中國天然氣氣質規格及互換性標準問題

郭開華 王冠培 皇甫立霞 李寧

1.中山大學工學院 2.中山大學—BP液化天然氣中心

中國天然氣氣質規格及互換性標準問題

郭開華1,2王冠培1皇甫立霞1,2李寧2

1.中山大學工學院 2.中山大學—BP液化天然氣中心

隨著天然氣產業和市場的管網化及互聯互通,多氣源接入混輸和跨區域管網運營成為未來發展的必然趨勢,天然氣質量規格及互換性標準的設立是必須面對和解決的重大問題。為此,評述了國際上尤其是歐、美在天然氣氣質規格及互換性標準問題方面的研究進展和成果,分析比較了中國與美國、英國、西班牙、印度及歐洲等國家和地區的天然氣(包括LNG)燃燒特性和氣質標準,并將其表示在互換性盒子圖上,結果表明中國多氣源狀況的復雜性和寬泛性與歐洲類似。根據對當前國內相關氣質標準及采用狀況的研究,指出了國內氣質規格及互換性標準存在的缺陷和不完善性。提出了建立中國天然氣氣質規格及互換性標準應注意的控制范圍、管網波動性限制要求、燃具準入要求及適應域,為制定科學、合理的相關規范和標準提供基礎和指導性原則,可為天然氣商品和諧交易、大型燃氣動力設備引進的技術要求、燃具制造商產品要求等提供參考依據。

天然氣 氣質 規格 互換性 標準

1 中國天然氣市場氣源狀況

隨著天然氣產業和市場的日趨管網化和互聯互通,多種氣源接入混輸的跨區域大型管網成為發展的必然趨勢。目前,中國天然氣氣源是多方位、多類別的,基本情況見表1[1]。國內現階段主要管道天然氣和LNG的氣質規格和燃燒特性參數具有較大差異,熱值(HHV)和華白指數(W I,Wobbe Index,熱負荷指數)的變化范圍分別為36.3～43.3 MJ/m3和45.9～53.5 MJ/m3。同時,隨著中國LNG產業的不斷發展,更多進口和國際現貨貿易LNG將進入天然氣供應管網,使得氣質規格種類更加繁多。表2給出了當前國際市場上主要LNG供應國的氣質規格和特性參數[2]。因此各種燃具、燃燒器和燃氣動力設備對氣質波動的適應能力可能存在諸多問題。天然氣(NG)和LNG質量規格及互換性標準的設立是必須面對和亟待解決的問題[1,3]。

2 互聯管網氣質規格及互換性問題

縱觀國際天然氣能源產業的發展,發達國家和較大發展中國家與區域,如美國、歐洲地區、東南亞地區、印度、巴西、中國等無一不面臨多氣源聯網和高效安全運行管理的共同問題,特別是近年來LNG呈規模地快速發展,使得國際各種規格的天然氣貿易凸顯出氣質規格及互換性要求的重要,許多國家或地區都在研究制定相應的標準和導則,“有限定地”促進天然氣(含氣化LNG)跨網、跨區域、以至跨國的交易。自2003年開始,國際燃氣聯盟(IGU)天然氣工作組(C)成立了LNG氣質規格及互換性技術委員會(D1),專門關注該問題,并每3 a提供3年度工作報告,對NG和LNG的質量和規格(主要成分、雜質含量、純度和燃燒特性等)、測定分析方法、氣質變化對各類用戶(民用、商用、工業、發電、燃機等)的影響、氣質調整方法等進行評估,并對各國和地區性標準制定狀況進行概括[2]。

表1 中國當前主要天然氣和進口LNG組成與燃燒特性參數一覽表

表2 主要出口國LNG典型燃氣組成[3]與燃燒特性參數一覽表

NG和氣化LNG氣質規格及互換性標準問題的解決和指導性規則的建立是要尋求NG及LNG供應商與用戶及管網公司之間在效率和安全性方面取得平衡,既要有確保可靠性和安全性的必要限制,也要有應用的科學性和柔度。在保證用戶利益不受損害的同時,讓供應商有合理的依據可尋,能夠對整個供應鏈進行效率和商務操作的優化。近年來國際上各國和地區在這方面的實踐充分體現了這一點[4-5]。

3 國內相關標準狀況

國內在天然氣氣質規格和互換性方面相關的標準主要有 GB 17820—1999《天然氣》、GB/T 13611—2006《城鎮燃氣分類和基本特性》,以及與LNG相關的標準 GB/T 19204—2003《液化天然氣的一般特性》、GB/T 11062—1998《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》、GB/T 13610—2003《天然氣的組成分析氣相色譜法》。GB 17820主要參考了ISO 13686:1998《天然氣質量指標》,并根據含硫量的大小將我國商品天然氣分為3類,同時要求民用天然氣只適用一類和二類,三類可作為工業燃料。GB/T 19204—2003等同采用 EN 1160:1997《液化天然氣裝置和設備液化天然氣的一般特性》,在氣質規格方面只對甲烷最低含量(75%)和氮氣最高含量(5%)進行了限定。

GB/T 13611—2006《城鎮燃氣分類和基本特性》的燃氣分類是借用了歐洲對燃具適用類別的分類標準EN 437:1994《試驗氣、試驗壓力和器具分類》和EN 30-1-1:1999《家用燃氣灶具》。然而 EN 437只是針對燃具分類測試而言,并非真正意義上的燃氣分類和質量規格標準。GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》在對燃氣質量和互換規定要求時,采用 GB/T 13611作為燃氣發熱量及熱值波動范圍的基準和采用 GB 17820作為城鎮用天然氣質量的要求,同時規定了天然氣交接處的烴露點限定要求。

對于常規天然氣(除大量摻混空氣和氮氣的天然氣外),包括絕大部分氣化LNG,均可歸類于12T天然氣。對于用12T的基準氣(純甲烷)作為天然氣互換性的基準,將其華白指數的上、下限作為天然氣互換性的范圍,這種簡單化做法是不妥當的[6],可能導致不能互換等問題。因此從嚴格意義上來講,中國缺乏天然氣氣質規格及互換性標準或指導性規定,急需借鑒國際上的最新研究成果來開展相應的工作。

4 國際相關標準研究及成果借鑒

不同規格燃氣互換性研究的常規方法是對互換性條件進行判定。早期有美國的A.G.A指數判定法和韋弗指數法,國內常采用這兩種方法對燃氣間的互換性進行判定。但需注意,雖然指數法的計算公式是確定的,但限定值并不唯一,需要由當地、當時實際燃具的實測數據來合理設定。此外還有一些常用圖解方法,具代表性的有法國德爾布圖解法和英國達頓圖解法。這些方法都是以當時大量的已有燃具測試實驗數據為基礎,進行理論分析和數據歸納而得出的,具有一定的普適性。

國際上這方面研究具代表性的是美國和歐洲地區。美國利用天然氣的歷史很長,關于互換性的研究也很深入。美國的互換性標準問題主要是指管道氣和LNG的互換性,由于美國天然氣市場各行業之間自由競爭激烈且勢均力敵,若有利益沖突,則很難調和。由此美國聯邦能源管理委員會(FERC)倡議,由美國國家天然氣委員會(NGC)牽頭,聯合LNG、天然氣管道、城市燃氣、發電、化工、燃氣設備生產、天然氣處理等行業的近百家企業以及部分政府和科研機構組成工作組(簡稱NGC+),開展了燃氣可互換性的研究,評估范圍包括美國26個城市、16個天然氣管輸公司、7 000多個氣樣,于2005年2月發布了《天然氣可互換性及非燃燒應用白皮書》[7]。

歐洲地區天然氣管網之間氣質規格有較大差異,歐洲燃具分類測試標準EN437為進一步研究制定燃氣規格及互換性標準提供了基礎。歐洲天然氣行業發展要求跨境聯網,歐洲燃氣工業技術協會(M ARCOGAZ)于2003年2月發表了關于《歐洲燃氣質量規定的第一個立場文告》。歐洲合理能源交易協會(EASEE-gas),以協調各方利益,促進天然氣貿易和交接的和諧化為出發點,基于已有的天然氣管網和進口LNG情況,于2005年提出能夠為歐洲各國接受的較寬泛的《和諧天然氣質量通用商業標準》(CBP 2005—001/01)[8-9]。

5 標準制定的建議與要求

中國天然氣產業發展迅速,市場巨大,氣源范圍廣,類似歐洲。應借鑒國外相關經驗,建立適應中國的氣質規格及互換性標準體系。應充分考慮當前和未來市場發展的需求和產業預期,以及氣質波動的范圍和速度對終端用戶燃具可能產生的影響,確定天然氣質量規格及互換性要求,保證商品天然氣的應用安全。

由華白指數、發熱量和相對密度的控制范圍構成了互換性盒子,圖1將中國目前和將來管輸天然氣和氣化LNG的燃燒特性參數表示在互換性盒子上,比較了典型地區和國家的互換性標準控制域。歐洲一些國家根據本國的特殊情況制定各自的標準,如西班牙標準比較寬泛,華白指數范圍大于歐洲和諧標準;而英國較嚴,其華白指數限定要比歐洲和諧標準嚴格得多。

圖1 中國各種氣源的氣質規格在互換性盒子上的表示圖

對華白指數限定范圍的控制是天然氣利用的安全性、環境排放和效率的保證。燃氣的碳氫比數決定了不完全燃燒指數的大小或燃燒的CO排放量。圖2給出了相對密度修正的碳氫比和華白指數的關系。由此可見控制華白指數范圍與控制碳氫比的變化一樣,具有限定不完全燃燒指數或黃焰指數的同樣功效。圖2中GS(M)R是英國燃氣安全管理規范“Gas Safety (Management)Regulations”的縮寫。

圖2 NG及LNG密度修正碳氫比與華白指數的關系圖

同樣,限定相對密度的范圍與限定甲烷的最低含量具有同樣的功效。甲烷值和辛烷值有非常確定的關系,是抗爆燃的重要參數。圖3、4分別給出了甲烷含量與華白指數和相對密度的關系。

由上述分析可知,對國內各個管網天然氣(特別在交接點處)華白指數的波動范圍給出合理的指導性要求(對一些局部的特殊情況要留有余地)是十分必要的。控制華白指數的波動應包含對波動范圍和波動速度或頻率的要求。

圖3 NG及LNG甲烷含量與華白指數的關系圖

圖4 NG及LNG甲烷含量與相對密度的關系圖

制定合理的氣質規格及互換性標準或指導性原則對規范天然氣產業的健康發展,促進天然氣商品和諧交易(包括對國外進口NG和LNG質量規格協議要求)十分重要,也是中國大型動力設備引進時對制造商提出合理技術指標要求的參考依據。例如燃具進入時,用互換域邊界進行檢驗,適應燃氣互換域的燃具才允許進入市場;引進燃氣輪機組時,可以對不同廠家的機組提出相同華白指數最大波動范圍要求。目前,美國GE公司的機組能接受的修正華白指數MW I波動范圍為±5%,日本三菱規定MW I波動范圍為±2%。

在研究制定標準的同時,應注意考慮具體實施的有效性問題,根據多氣源天然氣混輸管網的運行控制策略和指標要求,建立互聯型混輸運行和調度(含一般和應急情況)時管網參數波動的準確預測平臺。

[1]李猷嘉.論液化天然氣與管道天然氣的互換性[J].城市燃氣,2009(6):3-14.

[2]JOSTEN M,HULL S.Program Committee D1 2006—2009 Triennium Work Repo rt:LNG Quality and Interchangeability[C].24thWo rld Gas Conference(PGC D), Buenos Aires,A rgentina,2009.Oslo,Norway:International Gas Union(IGU),2009.

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[9]EASEE-gas.Common Business Practice(CBP)2005—001/ 02 Harmonization of Natural Gas Quality[S].Paris:EASEE-gas,2008.

Gas quality specif ication and interchangeability standards in China

Guo Kaihua1,2,Wang Guanpei1,Huangpu Lixia1,2,Li Ning2
(1.Engineering School of Sun Yat-Sen University,Guangzhou,Guangdong 510275,China;2.SYSU-B P LNG Center,Guangzhou,Guangdong 510006,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 3,pp.97-101,3/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Since the gas pipeline network is being comp leted w ith a better performance in interconnection and intercommunication between the upstream and the dow nstream in natural gas industry,either themixed transportation with multip le gas sources or transregional pipeline operation w ill be the inevitable trend in the near future.In such a case,the establishment of gas quality specifications and interchangeability standardsw ill be themost important p roblem needed to be solved in the first p lace.In view of this,this paper first comments the research p rogress and achievementsof this subjectmade by the European countries and the U.S.,then contrasts the combustion characteristics of natural gases(including the LNG)between China and the USA,British,Spain,India,and European countries,w hich are show n by an interchangeability box diagram,demonstrating that both complexity and extensivenessof multip le gas sources in China are quite similar to those in Europe.According to the gas quality specifications and their service condition at p resent in China,we point out the defects and imperfection existed in current gas quality specifications and interchangeability standards,and suggest that the establishment of better specifications and standards in China should take into account the follow ing factors:the span of control,the restriction requirement of fluctuation in pipeline netwo rks,the demand and adap table area of the admittance of gas appliance.Our positive p roposals w ill p rovide not only foundation and guidance p rincip les for the decision makers to establish reasonable and scientific specifications and standards,but the reference for the technical demand of natural gas trade,the introduction of large-scale gas-powered equipments,and the p roduct requirement of the gas appliancemanufacturing.

natural gas,gas quality,specification,interchangeability,standard

廣東省普通高校液化天然氣與低溫技術重點實驗室資助項目(編號:39000-3211101)、中山大學—BP液化天然氣中心資助項目(編號:99103-9390001)。

郭開華,1956年生,教授,博士生導師;擔任中山大學—BP液化天然氣中心主任;主要從事能源及液化天然氣技術方面的研究工作。地址:(510006)廣東省廣州市大學城中山大學工學院C棟203房。電話:13668961195。E-mail:guokaih@mail.sysu.edu.cn

郭開華等.中國天然氣氣質規格及互換性標準問題.天然氣工業,2011,31(3):97-101.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.025

2010-11-22 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.025

Guo Kaihua,p rofessor,born in 1956,ismainly engaged in research of energy resources and LNG techniques.

Add:Room 203,Building C,Sun Yat-Sen University,Guangzhou Higher Education Mega Center,Guangzhou,Guangdong 510006, P.R.China

Mobile:+86-13668961195 E-mail:guokaih@mail.sysu.edu.cn