V0——理论空气量，m3/m3
   ③ 回火指数
回火指数表示燃气置换时回火倾向的变化。
 
式中JF——回火指数
D——火焰传播速度指数，取值见表1。
表1 可燃组分的火焰传播速度指数
可燃组分
H2
CO
CH4
C2H2
C2H4
D
100.0
18.0
14.0
60.0
29.6
可燃组分
C2H6
C3H6
C3H8
n-C4H8
n-C4H10
D
17.0
30.0
16.0
—
16.0
④ 脱火指数
脱火指数表示燃气置换时脱火倾向的变化。
 
式中JL——脱火指数
    φ(O2)s——燃气中氧气的体积分数
   ⑤ CO生成指数
CO生成指数表示燃气置换时CO产生量的变化。
 
式中Ji——C0生成指数
    R——燃气中氢原子数与碳原子数的比值
   ⑥ 黄焰指数
黄焰指数表示燃气置换时产生黄焰倾向的变化。
 
式中JY——黄焰指数
    N——每100个燃气分子燃烧时析出的碳原子数，计算中假定基准气恰好完全燃烧时所需的氧气量为提供给置换气燃烧时的氧气量
    求出上述各项指数后，结合表2给出的各项指数取值范围来判定不同燃气的互换性。
表2 韦弗指数允许值
判定指数
完全互换
基本互换
热负荷指数
JH=1
0.95＜JH＜1.05
引射空气指数
JA=1
—
回火指数
JF=0
JF＜0.08
脱火指数
JL=1
Ji＞0.64
CO生成指数
Ji=0
Ji＜0
黄焰指数
JY=0
JY＜0.14
3 互换性判定结果及分析
    我国广东、福建和上海的LNG接收站分别接收来自澳大利亚、印度尼西亚和马来西亚的LNG。国内的管道天然气来自于塔里木、陕甘宁、四川普光、东海等地气源。进口LNG气化后能否与管道天然气进行互换，是当前我国天然气行业急需解决的关键问题。表3为15℃、101.325kPa下管道天然气的组成及燃烧特性，表4为15℃、101.325kPa下，进口LNG的组成及燃烧特性。
表3 管道天然气的组成及燃烧特性
气源
塔里木
陕甘宁
四川普光
东海
忠武线
体积分数/%
CH4
96.27
94.70
96.15
88.48
97.oo
C2H4
1.77
0.55
0.25
6.68
1.50
C3H8
0.30
0.08
0.01
O.35
0.50
i-C4H10
0.06
1.00
0.00
0.00
0.00
n-C4H10
0.08
0.00
0.00
0.00
0.00
C5H12
0.13
0.00
0.00
0.00
0.00
N2
1.39
3.67
3.59
4.49
1.00
燃烧特性
高热值/(MJ·m-3)
38.22
37.49
36.50
38.22
38.13
低热值/(MJ·m-3)
33.91
33.79
32.87
34.48
34.35
相对密度
0.577
0.589
0.586
0.610
0.571
华白数/(MJ·m-3)
50.32
48.86
47.70
48.95
50.45
燃烧势
39.87
38.30
37.90
39.40
40.09
表4 进口LNG的组成和燃烧特性
气源
澳大利亚
印尼
马来西亚
体积分数/%
CH4
89.30
90.60
89.80
C2H4
7.10
7.00
5.20
C3H8
2.50
2.00
3.30
C4+
1.00
0.30
1.40
N2
0.10
0.10
0.30
燃烧特性
高热值/(MJ·m-3)
42.13
41.19
42.32
低热值/(MJ·m-3)
38.07
37.20
38.26
相对密度
0.630
0.610
0.640
华白数/(MJ·m-3)
53.07
52.56
53.07
燃烧势
41.75
41.80
41.23
    《城镇燃气分类和基本特性》GB/T 13611—2006将天然气的类别分为3T、4T、6T、10T、12T。结合各类天然气华白数和燃烧势的范围可知，上述管道天然气和进口LNG同属12T类别。因此，天然气的基准气类别宜选择12T，则使用的燃具相应为12T类别。12T基准气的组成及燃烧特性详见《城镇燃气分类和基本特性》GB/T 13611—2006。现以12T天然气为基准气，管道天然气和进口LNG作为置换气，采用韦弗指数法对不同燃气的互换性进行判定，
计算结果见表5。
表5 韦弗指数法计算结果
置换气气源
塔里木
陕甘宁
四川普光
东海
指数
JH
0.973
0.928
0.915
0.921
JA
0.987
0.961
0.940
0.948
JF
0.025
0.026
0.051
0.103
JL
0.992
0.933
0.909
0.976
Ji
-0.004
-0.031
-0.059
-0.027
JY
-0.006
-0.039
-0.052
-0.004
可否互换
可以
不可以
不可以
不可以
置换气气源
忠武线
澳大利亚
印尼
马来西亚
指数
JH
0.980
0.982
0.988
0.974
JA
0.991
1.015
1.017
1.012
JF
0.020
0.062
0.056
0.045
JL
0.998
1.099
1.113
1.074
Ji
-0.002
0.058
0.050
0.057
JY
-0.004
0.121
0.096
0.128
可否互换
可以
不可以
不可以
不可以
    根据上述计算结果可知，塔里木天然气和忠武线天然气与12T基准气具有良好的互换性，而其他管道天然气和进口LNG与12T基准气不具有互换性。
4 结语
    ① 随着我国天然气输气管网的形成，进口LNG与国内管道天然气的互换性将成为天然气行业必须关注的问题。为确保燃气设备使用的安全性，必须对不同燃气的互换性问题进行研究。
    ② 通过计算不同燃气的华白数和燃烧势得到，国内天然气类别主要以12T为主，建议以12T类别的天然气作为基准气，使用的燃具相应为12T类别。
    ③ 对不可互换的天然气可以通过混气方式实现与基准气的互换。低热值天然气可以掺入高热值可燃气体，而高热值天然气可以注入不可燃气体(如空气、氮气等)。
参考文献：
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[2] 李帆，翟瑞隆，周廷鹤.城市应急备用气源的互换性探讨[J].煤气与热力，2009，29(5)：A28-A31.
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[6] 陈敏，白丽萍，福鹏.天然气应急气源的探讨[J].煤气与热力，2005，25(12)：21-23.
[7] 徐文渊，蒋长安.天然气利用手册[M].北京：中国石化出版社，2002.
 
(本文作者：袁树明 赖建波 刘国莉 于建国 中国市政工程华北设计研究总院 天津 300074)