中國天然氣分類及互換性標準探討

周 理，郭開華，龔 騰 ，許文曉 ，皇甫立霞

1.中山大學工學院 （廣東 廣州 510006）

2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 （四川 成都 610213）

1 我國天然氣分類的現狀

我國在天然氣產品技術要求和分類方面的標準主要有2個：GB 17820-2012《天然氣》和GB/T 13611-2006《城鎮燃氣分類和基本特性》。此外還有與之相關聯的天然氣組成測試和物性計算標準：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 17820-2012《天然氣》規定了天然氣的技術要求、試驗方法和檢驗規則，適用于經過處理的通過管道輸送的商品天然氣，共限定5項氣質指標：高位發熱量、總硫、硫化氫、二氧化碳含量和水露點[1]。GB 17820-2012根據高位發熱量、硫含量和二氧化碳含量將我國商品天然氣分為三類，同時要求民用天然氣應符合一類和二類的技術指標，三類可作為工業燃料。1999版的標準規定了高位發熱量下限值為31.4MJ/m3，低于GB/T 13611-2006的12T天然氣脫火限（EN437-1994《試驗氣、試驗壓力和器具分類》G23試驗氣的發熱量）[2-3]。主要是考慮了當時我國天然氣生產狀況制定的。考慮到天然氣是礦產資源的特殊屬性，在滿足國家有關安全衛生等標準的前提下，對于3個類別之外的天然氣，供需雙方可用合同或協議來確定其具體要求。

根據處理后我國天然氣氣質現狀，2012年最新修定的標準中將一類氣的指標全面提升，高位發熱量下限值從31.4MJ/m3上調至36.0MJ/m3、總硫含量從100mg/m3下調至60mg/m3、二氧化碳含量從3%下調至2%，見表1。

表1 GB 17820-2012天然氣技術指標

當然，新版標準與發達國家的氣質標準還有一些差距，特別是與EASEE-gas提出的天然氣氣質指標來看 （表2），GB 17820-2012缺乏對硫醇、烴露點、粉塵、氧、沃泊指數和臭味強度的定量控制要求。這也與我國天然氣氣質本身的狀況以及我國天然氣產業發展的現狀密切相關，從標準的層面也不可能短時間與國際發達國家接軌。但總體上都遵循了ISO 13686的原則，即對與經濟利益密切相關的各類參數、與安全環境衛生密切相關的參數、涉及管道安全運行的參數必須加以嚴格的控制。

表2 EASEE-gas提出的天然氣氣質指標及其范圍

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》)，給出了適用于不同燃氣種類燃具的基準和各種極限條件下測試的試驗氣（15℃，101.325kPa，干），與 EN437 的規定相一致[2-3]。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互換性標準。該標準按照燃氣類別及燃燒特性指標（沃泊指數W和燃燒勢CP）分類，并應控制其波動范圍，其中天然氣作為燃氣分成了 5 類：3T、4T、6T、10T、12T，具體分類情況見表3。

表3 GB/T 13611-2006城鎮燃氣分類 (15℃，101.325kPa，干)

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，將其沃泊指數的上下限作為天然氣互換性的范圍，這種簡單化做法可能導致問題，是不妥當的[4]。因此從真正意義上來講，我國缺乏天然氣互換性標準。

2 國際相關天然氣分類及互換性標準及研究動態

國際上這方面研究具代表性的是美國、英國和歐洲。美國天然氣的應用歷史很長,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》，作為2～3年過渡期內暫行天然氣標準指導原則。白皮書對美國近幾年天然氣行業對氣質規格及互換性要求起到了很好指導作用，但還需要進一步論證，特別是對各類燃具天然氣組分波動適應性充分數據的掌握。白皮書發表后，美國的權威燃氣研究機構（如GTI、BRNL、NETL、ENVIRON）、燃燒設備協會 （如AHRI）、動力設備和發動機公司（如 SDGE、Siemens）和天然氣及 LNG 公司 （如 SoCal、WGL、NWP、BP、ChevronTexaco）又持續地進行了大量測試和評估。

英國著名燃氣研究機構Advantica公司對英國的燃氣及燃具做了大量的試驗和測定 （主要依據歐洲燃具測試標準和達頓圖），并對燃氣輪機和內燃發動機的燃氣質量波動的適應性進行了評估，對英國燃氣安全管理規范（GS(M)R）根據國內天然氣管輸系統制定標準提供依據，在英國乃至歐洲標準的制定中起到了非常重要的作用。

美國和英國的研究和實踐經驗表明，沃泊指數仍然是表征互換性的最佳判據。CO排放是限制高沃泊指數的主要因素，美國和英國標準都是據此提出對沃泊指數的上限要求。同時指出對高沃泊指數燃氣中摻混2%～4%的氮氣可有效地降低和控制燃燒的CO排放量。對于一般燃具（家用和商用燃具、大部分工業燃燒器、老式燃氣輪機和內燃機）對燃氣規格 （天然氣組分）波動不敏感 （允許沃泊指數波動±10%）。低排放燃燒設備（如DLN燃氣輪機和高效精控工業燃燒器）廠商技術指標對沃泊指數或修正沃泊指數有較嚴格的要求，但從技術角度看DLN燃氣輪機和各種低NOx燃燒器都應能實現對沃泊指數波動具有較大適應性（如±5%）。

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CBP2005-001/01《氣體質量公共商務準則》。

值得一提的是美國白皮書和歐洲質量標準都是過渡性的，試行期2～3年，并非嚴格意義上的標準，然而迄今都在指導實踐。2008年EASEE-gas經微小修訂，繼續認可實施《氣體質量公共商務準則》。美國白皮書迄今也沒有得到任何實質性的修訂，仍是美國天然氣管網和LNG接收站運營以及相互間交易的基本依據。

實際上正常運營的管網氣質波動范圍都遠遠小于控制域的范圍，地方燃氣用戶希望能維持原有的低波動性，往往堅持嚴格的互換性指數要求，而國際天然氣和LNG供應商則希望能對大多數產品兼容，指出歷史上許多管網都經歷較大波動而并未造成應用問題，這樣構成了博弈的雙方。雖然美國的互換性標準已經極大程度的考慮了美國各個行業的利益，但還是遭到各方質疑，博弈仍在進行之中。

3 中國天然氣應用分類及互換性標準建立原則

我國天然氣產業發展迅速，市場巨大，氣源范圍廣，類似歐洲，應借鑒國際的研究經驗，建立適應我國的天然氣應用分類及互換性標準。建立的基本原則應充分考慮當前和未來天然氣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，保證商品天然氣應用安全[5]。

中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院牽頭承擔的國家質量監督檢驗總局2012～2013年度標準科研項目“天然氣互換性技術和標準研究”。通過現場取樣、實驗室分析測試以及發函調研等形式對我國的天然氣氣質現狀進行大量的計算統計，基本掌握了我國天然氣氣質的現狀。

國內天然氣供應已經形成多氣源、多種類供應的環境（圖1、圖2）。從氣源方面看，既有我國塔里木盆地，準噶爾盆地，柴達木盆地，四川盆地，鄂爾多斯盆地，東海盆地以及松遼盆地等地區的國產氣田氣（陸上油氣田和海上油氣田），也有來自中亞（土庫曼斯坦）的進口天然氣，還有從世界各國進口的液化天然氣，同時俄羅斯、緬甸等國天然氣也將成為我國天然氣供應的來源。從天然氣種類看，我國已經形成國產常規氣田氣、非常規的煤層氣、煤制氣、頁巖氣以及進口天然氣和液化天然氣的多種類天然氣混輸的環境。

圖1 我國天然氣主要氣區分布

圖2 我國主要天然氣氣田分布

從氣源互換盒子圖可看出，國內整體天然氣相對穩定,主要差異是由海上天然氣引起,常規天然氣、進口管道天然氣、進口LNG、國產LNG以及非常規天然氣基本穩定在國際互換盒子,對比巴西、印度、西班牙、英國、歐洲以及NGC+，我國天然氣沃泊指數以及高位發熱量基本落在歐洲互換盒子里(圖3)。

圖3 我國天然氣氣源互換盒子分布

從進入我國長輸管線互換盒子圖來看，雖然我國天然氣長輸管道眾多，但整體進入管網混輸后的氣質還是比較穩定，變化幅度不大（圖4）。

造成氣源互換盒子與長輸管線互換盒子差異的原因主要有3點：首先我國長輸管線的主力氣源氣質本身比較穩定（“西一線”、“西二線”尤為穩定），氣質變化較大的川渝環線沃泊指數為47.36～51.01MJ/m3，高位發熱量為 36.2～39.9MJ/m3，WI波動范圍也只有3%左右，遠低于國際普遍規定的10%；其次氣源中HHV、WI較高的進口LNG主要用于調峰，并非長輸管線的主力氣源，HHV、WI較低的國產LNG量少、且基本不進入長輸管線，銷售方式比較靈活分散。最后互換盒子中差異最大的為海上氣，但這部分氣基本都是就近進入當地的城市管網，所以對我國的長輸管網沒有影響。

圖4 我國長輸管線互換盒子分布

4 探討

中國天然氣分類及互換性研究到底是依據不同類型的燃氣具對氣質的適應性來規定我國天然氣的氣質規格和分類，還是根據我國天然氣氣質的實際狀況以及未來的發展趨勢來分類從而指導燃氣具生產商對于燃氣具氣質適應性的調整呢？

假設按照第一種情況分類，筆者認為可以將我國的天然氣分為5大類：①一般民用天然氣；②工業用天然氣；③特殊用天然氣；④天然氣發電用天然氣；⑤內燃機用天然氣。

一般民用天然氣主要包括家用灶具、熱水器，這些燃氣具對天然氣氣質適應性強，中國石油天然氣研究院委托國家燃氣具質量監督檢驗中心對家用燃氣具進行了互換性的測試，根據國家標準GB/T 13611規定，及嚴格的燃氣互換性測試實驗驗證，確定一般民用用戶的氣質互換性技術條件為：沃泊指數允許波動范圍不大于10%。工業用天然氣主要包括工業用大鍋爐、大灶具等用天然氣,雖然對氣質要求不高，但也應給出一定的互換性區域，第三類為特殊用戶，如玻璃、陶瓷等精細化工用天然氣，對天然氣氣質要求高、氣質波動敏感性強，互換性要求最高；天然氣發電用大型燃氣輪機也屬于對天然氣氣質高敏感度的燃氣具，但由于不同廠家設計不同，對氣質的要求也不一樣，見表4。內燃機用天然氣主要包括：天然氣汽車、天然氣用增壓機，這類設備對天然氣氣質的要求主要是出于安全的考慮，一般天然氣汽車要求甲烷含量大于80%，而我國的天然氣增壓機大部分要求甲烷含量大于93%。

然而中國天然氣的供氣格局已經從最早的單一國內氣田氣區域供應轉變成目前的多氣源聯網整體調度供應，同時從長輸管道供應的天然氣在進入城市管網時還可能會與城市自主開發的各類天然氣及天然氣代用品進行混輸，最終輸送到城市終端的天然氣氣質波動情況較上游輸送時要大。如圖5、6所示，西一線終端出現了波動較大的情況，沃泊指數最大波動為9.2%，高位發熱量最大波動為12.7%。這樣大幅度的氣質波動不能滿足部分終端用戶，比如：天然氣發電用燃氣輪機、精細化工用燃燒器等對天然氣氣質的適應性。

表4 燃氣輪機組對氣質的要求

圖5 西一線終端某公司（上海）沃泊指數波動圖

圖6 西一線終端某公司（上海）高位發熱量波動圖

假設根據我國天然氣目前的氣質現狀來分類，筆者設想是否可以參考國際燃氣聯盟(IGU）的分類方法,將天然氣按照沃伯指數的不同來分類，見表5。

表5 國際煤聯（IGU）燃氣分類表

按照該方法，我國天然氣應該分為幾類，各自沃伯指數的范圍是多少？從圖7～圖10沃泊指數與高位發熱量以及相對密度構成的互換性區域可以看出，國內整體天然氣相對穩定，主要差異是由于海上天然氣引起，常規天然氣、進口管道天然氣、進口LNG、國產LNG以及非常規天然氣基本穩定在國際互換盒子，對比巴西、印度、西班牙、英國、歐洲以及NGC+，我國天然氣沃泊指數基本落在歐洲互換盒子里。從密度修正碳氫比-沃泊指數圖可以更加直觀的看出，我國天然氣氣源氣質整體數據呈現出上下兩大部分的差異，可以把國內整體天然氣分為兩大類：一類是沃泊指數為46.5～51.5MJ/Nm3，密度修正碳氫比為0.324～0.337，另一部類是沃泊指數48.2～50.9MJ/Nm3，密度修正碳氫比為0.295～0.309。同樣，也可以由燃燒勢與沃泊指數構成的區域將我國的天然氣分為兩大類：一類是沃泊指數為46.5～51.5MJ/Nm3，燃燒勢為 38.4～41.9，另一類是沃泊指數 48.2～50.9MJ/Nm3，燃燒勢為 36.1～37.5。

圖7 國內天然氣管網密度修正碳氫比-沃泊指數

圖8 國內不同氣源天然氣密度修正碳氫比-沃泊指數

圖9 國內天然氣管網密度修正碳氫比-沃泊指數

圖10 國內天然氣管網沃泊指數-燃燒勢

5 結論

1）按照不同燃氣設備對氣質的適應性不同對天然氣進行分類，雖然針對性很強，但很明顯，作為天然氣長輸管道的供氣方很難根據不同燃氣具的用戶要求針對性的供氣，可操作性不高，然而不排除未來天然氣供應方式多樣化、小型化后，可以避開天然氣管道直接供氣，而是通過壓縮天然氣儲罐、液化天然氣儲罐進行針對性的供氣，從而滿足對不同燃氣設備的要求。

2）按照國際燃氣聯盟(IGU）的分類方法對我國天然氣分類，結合我國天然氣氣質的實際情況看，可以將我國天然氣分為兩類，但分類的技術參數除了沃伯指數外還需增加一個參數（燃燒勢或密度修正碳氫比）才能完成分類和限定。

3）如果只考慮沃伯指數，我國天然氣現有氣源的沃伯指數整體的變化范圍是42.8～53.6MJ/m3，目前天然氣長輸管線內天然氣沃伯指數的現狀為46.5～51.5MJ/m3?？傮w來看，我國上游天然氣的氣質波動不大（除部分海上氣和石油伴生氣），而且品質較高。

[1]GB 17820-2012天然氣[S].

[2]GB/T 13611-2006城市燃氣分類和基本特性[S].

[3]BS EN 437-2003+A1-2009 Test Gases—Test Pressure—Appliance Categories[S].

[4]李猷嘉,正確處理天然氣質量中的燃氣互換性問題[J].城市燃氣,2008(3):6-10.

[5]郭開華,王冠培,皇甫立霞.中國天然氣氣質規格及互換性標準問題[J].天然氣工業,2011,31(3):97-101.