天然气互换性研究的发展现状与趋势

杨诗怡，杨兴振，李银莉，许彭理

（1. 西南石油大学石油工程学院， 四川 成都 610500； 2. 新疆新捷燃气有限责任公司， 新疆 乌鲁木齐 830000；3. 贵州燃气热力设计有限责任公司， 贵州 贵阳 550000； 4. 成都华润燃气设计有限公司， 四川 成都 610500）

天然气互换性研究的发展现状与趋势

杨诗怡1，杨兴振2，李银莉3，许彭理4

（1. 西南石油大学石油工程学院， 四川 成都 610500； 2. 新疆新捷燃气有限责任公司， 新疆 乌鲁木齐 830000；3. 贵州燃气热力设计有限责任公司， 贵州 贵阳 550000； 4. 成都华润燃气设计有限公司， 四川 成都 610500）

随着我国清洁能源需求的不断增长和天然气产业的快速发展，我国逐步形成了国产天然气、进口管道气和进口液化天然气的多气源供应格局。各气源由于气质和组分的不同，进入同一管网时易导致天然气互换性问题，直接影响燃烧设备的燃烧特性。综述了华白数法、AGA指数法、韦弗指数法、德尔布法和达顿法等天然气互换性判别方法。分析了世界各国解决互换性问题所采取的措施，对我国未来天然气互换性研究进行了展望，建议通过实验建立符合我国气源现状的互换性判别方法。

多气源；供应格局；互换性；判别方法

2013年，我国天然气表观消费量达到了 1676亿 m3，占一次能源消费的比重上升至 5.9%。天然气进口量达530亿m3，同比增25%，天然气对外依存度首次突破30%，达到31.6%。横跨多个目标市场区域的管网系统，资源多元化、供应网络化、调度灵活化的供气格局将逐渐形成。目前我国天然气气源供应结构呈现多元化趋势，有以陕甘宁气、塔里木气和四川气为代表的国内管道气，缅甸、土库曼斯特和哈萨克斯坦的进口管道气，澳大利亚、卡塔尔和马来西亚为代表的进口LNG，以及以新疆广汇为代表的国产LNG[1]。

天然气供应多元化提高了我国天然气供应系统的安全性，各种天然气产地及生产工艺通常不同，各气源，特别是管输天然气和液化天然气的组分及燃烧特性差异较大，如果同时进入一个管网，易导致天然气互换性问题[2]。国产气与进口气热值存在较大的差异，我国目前多种气源的高位热值变化范围为36.29～43.32 MJ/m3。我国某些城市已经出现了不稳定供气与用户稳定要求之间的矛盾，特别是在具有LNG接收站的沿海省市，因此，开展天然气互换性研究具有重要的现实意义。

1 天然气互换性判别方法

天然气互换性定义为[4]：在不明显改变运行安全、效率和性能、或者不会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外一种燃气的能力。20世纪30年代美国就开展了燃气互换性方面的研究，提出了美国燃气协会（AGA)判定法和韦弗判定法。20世纪50年代欧洲开始使用天然气，随之也进行了互换性研究，相继发展了德尔布法，吉尔伯特-普里格法，达顿法等判定方法。

1.1 指数判定法

1.1.1 华白指数法

华白指数法是天然气互换性研究领域最早应用的一个判别方法，它是表征燃气热负荷的特性数据，天然气互换时如果华白数保持恒定，则燃烧器热负荷和一次空气系数就基本稳定。目前，世界各个国家规定的华白数允许范围大多不一样，但是作为燃具输入热量的基础指数，很多国家规定其变化范围在 5%左右。华白指数是目前使用最为广泛的互换性判别方法，它仅从热负荷的角度来考虑互换性，并没有考虑稳定燃烧所包含的其它因素，在实际应用中存在一定的局限性[5]。

1.1.2 AGA指数法

由于气源种类增多，采用华白指数已不足以控制燃气的质量，20世纪70年代美国燃气协会提出了以回火指数IF、离焰指数IL和黄焰指数IY这3个指数作为判断燃烧稳定性的准则，即AGA指数法。该方法使用的前提是燃气的高热值必须大于 32 MJ/m3，其中基准气和置换气的性质服从容积百分比混合法则。该方法是作为天然气和非天然气燃气互换的可靠判据，具有一定的代表性和普适性，在新兴气源(如LNG)与天然气的互换性问题上，AGA法的有效性还有待评估[6]。

1.1.3 韦弗指数法

韦弗指数法主要通过回火指数JF、不完全燃烧指数JI、热负荷指数JH、脱火指数JL、引射因数JA、黄焰指数JY和6个指数作为判别依据[5]，其判别依据见表1。

表1 韦弗指数法判断依据Table 1 Judgment of Weaver index

1.2 图形判定法

1.2.1 德尔布法

法国燃气公司的实验表明，不同气源的燃气在同一种燃烧器上燃烧时，回火、离焰和CO三条曲线主要取决于与内焰高度有关的因素，而黄焰曲线则与内焰高度无关[5]。该法选取的判别指数为华白数W和燃烧势Cp，用W-Cp构成的坐标系上的曲线表示燃气允许互换的范围。

1.2.2 达顿法

达顿法根据燃气组分进行天然气互换性的预测，该法认为任何一种实际的燃气能够由甲烷、其他烃类、氢和惰性气体构成，其他烃类可用当量丙烷和甲烷表示[6]。

上述5种天然气互换性判别方法的特点如表2所示[6,7]。

表2 天然气互换判定方法的比较Table 2 Comparison of natural gas exchange methods

2 世界各国解决天然气互换性问题的方法

2.1 美 国

在世界各国中，美国是天然气使用量最大、遇到问题最多的国家。美国国家天然气委员会(NGC)牵头成立了互换性研究工作组(简称NGC+)，开展了相关的燃气可互换性的研究，在2005年发布了《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》，给出了相关的解决方案，其方法主要有下面3种[2]：

（1）天然气产地

早期LNG在出产地均会进行凝析处理，分离出戊烷、己烷和更重的烃类组分，避免在液化工艺中造成冰堵故障。

（2）LNG接收站

①凝析处理法：采用凝析分离工艺对LNG进行处理，降低NGL成分；②掺混气体法：掺入氮气、空气、烟气等气体，降低其华白数；③不同气源掺混法：该方法的原理主要是通过在LNG接收站内进行两种LNG的掺混[8]。

（3）用户端

①调节气源：燃气公司通过在城市门站处掺混空气，解决了地区性的燃气互换性问题；②调节用户设备：对燃具进行调查和检测，必要时根据气源的变化对燃具进行调节。

2.2 欧洲

欧洲国家众多，天然气产业发展的差异造成了各自的标准相差较大。2002年3月，欧盟6个基本成员国在巴黎成立了欧洲能源（燃气）交易协会（EASEE-gas），借鉴美国互换问题模型解决互换性问题[4]。

英国拥有大量陈旧的民用燃气设备，在多气源互换性的问题上采取了观望的态度，目前推荐的天然气热值为39.8 MJ/m3，计价标准为kWh/m[3,8]。

法国建设了两种不同类型的输配管网，分别输送不同热值的天然气，两种天然气的热值范围分别为34.2～37.8 MJ/m3和38.52～40.08 MJ/m3。

荷兰由于本身的天然气存储设施容量大，将热值不同的天然气进行混合混配，向用户输送符合热值需求的混合气体[9]。

2.3 亚洲

在亚洲各国中，日本具有一定的代表性，其天然气消费主要依靠进口LNG。日本相关的法律规定[5]：天然气的高热值必须达到或超过规定，规定进口LNG的热值不允许低于41.2 MJ/m3，然后增热至45 MJ/m3。其增热方案主要是通过在LNG中添加液化石油气达到预定热值，最低的高热值为44 MJ/m3，平均为46 MJ/m3。

3 我国天然气互换性研究现状

1976年在英国伦敦召开的世界燃气大会（WGC）上，国际燃气联盟（IGU）根据互换性概念利用华白数和燃烧势对燃气进行了分类，20世纪90年代我国参照 IGU的研究成果，颁布了 GB/T 13611《城市燃气分类》。2006年颁布了《城镇燃气分类和基本特性》，对GB/T 13611气种分类等进行了修改，但使用华白数和燃烧势进行分类的基本原则没有变化[10,11]。

我国在天然气互换方面制定了一些规范和指标，但我国天然气互换性研究领域主要采用了国外判别方法，包括AGA指数法、韦弗指数法等，而我国气源成分、燃具类型都和国外有较大差距，且没有掌握国外的实验数据资料，很难进行深入探讨。

因此，我国需要在分析比较国外天然气互换成功经验的基础上，以相关实验为基础，通过理论分析和实验数据归纳，绘制出适合我国燃具现状的互换图，提出符合我国天然气气源实际现状的互换性方法[12]。

4 结 论

（1）随着我国气源多元化、供应网络化的供气格局的逐渐形成，成分不稳定的气源与要求相对稳定的用户之间的矛盾在我国城市中将会越来越多的出现，开展天然气互换性研究工作具有重要的现实意义。

（2）国外现有的互换性判别方法都是各国根据本国的气源状况通过实验研究得出来的，我国应立足现有气源实际现状，提出符合我国实际情况的互换性研究方法。

（3）对于存在多气源互换性问题的地区，应根据管道走向、气质成分、管输压力等因素合理选择适应性高的天然气互换性方案，沿海城市引入进口LNG时，应选择与已有气质互换性较好的气源。

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［2］秦朝葵，吴之觐．多气源天然气的互换性问题[J].天然气工业，2009，29（12）：90-91.

［3］郭开华，王冠培，皇甫立霞. 中国天然气气质规格及互换性标准问题[J].天然气工业，2011，31（3）：97-101.

［4］孙秀丽，秦朝葵，郭甲生．浅谈天然气互换性的对策研究[J].上海煤气，2008，15(4)：20-23．

［5］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[J].北京石油化工学院学报，2013，21(3)：31-35．

［6］邹雪春，梁栋．燃气互换性几种常用判定方法的比较与选择[J].广州大学学报，2007，6(3)：88-89．

［7］周理，郭开华，皇甫立霞．天然气互换性判别方法研究[J].石油与天然气化工，2013，42(6)：643-644．

［8］张玉坤，许文晓，陈勇．天然气气质及其互换性 [J].石油与天然气化工，2012，37(6)：523-525．

［9］李猷嘉．论液化天然气与管道天然气的互换性[J].城市燃气，2009，42(6)：4-5．

［10］李明，罗东晓，华贲．天然气互换性判别方法研究[J].上海煤气，2006，13(1)：7-8．

［11］王楼明，叶锐钧．我国液化天然气标准的现状和展望[J].上海煤气，2009，16(4)：24-25．

［12］刘艳华．美国国家天然气委员会对于 LNG和管道天然气可互换性的研究[J].城市燃气，2006，39(8)：22-23．

Development Status and Trend of Research on Natural Gas Interchangeability

YANG Shi-yi1，YANG Xing-zhen2，LI Yin-li3，XU Peng-li4
（1. School of Petroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500，China；2. Xinjiang Xinjie Gas Co. , Ltd, XinJiang Wulumuqi 830000，China；3. Guizhou GAS & heat Design Co. , Ltd, Guizhou Guiyang 550000，China；4. Chengdu China Resources Gas Design Co., Ltd, Sichuan Chengdu 610500，China）

With the rapid development of the growing clean energy demand and natural gas industry in China, multi gas source supply pattern of domestic natural gas, import pipeline gas and liquefied natural gas in China has been gradually formed. Each source with different temperament and different component into the same network is easy to lead to natural gas interchangeability problem, which will directly affect the combustion characteristics of combustion equipment. In this paper, the discriminant methods of natural gas interchangeability were summarized, such as Wobbe number method, AGA index, Weaver index method, Del method and so on. The measures to solve the interchangeability problem at home and abroad were analyzed, natural gas interchangeability research in China was discussed, it’s suggested that the discriminant method based on the present situation of gas resource in China should be established by experiments.

Multiple gas source; Supply pattern; Interchangeability; Identification method

TE 624

A

1671-0460（2014）12-2655-03

2014-05-26

杨诗怡（1990-），女，四川成都人，在读硕士生，现就读于西南石油大学油气储运工程专业，研究方向：从事城市燃气方向的研究工作。E-mail：359208413@qq.com。