摘要：在多氣源天然氣的互換性試驗(yàn)中，配氣是十分關(guān)鍵的準(zhǔn)備工作。本文介紹了國(guó)標(biāo)中的相關(guān)規(guī)定以及配氣計(jì)算原則，提出了使用管道天然氣摻混單一氣體、利用AGA指數(shù)法和Weave指數(shù)法來(lái)判定配氣精度的方法。同時(shí)還討論配氣操作中的一些具體問(wèn)題以及相應(yīng)的解決措施。
關(guān)鍵詞：互換性；配氣計(jì)算；判別方法
Gas Blending Problem during Experimental Research of Multi-source Natural Gas Interchangeability
College of Mechanic Engineering，Tongji University，Shanghai Lv Zhao,jian，Qin Chaokui，Dai Wanneng
Abstract：Gas blending is an important preliminary work during experimental research of natural gas interchangeahiljty.Some related provisions in national standards，and calculation principles for blending processes，were introduced.A method based upon pipeline natural gas mixed with pure gases，followed by AGA and Weaver indices was put forward to analyze precision of blending.Also discussed were some detailed difficnlties and proposed solutions.
Keywords：natural gas interchangeahility；gas-blending calculation；judgement method
1 引言
作為最為清潔的一次能源，天然氣日益受到重視。隨著天然氣需求量的不斷增加，國(guó)內(nèi)許多地區(qū)出現(xiàn)了多氣源供應(yīng)的局面。如上海，目前已有西氣東輸一線、東海天然氣、進(jìn)口LNG、川氣4種氣源，即將引入西氣東輸二線；到2020年，廣東省天然氣管網(wǎng)也將出現(xiàn)海上天然氣、陸地天然氣、進(jìn)口LNG三大種類九大氣源聯(lián)供的局面。
多氣源天然氣可顯著改善供應(yīng)的可靠性，但由此帶來(lái)了互換性和燃具的適應(yīng)性問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，最為可靠的方法就是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由此引出了如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精確配制各種不同組分天然氣的問(wèn)題。
相關(guān)國(guó)標(biāo)中對(duì)于燃?xì)馀渲茊?wèn)題已有一些要求。GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎卣鳌分幸?guī)定：配制試驗(yàn)氣的華白數(shù)與給定值的誤差應(yīng)在±2%規(guī)定范圍內(nèi)；GB 6932—2001《家用燃?xì)饪焖贌崴鳌芬?guī)定：在試驗(yàn)過(guò)程中燃?xì)獾娜A白數(shù)變化范圍應(yīng)在±2%之內(nèi)；GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺芬?guī)定：試驗(yàn)過(guò)程中燃?xì)獾蜔嶂等A白數(shù)變化范同應(yīng)在±2%之內(nèi)。GB/T 13611—2006明確規(guī)定了用以配制燃?xì)獾母鲉我粴怏w純度：N2不低于99%；H2不低于99%；CH4不低于95%；C3H6不低于95%；C3H8不低于95%；C4H10不低于95%；并且當(dāng)甲烷、丙烯、丙烷和丁烷供應(yīng)有困難時(shí)，可根據(jù)情況分別用天然氣或液化石油氣代替，但配制試驗(yàn)氣的華白數(shù)W與給定值的誤差應(yīng)在±2%規(guī)定的范圍內(nèi)。
圖1列出了上海與廣東省一些氣源的華白數(shù)和燃燒勢(shì)，其整體變化并不大，除LNG富組分外均落在國(guó)標(biāo)12T范圍之內(nèi)(華白數(shù)45.67～54.78MJ/m3，燃燒勢(shì)36.3～69.3，圖1中兩條直線中間的范圍即為國(guó)標(biāo)中12T的華白數(shù)范圍。)。其中最貧的是川氣，最富的是珠海LNG富氣(表1)。若按照95%的CH4純度來(lái)配制川氣和珠海LNG(富)，即單一氣體CH4含有95%的CH4和5%的C2H6，則配制的川氣和珠海LNG(富)之華白數(shù)將增加，分別為49.22和53.93，偏差為1.73%和1.3%。顯然，若考察不同來(lái)源天然氣的組分不同所導(dǎo)致的燃?xì)饩咝阅茏兓?.73%和1.3%的偏差無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)要求，必須采用精確的配氣方法。
2 常用配氣方法及配氣原則
對(duì)于多氣源天然氣的互換性和燃具適應(yīng)性研究，可考慮傳統(tǒng)的三組分配氣法和原組分配氣法。前者僅保證配制氣與目標(biāo)的華白數(shù)和燃燒勢(shì)相同，后者可保證各單一組分、燃燒勢(shì)、華白數(shù)均一致，但對(duì)單一氣體的純度要求較高。
2.1 三組分配氣
常規(guī)的三組分配氣法，即用CH4、H2、N2或C3H8、H2、N2兩組原料氣進(jìn)行配氣。碳?xì)浠衔餆嶂岛捅戎囟驾^大、燃燒勢(shì)較?。籋2熱值和比重較小、燃燒勢(shì)較大；摻混惰性氣體N2可調(diào)整華白數(shù)和燃燒勢(shì)。利用這3種氣體，基本上可配制出與目標(biāo)氣華白數(shù)和燃燒勢(shì)相同的任何燃?xì)?。在?shí)際應(yīng)用中，有的配制氣雖然與目標(biāo)氣華自數(shù)和燃燒勢(shì)相同，但燃燒特性卻有較大的差異。
表1 廣東省兩種天然氣的組分
|
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
i-C4H10
|
n-C4H10
|
H2
|
He
|
C02
|
N2
|
華白數(shù)(MJ/m3)
|
燃燒勢(shì)
|
|
川氣
|
97.07
|
0.15
|
0.01
|
0
|
0
|
0.03
|
0.01
|
2.02
|
0.71
|
48.39
|
38.47
|
|
珠海LNG(富)
|
89.51
|
5.73
|
3.25
|
0.76
|
0.64
|
0
|
O
|
0
|
0.11
|
53.24
|
41.46
|
配氣計(jì)算公式如下：
式中：CP0、W0——目標(biāo)氣的華白數(shù)(MJ/m3)和燃燒勢(shì)；CmHn、H2、N2——碳?xì)浠衔?、氫氣、氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)；HCmHn、HH2——碳?xì)浠衔?、氫氣的高熱?MJ/m3)；dCmHn、dH2、dN2——碳?xì)浠衔?、氫氣、氮?dú)獾南鄬?duì)密度；當(dāng)CmHn為甲烷時(shí)，k=0.3；當(dāng)CmHn為丙烷時(shí)，k=0.6；
研究資料顯示，用C3H8、H2、N2三組分配制天然氣，黃焰指數(shù)偏差太大，配制氣與目標(biāo)氣的試驗(yàn)結(jié)果有較大的偏差[1]。在這種情況下，怎樣判斷配制氣與目標(biāo)氣是否完全互換是一個(gè)必須回答的問(wèn)題。在此，可考慮使用AGA指數(shù)法和Weaver指數(shù)法來(lái)判斷配制氣與目標(biāo)氣之間的互換性。
AGA對(duì)熱值大于32MJ/Nm3的燃?xì)饣Q性進(jìn)行了研究，得出了離焰IL、回火IF和黃焰IY3個(gè)指數(shù)的表達(dá)式。Weaver指數(shù)是表征燃?xì)庵脫Q時(shí)燃燒不正?，F(xiàn)象相對(duì)傾向性的近似表達(dá)，包含熱負(fù)荷因數(shù)JH、引射因數(shù)JA、回火指數(shù)JF、脫火指數(shù)JL、C0生成指數(shù)JI和黃焰指數(shù)JY。
下面以西氣東輸二線的土庫(kù)曼斯坦氣為例說(shuō)明“三組分配氣”。采用CH4、H2、N2進(jìn)行配氣計(jì)算無(wú)法得到同目標(biāo)氣華白數(shù)和燃燒勢(shì)一致的配氣計(jì)算解。所以，在此采用C3H8、H2、N2為原料氣時(shí)的配氣方法。表2是以C3H8、H2、N2為原料氣時(shí)的配氣結(jié)果。表3是以目標(biāo)氣為基準(zhǔn)氣，配制氣為置換氣時(shí)計(jì)算得到的A.G.A指數(shù)和Weaver指數(shù)。
表2 “三組分”的配氣計(jì)算舉例
|
組分
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
C4H10
|
C5H12
|
H2
|
C02
|
N2
|
Ws
|
CP
|
|
目標(biāo)氣
|
92.60
|
3.93
|
0.33
|
0.20
|
0.21
|
0
|
1.89
|
0.85
|
49.43
|
39.27
|
|
配制氣
|
0
|
0
|
56
|
0
|
O
|
9.59
|
O
|
34.41
|
49.41
|
39.28
|
表3 目標(biāo)氣與配制氣的A.G.A指數(shù)和Weaver指數(shù)
|
|
A.G.A指數(shù)
|
Weaver指數(shù)
|
|||||||
|
IL
|
IF
|
IY
|
JA
|
JH
|
JL
|
JF
|
JY
|
JI
|
|
|
允許范圍
|
＜=1.1
|
＜=1.2
|
＞=0.86
|
0.8～1.2
|
0.95～1.05
|
＞=0.64
|
＜=0.26
|
＜=0.30
|
＜=0.O5
|
|
數(shù)值
|
1.O43
|
1.163
|
0.701
|
0.994
|
1.000
|
1.107
|
0.122
|
0.957
|
0.O98
|
由表3可知：用“二三組分配氣法”計(jì)算的配制氣代替目標(biāo)氣時(shí)，黃焰指數(shù)和c0指數(shù)均不在允許范圍內(nèi)(表格中的紅色字體代表超出互換范同)，配制氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和目標(biāo)氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果勢(shì)必會(huì)有很大的偏差。即配制氣不能在黃焰特性和C0特性方面代替目標(biāo)氣。
2.2 純組分配氣
可考慮純組分配氣以保證配制氣與目標(biāo)氣的華白數(shù)、燃燒勢(shì)以及各單一組分均完全一致。此時(shí)，配氣成本將大大增加，且常溫下呈液態(tài)的重?zé)N氣體也很難配入。仍以土庫(kù)曼斯坦氣為例。表4給出了每種純組分的價(jià)格，并給出一次配氣5m3的最小成本。每配制5m3的土庫(kù)曼斯坦天然氣，需花費(fèi)近900元。對(duì)于需要大量燃具樣本反復(fù)測(cè)試的天然氣互換性研究來(lái)說(shuō)，必須考慮配氣方案的經(jīng)濟(jì)性。
表4 一次配氣成本(5m3)
|
氣種
|
價(jià)格(元，瓶)
|
氣瓶規(guī)格
|
純度(%)
|
配5m3氣需要體積(L)
|
配5m3氣體的成本(元)
|
|
甲烷
|
1000
|
40L(水容積)
|
99.9
|
4629.97
|
772
|
|
乙烷
|
1200
|
40L(水容積)
|
99.6
|
196.73
|
40
|
|
丙烷
|
600
|
3kg
|
99.95
|
16.51
|
58
|
|
丁烷
|
600
|
3kg
|
99.5
|
9.78
|
11
|
|
氮?dú)?/div>
|
40
|
40L(水容積)
|
100
|
42.37
|
0.3
|
|
二氧化碳
|
60
|
40L(水容積)
|
100
|
94.26
|
1
|
|
總計(jì)
|
882.3元
|
||||
3 管道天然氣結(jié)合純組分的配氣方法
簡(jiǎn)單的三組分配氣，不能保證配制氣與目標(biāo)氣的燃燒特性完全一致；采用純組分配氣又使得大量實(shí)驗(yàn)時(shí)的成本很高。在進(jìn)行天然氣互換性研究時(shí)，可采用已有管道天然氣結(jié)合純組分的方法，在保證配制氣與目標(biāo)燃燒特性基本相同的前提下，盡可能降低實(shí)驗(yàn)用純組分的成本。管道天然氣作為配氣用原料氣，使用前必須測(cè)定其組分含量。
由于使用了管道天然氣，配制氣和目標(biāo)氣的組分往往不會(huì)完全一致。此時(shí)可用色譜分析儀的精密度來(lái)確定每一組分的允許偏差值，并用AGA指數(shù)法和Weaver指數(shù)法來(lái)判斷配制氣是否可在燃燒特性上完全替代目標(biāo)氣。當(dāng)配制氣中的某種組分與目標(biāo)氣中該組分的偏差在氣相色譜儀的精度以內(nèi)，即認(rèn)為這種組分是一樣的。表5是GB/T 13610-2003中規(guī)定的每種組分濃度允許的偏差值。
仍以土庫(kù)曼斯坦氣為例。表6是按“管道天然氣結(jié)合純組分氣體”的配氣方法計(jì)算得到的管道天然氣和各純組分氣體的比例以及配制氣的組分、華白數(shù)和燃燒勢(shì)。表7是目標(biāo)氣與配制氣的A.G.A指數(shù)幣HWeaver指數(shù)。
由表6可知：采用“管道天然氣結(jié)合純組分”的配氣方法可將純甲烷的使用量減少了一半，采用這一方案配制5m3土庫(kù)曼斯坦氣的成本僅為407元，可大幅度降低試驗(yàn)費(fèi)用。而且此配氣方案保證各個(gè)組分的允許偏差均在氣相色譜儀的檢測(cè)精度以內(nèi)。由表7可知，AGA指數(shù)和Weaver指數(shù)均在“完全可互換”范圍內(nèi)，即配制氣可以完全替換目標(biāo)氣。
表6 “管道氣結(jié)合純組分氣體”的配氣計(jì)算
|
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
C4H10
|
C5H12
|
C02
|
N2
|
Ws
|
CP
|
|
目標(biāo)氣
|
92.60
|
3.93
|
0.33
|
0.20
|
0.21
|
1.89
|
0.85
|
49.43
|
39.27
|
|
配制氣
|
92.68
|
3.98
|
0.40
|
0.26
|
0.03
|
1.87
|
0.78
|
49.42
|
39.37
|
|
管道天然氣
|
93.41
|
3.58
|
0.62
|
0.20
|
0.O5
|
0.65
|
1.49
|
50.04
|
39.79
|
|
配氣方案
|
CH4=43.63%，C2H6=2.1%，C3H8=0.07%，C4H10=0.16%，C02=1.53%
管道天然氣=52.5%
|
||||||||
表7 目標(biāo)氣與配制氣的A.G.A指數(shù)和Weaver指數(shù)
|
|
A.G.A指數(shù)
|
Weaver指數(shù)
|
|||||||
|
IL
|
IF
|
IY
|
JA
|
JH
|
JL
|
JF
|
JY
|
JI
|
|
|
允許范同
|
＜=1.1
|
＜=1.2
|
＞=0.86
|
0.8～1.2
|
0.95～1 05
|
＞=0.64
|
＜=0.26
|
＜=0.30
|
＜=0.05
|
|
目標(biāo)氣為基準(zhǔn)氣
|
1.000
|
1.016
|
1.008
|
0.999
|
0.999
|
0.999
|
0.O01
|
-0.004
|
-O.001
|
|
配制氣為基準(zhǔn)氣
|
1.000
|
1.O16
|
0.992
|
1.O01
|
1.001
|
1 001
|
-0.001
|
0.004
|
0.001
|
4 影響配氣精度的一些細(xì)節(jié)
圖2為采用上述配氣方案時(shí)的流程示意圖。純組分氣體由鋼瓶減壓后，首先經(jīng)過(guò)水浴套管和減壓器，再經(jīng)膜式燃?xì)獗碛?jì)量，進(jìn)入內(nèi)置攪拌器的5m，濕式儲(chǔ)氣罐。
在配氣操作中，有一些細(xì)節(jié)會(huì)影響最終的配氣精度，簡(jiǎn)述如下：
(1) 配氣管路中的流量計(jì)。天然氣中甲烷的含量均在90%左右，其他成分所占比例很少，有些甚至只有千分之幾。此時(shí)所需對(duì)應(yīng)純組分的用量就非常少，配氣流程中用于監(jiān)測(cè)的流量計(jì)的量程變得十分關(guān)鍵。
理想情況下燃?xì)獗碛?jì)量誤差是零，但是流量計(jì)均存在實(shí)際誤差曲線。按照設(shè)計(jì)圖生產(chǎn)的一批燃?xì)獗?，誤差曲線應(yīng)該是一樣的，但是，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)工藝、裝配等因素影響，實(shí)際上每一臺(tái)表的誤差曲線是不同的[2]。圖3為某一膜式燃?xì)獗淼膶?shí)際典型的誤差曲線，其中橫坐標(biāo)x軸為檢定的流量點(diǎn)，縱坐標(biāo)Y軸為相對(duì)誤差值(%)。
(2) 儲(chǔ)氣罐中的死體積。每次配氣之前都要對(duì)儲(chǔ)氣罐進(jìn)行清洗工作，防止上次配氣未用完的殘氣對(duì)本次配氣造成影響?？捎霉艿捞烊粴膺M(jìn)行清洗。但是儲(chǔ)氣罐內(nèi)有一定體積的氣體始終無(wú)法排出，稱為儲(chǔ)氣罐的死體積。在配氣計(jì)算中一定要把洗氣剩下的死氣體計(jì)算在內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)配氣錯(cuò)誤。
(3) 儲(chǔ)氣罐中的密封油。濕式儲(chǔ)氣罐常用水密封，為避免C02溶解在水中造成不可控制的配氣后果，可在水面上方加注一定量的密封油。由此可避免C02溶解于水的問(wèn)題，但造成了所配氣體中的重?zé)N組分與密封油之間可能發(fā)生溶解和稀釋的問(wèn)題。表8為C4及C4以上各組分的沸點(diǎn)常數(shù)。天然氣中重?zé)N的含量很小，所以分壓力也很小，因此當(dāng)溫度高于5℃時(shí)，C4(甚至C5)都處于氣體狀態(tài)。但當(dāng)溫度低于某組分的液化臨界溫度時(shí)，該組分就會(huì)溶解到密封油中[3]。除了C4及C4以上組分會(huì)岡為液化與密封油發(fā)生溶解現(xiàn)象外，天然氣中的氣體組分包括在儲(chǔ)氣罐實(shí)際儲(chǔ)存條件下不易液化的C3及其以下組分，在儲(chǔ)氣罐中也存在溶解釋放平衡過(guò)程。
表8 天然氣中某些成分的沸點(diǎn)常數(shù)
|
溪霞
|
沸點(diǎn)常數(shù)/℃
|
|
丁烷
|
-0.5
|
|
異丁烷
|
-11.7
|
|
正異丁烯
|
-6.9
|
|
反丁烯
|
0.9
|
|
順丁烯
|
3.7
|
|
異戊烷
|
29.9
|
|
正戊烷
|
36.1
|
密封油與天然氣的接觸面積和接觸時(shí)間都會(huì)影響溶解速度。因而可以通過(guò)縮短每次所配氣體的使用時(shí)間(即提高單次配氣的使用效率)和組分含量相近的氣種集中配氣來(lái)降低所配氣各成分在密封油中的溶解程度。
(4) 配制氣中含水問(wèn)題。天然氣本身不含有水蒸氣，但由于儲(chǔ)氣罐中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致配制氣中含有了一定的水分。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中可利用冰柜對(duì)配制氣降溫、除濕，以顯著降低配制氣中的水蒸氣含量。
(5) 進(jìn)氣順序的確定。由于各原料氣的密度不同，在儲(chǔ)氣罐內(nèi)存在重氣下沉、輕氣上升的現(xiàn)象。若進(jìn)氣口在儲(chǔ)氣罐的下端，應(yīng)先進(jìn)重氣、再進(jìn)輕氣；反之，若進(jìn)氣口在其上端，則應(yīng)先進(jìn)輕氣、再進(jìn)重氣。這樣在沒(méi)有罐內(nèi)攪拌器的情況下，可利用進(jìn)氣過(guò)程加強(qiáng)混合，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。對(duì)天然氣多氣源互換性實(shí)驗(yàn)，配氣過(guò)程中應(yīng)對(duì)每種原料氣采用多次進(jìn)氣的方法。閥門開(kāi)關(guān)按要求及先后順序嚴(yán)格進(jìn)行。每種原料氣在進(jìn)氣管道上的安裝先后順序應(yīng)該保證進(jìn)氣前管內(nèi)氣體成分和進(jìn)氣完成后管內(nèi)殘留的氣體成分相同，并能減小因管路容積造成的配氣誤差。配氣完成后，根據(jù)配氣量靜置2h～8h。如果儲(chǔ)氣罐內(nèi)有攪拌器，則在用氣前需強(qiáng)制循環(huán)混氣，此時(shí)更利用氣體的混合。
(6) 配氣過(guò)程的氣相色譜監(jiān)測(cè)。每次配氣時(shí)，先按照需要的組分，依次進(jìn)氣，但總體積并不是儲(chǔ)氣罐的容積，而是小于該容積的某個(gè)量。在所有組分全部輸入、攪拌一段時(shí)間后，取樣分析最終得到的配制氣，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)確定是否需要再補(bǔ)充少量的某組分。
5 結(jié)論
在研究多氣源天然氣的互換性問(wèn)題時(shí)，可考慮采用傳統(tǒng)的三組分配氣法和純組分配氣法。前者僅可保證配制氣和目標(biāo)氣的華白數(shù)、燃燒勢(shì)相等，并不能保證配制氣與目標(biāo)氣在燃燒特性上的一致性。后者需耗費(fèi)昂貴的純組分氣體，實(shí)驗(yàn)工作量較大時(shí)，純組分氣體成本巨大。
本文提出了一種將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的管道天然氣與純組分結(jié)合的配氣方法，以氣相色譜儀的精度作為單一組分之間的允許偏差，并輔以AGA指數(shù)法幣NWeaver指數(shù)法來(lái)判斷目標(biāo)氣與配制氣的可互換性。經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的設(shè)備改裝與操作，可實(shí)現(xiàn)低成本、高復(fù)現(xiàn)性的配氣工藝，用于多氣源天然氣的互換性實(shí)驗(yàn)研究。
參考文獻(xiàn)
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（本文作者：呂趙鍵 秦朝葵 戴萬(wàn)能 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 201804)
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