天然气互换性多组分配气计算及软件开发

王俊颖，李汉勇，韩一学，盛敏徽，杨驰

(1.北京石油化工学院化学工程系，北京 1026174;2.中国石油大学，北京 102249)



天然气互换性多组分配气计算及软件开发

王俊颖1，2，李汉勇1*，韩一学1，2，盛敏徽1，杨驰1

(1.北京石油化工学院化学工程系，北京 1026174;2.中国石油大学，北京 102249)

摘要：随着我国天然气行业的发展，城市天然气多气源供气现象将长期存在。在天然气互换性问题基础上，为满足互换性实验的要求，在实验室得不到供应各地方实际气源气的前提下，以北京地区为例，对各气源天然气进行多组分配气计算并编写相关软件，得到不同配气方案下各气源天然气的实验配制气。通过分析不同配气方案下配制气的燃烧特性参数，并结合天然气互换性实验系统的要求甄选出了最佳配气方案。

关键词：天然气互换性；配气计算；java编程

随着我国经济的发展和对节能减排环保要求的提高，天然气作为一种清洁能源，其消耗量和需求量都在迅速增加。随着“西气东输”、“川气东送”、“陕气进京”、LNG进口、中亚天然气管道的建立，我国城市燃气的多气源供气现象将不可避免[1-2]。以北京地区为例，“十二五”期间可供北京天然气的资源有陕京一二三四线、大唐煤制气、唐山液化天然气6大气源，供应能力达200亿m3/a，可以保障“十二五”期间北京地区的天然气需求。然而多气源供气环境下天然气组分和品质的不同会对供气系统和末端设备造成一定的影响，因而对城市燃气互换性问题的研究显得尤为重要。由于实验室或灶具厂自身条件的限制，无法得到需要研究的当地气源气，因而采用纯组分配气的方式来进行实验和探究。为满足实验室对组分配气的要求，笔者以北京地区为例对各气源天然气进行了多组分配气计算，为实验研究天然气互换性作充分准备。

1天然气互换性

1.1互换性定义

美国国家天然气委员会对燃气“可互换性”的定义是：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[3]。在城市多气源供气的背景下，为了避免不同品质的天然气对于环境、设备、经济方面的影响，多气源天然气的互换已经成为国际天然气行业的热点问题。我国采用华白数和燃烧势对城镇燃气进行分类[4]，因而，采用华白数和燃烧势为主要配气判别标准。

1.2常用特性参数

1.2.1华白数

在燃气工程中，华白数是不同类型燃气互换时，衡量热流量大小的特性指数。其定义是燃气的热值与其相对密度平方根的比值[4]：

(1)

式中：W为华白数，MJ/m3；H为燃气热值，MJ/m3；d为燃气相对密度(空气的相对密度为1)。

若2种燃气的热值和密度不相同，只要他们的华白数相等，就能在同一燃气压力和同一燃具上获得同一热负荷。或者说如果1台燃气具不改变喷嘴数、喷嘴直径、空气密度以及喷嘴前后的压差，在更换燃气时，只要更换燃气的华白数不变，燃气具的热负荷就保持不变。

1.2.2燃烧势

燃烧势的定义是燃烧速度指数[4]，是反映燃烧稳定状态的参数，即反映燃烧火焰产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性参数。2种燃气若能互换，其燃烧势应在一定范围之内波动，计算公式为：

CP=K×

(2)

2多组分配气计算方法及软件开发

2.1配气计算理论方法

多组分配气计算是指用不同种原料气配制真实天然气，最终得到各原料气体积分数的方法。虽然多组分配气是为了得到城市多气源互换性实验的实验气，但是实质上多组分配气也属于天然气互换性的范畴，即多组分实验气与气源气的互换。

笔者采用二组分、三组分、四组分3种配气方法配制了陕京一线、二线、三线和唐山到港LNG 4种天然气。由于我国采用华白数和燃烧势作为城镇燃气的分类指标，因此主要采用华白数和燃烧势作为配气标准。

在配气方法中采用的原料气通常包括碳氢化合物组成的燃气(比如液化石油气、甲烷等)以及氢气和氮气。这是因为碳氢化合物的热值和比重都较大，燃烧势较小，氢气的热值和比重都较小，燃烧势较大，再用惰性气体氮气掺混其中调节华白数和燃烧势，基本上可以配制出具有不同华白数和燃烧势的各种天然气[5]。

2.1.1二组分配气计算方法

二组分配气方法采用河北地区某管道气分别和氢气、氮气、甲烷和空气掺混配制。管道气各组分和燃烧特性数据如表1、表2所示。

表1　管道气气体组成　%

表2　管道气燃烧特性参数

二组分配气采用高华白数作配气互换标准，方程组如下：

(3)

式中：Hi为原料气组分i的高热值，MJ/m3；Vi为原料气组分i的体积分数，%；di为原料气组分i的相对密度。

2.1.2三组分配气计算方法

三组分计算方法包含丙烷、氢气、氮气和异丁烷、氢气、氦气2种配气方案，用华白数和燃烧势作为配气互换指标，方程组如下[4]：

(4)

式中：CP为燃烧势；K为燃气中氧含量修正系数。

2.1.3四组分配气计算方法

在四组分配气计算方法中选用2种配气方案，分别是甲烷、丙烷、氢气、氮气和甲烷、异丁烷、氢气、氮气。由于四组分配气计算中有4个未知量(分别为4种原料气体的体积分数)，因而相较于三组分配气方法多引入1个黄焰指数作为配气标准。黄焰指数是用来判定燃气产生黄焰倾向性的参数。引入黄焰指数后四组分配气计算的方程组如下[4]：

(5)

式中：I为黄焰指数；j为相应碳氢化合物的黄焰系数；Hs为燃气高热值，MJ/m3。

2.2程序算法及软件开发

2.2.1软件开发平台

软件开发以NetBeans IDE 8.0.2为程序平台，选用Java语言编程。NetBeans是可以在Windows、Mac、Linux和Solaris中运行的集成开发环境。NetBeans IDE目前支持PHP、Ruby、JavaScript、Ajax、Groovy、Grails和C/C++等开发语言。

Java语言作为一种计算机编程语言最突出的特点就是其是一个纯面向对象的程序设计语言。面向对象的优点有：易维护，采用面向对象思想设计的结构，可读性高。

由于继承关系的存在，即使要改变需求，维护也只存在于局部模块，所以维护起来非常方便，且成本低、质量高，在设计时，可以使用在以前的项目领域中已经被测试过的类，从而使整个系统更能满足业务需求并且具有较高的质量；在软件开发时，面向对象的思想即为根据设计的需要对现实世界的事物进行抽象，从而产生类。使用这样的方法解决问题，会接近于日常生活和自然的思考方式，会提高软件开发的效率和质量；由于继承、封装、多态的特性，使得系统更灵活，更容易扩展，而且成本更低。

2.2.2软件系统流程和界面展示

多组分配气计算软件主要由数据输入与储存、函数方法运算、迭代控制编写和运算结果输出4个模块组成。在函数方法运算模块使用工具包CommonMath3.3提供诸如二分法求解、Jacobi矩阵逆的求解等运算。在迭代控制编写模块使用牛顿拉夫逊迭代方法求解多元非线性方程组。软件的系统流程如图1所示。

软件中的主界面、查询界面、组分选择界面和配气结果界面分别如图2、图3、图4和图5。

3配气结果与方案比较

3.1多组分配气计算结果

在多组分配气理论计算的基础上，运用软件配制陕京一线、二线、三线和唐山到港LNG4种气源气。4种天然气的组分和燃烧特性参数如表3所示。

表3　北京地区气源气组分和燃烧特性参数　体积分数/%

注：表中燃烧特性参数参比条件均为温度为15 ℃，压力为101.325 kPa。

以配制陕京一线天然气为例，各组分配气结果如表4～表6所示。

表4　二组分配气结果

表5　三组分配气结果

表6　四组分配气结果

3.2多组分配气方案比较

在计算出不同方案中各组分气体体积分数后反算配制气的燃烧特性参数，即华白数、燃烧势和黄焰指数与原天然气燃烧特性参数间的偏差，从而比较出不同方案在配气精确性上的优劣。

表7　方案比较

由表6可知，二组分配气在整体燃烧特性方面最接近真实天然气，三组分和四组分配气在华白数和燃烧势偏差上相差不大，但在黄焰指数偏差上三组分配气远高于四组分配气。首先，因为二组分配气采用河北某地区管道气作为主要原料气，在本质上相当于全组分配气，所以配制结果最为精确。但由于原料气具有特殊性，因而对于多组分配制天然气不具备较强的指导意义。其次，由于四组分配气方法中含有黄焰指数这一项，所以可以从根本上限制配制气的黄焰指数。另外四组分配气中主要原料气为甲烷，三组分配气若采用甲烷为原料气，经验证求不出解，因而三组分中主要原料气为丙烷或异丁烷。而实际天然气中占绝大部分比例是甲烷，鉴于丙烷或异丁烷与甲烷间的差异，四组分配气更能模拟出真实天然气的燃烧特性，相对于三组分配气更精确。

然而四组分配气方法要求提高实验配气系统的流量计精度。这是因为在四组分配气方案中甲烷的体积分数占绝大部分，使得其他组分气体的体积分数非常小，这样在实验配气系统中就需要提高流量计精度，从而保障体积分数非常小的其他组分气体能够配出精确流量。若假设总配制气的流量为5 L/min，经过计算得到四组分配气需要流量计精度至少达到0.1%。

相对于四组分配气方法来说，三组分配气虽然不能更精确地模拟出真实天然气的燃烧特性，但是由于每个组分气体的体积分数相差不大，所以对于流量计的精度要求不高，同样按照总配制气的流量为5 L/min，流量计精度只需达到1%。

4结论与建议

通过对陕京一线、二线、三线和唐山到港LNG 4种天然气的多组分配气结果分析可知，二组分(本质为全组分)配气在华白数、燃烧势和黄焰指数上最接近真实天然气，四组分配气方案较三组分配气方案在华白数、燃烧势上的偏差相差不大，但在黄焰指数上四组分配气更接近真实天然气。由此说明，配气组分数的增加能够提高配制气模拟真实天然气的精确程度。在实验系统上，由于四组分配气悬殊的体积分数，因而需要精度更高的流量计。因此，建议后续实验研究天然气互换性的配气方法采用四组分配气计算方法。

参考文献

[1]邱中建.中国天然气产量发展趋势与多元化供应分析[J].天然气工业，2005，25(8)：1-5．

[2]罗东晓.多气源供应格局下的管网供气方案[J].天然气工业，2008，28(6):120-123．

[3]NGC+Interchangeability Work Group. White paper on natural gas interchangeability and non-combustion end use[R]. February 28，2005．

[4]中华人民共和国标准.GB/T 13611—2006，《城镇燃气分类和基本特性》.北京：中国标准出版社，2007-03-01.

[5]中国土木工程学会.城市燃气分会2010年年会论文集[G].2010.

The Multi-group Distribution Calculation in Natural Gas Interchangeability and Software Development

WANG Jun-yin1,2, LI Han-yong1*, HANG Yi-xue1,2, SHENG Min-hui1, YANG Chi1

(1.Department of Chemical Engineering, Beijing Institute of Petro-Chemical Technology, Beijing 102617, China; 2.China University of Perdeam, Beijin 102249, China)

Abstract:With the development of natural gas industry in China， more and more natural gas sources will be supplied for the same city together. In the case of natural gas interchangeability， the multi-group distribution calculation for different kinds of natural gas in Beijing was made and the results of those calculations were obtained in this paper. Through the analysis of the combustion characteristics and the requirements of the experimental system， the best multi-group distribution method was recommended.

Key words:natural gas interchangeability; gas distribution calculation; java programming

收稿日期:2015-11-20

作者简介：王俊颖(1991—)，女，硕士生，主要从事城市燃气工作研究，852507351@qq.com；李汉勇(1976—)，女，讲师，博士，研究方向为油气长距离管输技术，通讯联系人，lihanyong@bipt.edu.cn。

中图分类号：TE642

文献标志码：A