進(jìn)口LNG與國(guó)內(nèi)管道天然氣互換性的判定

摘 要

摘要：采用韋弗指數(shù)法對(duì)不同氣源的天然氣與基準(zhǔn)氣的互換性進(jìn)行了分析，建議以12T類別的天然氣作為基準(zhǔn)氣，對(duì)不可互換的天然氣通過(guò)混氣方式實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)氣的互換。關(guān)鍵詞：液化天然氣；
摘要：采用韋弗指數(shù)法對(duì)不同氣源的天然氣與基準(zhǔn)氣的互換性進(jìn)行了分析，建議以12T類別的天然氣作為基準(zhǔn)氣，對(duì)不可互換的天然氣通過(guò)混氣方式實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)氣的互換。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；管道天然氣；互換性；韋弗指數(shù)
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(wèn)題的提出
    多氣源供應(yīng)可以提高城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全性，但也給城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)帶來(lái)新的問(wèn)題。不同氣源的天然氣品質(zhì)存在一定差異，這會(huì)給天然氣的利用造成一定影響，尤其是對(duì)天然氣品質(zhì)有特殊要求的應(yīng)用領(lǐng)域[1、2]。
    美國(guó)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始大量進(jìn)口富含重?zé)N的LNG后，進(jìn)口LNG與管道天然氣的互換性問(wèn)題當(dāng)時(shí)就成為美國(guó)燃?xì)饨绲囊粋€(gè)研究課題。我國(guó)天然氣工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀從氣源上看，有國(guó)產(chǎn)氣、進(jìn)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(yè)、工業(yè)、燃?xì)馄嚒⑷細(xì)獍l(fā)電等用戶。多氣源供應(yīng)勢(shì)必給城市燃?xì)庥脩魩?lái)互換性問(wèn)題[3]。
2 互換性指標(biāo)
    燃?xì)饨M成發(fā)生變化可能產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在燃燒現(xiàn)象和排放特性兩個(gè)方面[4]。燃燒現(xiàn)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?xì)饣Q性的方法有很多，多數(shù)是在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shù)[5]。互換性的衡量指標(biāo)可分為單一指數(shù)和多重指數(shù)。單一指數(shù)，如華白數(shù)，它是最常用也是最有效的衡量指標(biāo)，但缺乏對(duì)燃燒現(xiàn)象的描述[6]。多重指數(shù)，如AGA指數(shù)和韋弗指數(shù)。AGA指數(shù)系列包括脫火指數(shù)、回火指數(shù)、黃焰指數(shù)；韋弗指數(shù)系列除包含AGA指數(shù)系列外，還包含熱負(fù)荷指數(shù)、引射指數(shù)和一氧化碳生成指數(shù)?？梢?jiàn)，韋弗指數(shù)法比AGA指數(shù)法更加嚴(yán)格。將單一指數(shù)和多重指數(shù)配合使用可以得到最佳的互換性判定效果。
    韋弗指數(shù)法適用于民用和工業(yè)燃燒器。韋弗指數(shù)法又稱成組指數(shù)法，是用一組無(wú)因次指數(shù)來(lái)判定燃?xì)獾幕Q性[7]。
   ① 熱負(fù)荷指數(shù)
熱負(fù)荷指數(shù)表示在燃?xì)鈮毫Σ蛔兊那闆r下，燃?xì)庵脫Q時(shí)，熱負(fù)荷的相對(duì)變化。
 
式中JH——熱負(fù)荷指數(shù)
    H——燃?xì)飧邿嶂?，MJ/m3
    d——燃?xì)獾南鄬?duì)密度
    下標(biāo)a——基準(zhǔn)氣
    下標(biāo)s——置換氣
   ② 引射空氣指數(shù)
引射空氣指數(shù)表示燃?xì)庵脫Q時(shí)空氣吸入量的相對(duì)變化。
 
式中JA——引射空氣指數(shù)
    V0——理論空氣量，m3/m3
   ③ 回火指數(shù)
回火指數(shù)表示燃?xì)庵脫Q時(shí)回火傾向的變化。
 
式中JF——回火指數(shù)
D——火焰?zhèn)鞑ニ俣戎笖?shù)，取值見(jiàn)表1。
表1 可燃組分的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎笖?shù)
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(shù)
脫火指數(shù)表示燃?xì)庵脫Q時(shí)脫火傾向的變化。
 
式中JL——脫火指數(shù)
    φ(O2)s——燃?xì)庵醒鯕獾捏w積分?jǐn)?shù)
   ⑤ CO生成指數(shù)
CO生成指數(shù)表示燃?xì)庵脫Q時(shí)CO產(chǎn)生量的變化。
 
式中Ji——C0生成指數(shù)
    R——燃?xì)庵袣湓訑?shù)與碳原子數(shù)的比值
   ⑥ 黃焰指數(shù)
黃焰指數(shù)表示燃?xì)庵脫Q時(shí)產(chǎn)生黃焰傾向的變化。
 
式中JY——黃焰指數(shù)
    N——每100個(gè)燃?xì)夥肿尤紵龝r(shí)析出的碳原子數(shù)，計(jì)算中假定基準(zhǔn)氣恰好完全燃燒時(shí)所需的氧氣量為提供給置換氣燃燒時(shí)的氧氣量
    求出上述各項(xiàng)指數(shù)后，結(jié)合表2給出的各項(xiàng)指數(shù)取值范圍來(lái)判定不同燃?xì)獾幕Q性。
表2 韋弗指數(shù)允許值
判定指數(shù)
完全互換
基本互換
熱負(fù)荷指數(shù)
JH=1
0.95＜JH＜1.05
引射空氣指數(shù)
JA=1
—
回火指數(shù)
JF=0
JF＜0.08
脫火指數(shù)
JL=1
Ji＞0.64
CO生成指數(shù)
Ji=0
Ji＜0
黃焰指數(shù)
JY=0
JY＜0.14
3 互換性判定結(jié)果及分析
    我國(guó)廣東、福建和上海的LNG接收站分別接收來(lái)自澳大利亞、印度尼西亞和馬來(lái)西亞的LNG。國(guó)內(nèi)的管道天然氣來(lái)自于塔里木、陜甘寧、四川普光、東海等地氣源。進(jìn)口LNG氣化后能否與管道天然氣進(jìn)行互換，是當(dāng)前我國(guó)天然氣行業(yè)急需解決的關(guān)鍵問(wèn)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(jìn)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?jǐn)?shù)/%
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(duì)密度
0.577
0.589
0.586
0.610
0.571
華白數(shù)/(MJ·m-3)
50.32
48.86
47.70
48.95
50.45
燃燒勢(shì)
39.87
38.30
37.90
39.40
40.09
表4 進(jìn)口LNG的組成和燃燒特性
氣源
澳大利亞
印尼
馬來(lái)西亞
體積分?jǐn)?shù)/%
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(duì)密度
0.630
0.610
0.640
華白數(shù)/(MJ·m-3)
53.07
52.56
53.07
燃燒勢(shì)
41.75
41.80
41.23
    《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴稧B/T 13611—2006將天然氣的類別分為3T、4T、6T、10T、12T。結(jié)合各類天然氣華白數(shù)和燃燒勢(shì)的范圍可知，上述管道天然氣和進(jìn)口LNG同屬12T類別。因此，天然氣的基準(zhǔn)氣類別宜選擇12T，則使用的燃具相應(yīng)為12T類別。12T基準(zhǔn)氣的組成及燃燒特性詳見(jiàn)《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴稧B/T 13611—2006?，F(xiàn)以12T天然氣為基準(zhǔn)氣，管道天然氣和進(jìn)口LNG作為置換氣，采用韋弗指數(shù)法對(duì)不同燃?xì)獾幕Q性進(jìn)行判定，
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 韋弗指數(shù)法計(jì)算結(jié)果
置換氣氣源
塔里木
陜甘寧
四川普光
東海
指數(shù)
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(lái)西亞
指數(shù)
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(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，塔里木天然氣和忠武線天然氣與12T基準(zhǔn)氣具有良好的互換性，而其他管道天然氣和進(jìn)口LNG與12T基準(zhǔn)氣不具有互換性。
4 結(jié)語(yǔ)
    ① 隨著我國(guó)天然氣輸氣管網(wǎng)的形成，進(jìn)口LNG與國(guó)內(nèi)管道天然氣的互換性將成為天然氣行業(yè)必須關(guān)注的問(wèn)題。為確保燃?xì)庠O(shè)備使用的安全性，必須對(duì)不同燃?xì)獾幕Q性問(wèn)題進(jìn)行研究。
    ② 通過(guò)計(jì)算不同燃?xì)獾娜A白數(shù)和燃燒勢(shì)得到，國(guó)內(nèi)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(zhǔn)氣，使用的燃具相應(yīng)為12T類別。
    ③ 對(duì)不可互換的天然氣可以通過(guò)混氣方式實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)氣的互換。低熱值天然氣可以摻入高熱值可燃?xì)怏w，而高熱值天然氣可以注入不可燃?xì)怏w(如空氣、氮?dú)獾?。
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(本文作者：袁樹(shù)明 賴建波 劉國(guó)莉 于建國(guó) 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)