進口LNG與國內管道天然氣互換性的判定

摘 要

摘要：采用韋弗指數法對不同氣源的天然氣與基準氣的互換性進行了分析，建議以12T類別的天然氣作為基準氣，對不可互換的天然氣通過混氣方式實現與基準氣的互換。關鍵詞：液化天然氣；
摘要：采用韋弗指數法對不同氣源的天然氣與基準氣的互換性進行了分析，建議以12T類別的天然氣作為基準氣，對不可互換的天然氣通過混氣方式實現與基準氣的互換。
關鍵詞：液化天然氣；管道天然氣；互換性；韋弗指數
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 互換性問題的提出
    多氣源供應可以提高城市天然氣供應系統的安全性，但也給城市天然氣供應系統帶來新的問題。不同氣源的天然氣品質存在一定差異，這會給天然氣的利用造成一定影響，尤其是對天然氣品質有特殊要求的應用領域[1、2]。
    美國在20世紀90年代開始大量進口富含重烴的LNG后，進口LNG與管道天然氣的互換性問題當時就成為美國燃氣界的一個研究課題。我國天然氣工業發展現狀從氣源上看，有國產氣、進口管道氣和LNG，它們的組成和燃燒特性存在較大差異；從終端用戶上看，有居民、商業、工業、燃氣汽車、燃氣發電等用戶。多氣源供應勢必給城市燃氣用戶帶來互換性問題[3]。
2 互換性指標
    燃氣組成發生變化可能產生的影響主要表現在燃燒現象和排放特性兩個方面[4]。燃燒現象方面的影響包括回火、脫火、黃焰等，排放特性方面的影響包括氮氧化物、一氧化碳的排放量等。
    判定燃氣互換性的方法有很多，多數是在大量實驗數據的基礎上進行理論分析和歸納，從而得出具有普遍意義的互換性判定指數[5]。互換性的衡量指標可分為單一指數和多重指數。單一指數，如華白數，它是最常用也是最有效的衡量指標，但缺乏對燃燒現象的描述[6]。多重指數，如AGA指數和韋弗指數。AGA指數系列包括脫火指數、回火指數、黃焰指數；韋弗指數系列除包含AGA指數系列外，還包含熱負荷指數、引射指數和一氧化碳生成指數。可見，韋弗指數法比AGA指數法更加嚴格。將單一指數和多重指數配合使用可以得到最佳的互換性判定效果。
    韋弗指數法適用于民用和工業燃燒器。韋弗指數法又稱成組指數法，是用一組無因次指數來判定燃氣的互換性[7]。
   ① 熱負荷指數
熱負荷指數表示在燃氣壓力不變的情況下，燃氣置換時，熱負荷的相對變化。
 
式中JH——熱負荷指數
    H——燃氣高熱值，MJ/m3
    d——燃氣的相對密度
    下標a——基準氣
    下標s——置換氣
   ② 引射空氣指數
引射空氣指數表示燃氣置換時空氣吸入量的相對變化。
 
式中JA——引射空氣指數
    V0——理論空氣量，m3/m3
   ③ 回火指數
回火指數表示燃氣置換時回火傾向的變化。
 
式中JF——回火指數
D——火焰傳播速度指數，取值見表1。
表1 可燃組分的火焰傳播速度指數
可燃組分
H2
CO
CH4
C2H2
C2H4
D
100.0
18.0
14.0
60.0
29.6
可燃組分
C2H6
C3H6
C3H8
n-C4H8
n-C4H10
D
17.0
30.0
16.0
—
16.0
④ 脫火指數
脫火指數表示燃氣置換時脫火傾向的變化。
 
式中JL——脫火指數
    φ(O2)s——燃氣中氧氣的體積分數
   ⑤ CO生成指數
CO生成指數表示燃氣置換時CO產生量的變化。
 
式中Ji——C0生成指數
    R——燃氣中氫原子數與碳原子數的比值
   ⑥ 黃焰指數
黃焰指數表示燃氣置換時產生黃焰傾向的變化。
 
式中JY——黃焰指數
    N——每100個燃氣分子燃燒時析出的碳原子數，計算中假定基準氣恰好完全燃燒時所需的氧氣量為提供給置換氣燃燒時的氧氣量
    求出上述各項指數后，結合表2給出的各項指數取值范圍來判定不同燃氣的互換性。
表2 韋弗指數允許值
判定指數
完全互換
基本互換
熱負荷指數
JH=1
0.95＜JH＜1.05
引射空氣指數
JA=1
—
回火指數
JF=0
JF＜0.08
脫火指數
JL=1
Ji＞0.64
CO生成指數
Ji=0
Ji＜0
黃焰指數
JY=0
JY＜0.14
3 互換性判定結果及分析
    我國廣東、福建和上海的LNG接收站分別接收來自澳大利亞、印度尼西亞和馬來西亞的LNG。國內的管道天然氣來自于塔里木、陜甘寧、四川普光、東海等地氣源。進口LNG氣化后能否與管道天然氣進行互換，是當前我國天然氣行業急需解決的關鍵問題。表3為15℃、101.325kPa下管道天然氣的組成及燃燒特性，表4為15℃、101.325kPa下，進口LNG的組成及燃燒特性。
表3 管道天然氣的組成及燃燒特性
氣源
塔里木
陜甘寧
四川普光
東海
忠武線
體積分數/%
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
燃燒特性
高熱值/(MJ·m-3)
38.22
37.49
36.50
38.22
38.13
低熱值/(MJ·m-3)
33.91
33.79
32.87
34.48
34.35
相對密度
0.577
0.589
0.586
0.610
0.571
華白數/(MJ·m-3)
50.32
48.86
47.70
48.95
50.45
燃燒勢
39.87
38.30
37.90
39.40
40.09
表4 進口LNG的組成和燃燒特性
氣源
澳大利亞
印尼
馬來西亞
體積分數/%
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
燃燒特性
高熱值/(MJ·m-3)
42.13
41.19
42.32
低熱值/(MJ·m-3)
38.07
37.20
38.26
相對密度
0.630
0.610
0.640
華白數/(MJ·m-3)
53.07
52.56
53.07
燃燒勢
41.75
41.80
41.23
    《城鎮燃氣分類和基本特性》GB/T 13611—2006將天然氣的類別分為3T、4T、6T、10T、12T。結合各類天然氣華白數和燃燒勢的范圍可知，上述管道天然氣和進口LNG同屬12T類別。因此，天然氣的基準氣類別宜選擇12T，則使用的燃具相應為12T類別。12T基準氣的組成及燃燒特性詳見《城鎮燃氣分類和基本特性》GB/T 13611—2006。現以12T天然氣為基準氣，管道天然氣和進口LNG作為置換氣，采用韋弗指數法對不同燃氣的互換性進行判定，
計算結果見表5。
表5 韋弗指數法計算結果
置換氣氣源
塔里木
陜甘寧
四川普光
東海
指數
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
可否互換
可以
不可以
不可以
不可以
置換氣氣源
忠武線
澳大利亞
印尼
馬來西亞
指數
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
可否互換
可以
不可以
不可以
不可以
    根據上述計算結果可知，塔里木天然氣和忠武線天然氣與12T基準氣具有良好的互換性，而其他管道天然氣和進口LNG與12T基準氣不具有互換性。
4 結語
    ① 隨著我國天然氣輸氣管網的形成，進口LNG與國內管道天然氣的互換性將成為天然氣行業必須關注的問題。為確保燃氣設備使用的安全性，必須對不同燃氣的互換性問題進行研究。
    ② 通過計算不同燃氣的華白數和燃燒勢得到，國內天然氣類別主要以12T為主，建議以12T類別的天然氣作為基準氣，使用的燃具相應為12T類別。
    ③ 對不可互換的天然氣可以通過混氣方式實現與基準氣的互換。低熱值天然氣可以摻入高熱值可燃氣體，而高熱值天然氣可以注入不可燃氣體(如空氣、氮氣等)。
參考文獻：
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(本文作者：袁樹明 賴建波 劉國莉 于建國 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)