建立中國LNG質量統一指標的分析與探討

楊玉霞，付子航，王成碩，王沛

1.中海石油氣電集團有限責任公司 技術研發中心（北京100028）

2.中海石油氣電集團有限責任公司 科技部（北京100028）

0 引言

LNG作為商品天然氣的一種特殊形式，以清潔環保、安全高效、運輸靈活等優勢，在天然氣全球貿易中所占的比重持續增長。根據國際天然氣聯盟（IGU）發布的2020年年度LNG報告，2019年LNG國際貿易增長了13%，達到了3.547億t[1]。中國作為能源消耗大國，LNG貿易量近年來一直呈逐年上升態勢，自2006年國內第一個LNG接收站中海油廣東大鵬LNG投產以來，福建LNG、上海LNG、江蘇LNG、海南LNG、寧波LNG、珠海LNG、大連LNG等一座座LNG接收站陸續建成投產。

國際范圍內不同產地的LNG質量指標各有差異，且國際LNG標準體系中尚未有統一LNG產品質量指標的標準；同時國產LNG也缺乏具體質量檢驗的指標種類和指標要求，因此有必要對比研究LNG產品的適用范圍與國內外相關標準，統計分析中海油LNG接收站近幾年進口LNG的實際氣質指標、國內以海氣（指我國近海油氣田開采的天然氣）和管道氣（指我國陸上油氣田開采的天然氣）等常規天然氣和以頁巖氣、煤層氣、煤制天然氣及生物質天然氣等非常規天然氣為原料氣的液化廠的LNG出廠控制指標，并結合國內LNG運輸公司、各類LNG產品終端用戶對LNG產品質量的需求及要求的調研數據，分析LNG產品中的甲烷、C4+烷烴、二氧化碳、氮氣、氧氣、總硫、硫化氫、高位體積發熱量等指標。建立中國統一的LNG產品質量標準，不僅可以滿足我國日益增長且更加多元化的LNG進口需求、為國內不同類型氣源生產商品LNG提供了基礎性的質量依據，還為國外LNG行業提供參考，為進口國際LNG貿易和交接提供依據，對LNG行業健康快速發展有著重要意義。

1 國內外相關標準對LNG質量指標的要求

目前國際LNG標準體系中尚未有針對LNG產品質量指標進行劃分或規定的標準。GB/T 19204—2003《液化天然氣的一般特性》等同采用CENB SE N1160：1997"Installations and equipment for liquefied natural gas—General characteristics of liquefied natural gas"。GB/T 19204—2003只是給出液化天然氣（LNG）的一般特性和LNG工業所用低溫材料方面以及健康和安全方面的指導[2]，未對LNG質量指標和要求作出具體規定。

我國在LNG產品質量指標要求方面的標準只有SN/T 2491—2010《進出口液化天然氣質量評價標準》[3]，另外直接相關聯的還有SY/T 6933.1—2013《天然氣液化工廠設計建造和運行規范第1部分：設計建造》[4]。SN/T 2491—2010規定了進出口液化天然氣的技術要求、檢驗規則和質量評價方法[3]，根據主要烴類、二氧化碳、氧、氮、總硫、硫化氫、高熱值及相對密度等10項指標，提出一級、二級LNG質量指標，適用于進出口液化天然氣的質量評價，但從指標設置的重合關系和實踐適用性上，有待討論。SY/T 6933.1—2013規范了天然氣液化工廠的工藝及其他主要系統在設計建造方面的技術要求[4]，其中規定了原料氣包含水、二氧化碳、硫化氫、總硫、汞、芳香烴、C5+在內的7類凈化指標，可作為對LNG產品質量指標的基礎性依據。對于非常規天然氣，如頁巖氣、煤層氣、煤制天然氣及生物質天然氣，其氣源特點有所不同，但共同的特點是貧氣特征明顯，尤其煤制天然氣存在一定的氫氣含量，但這些種類的氣源進一步加工制取LNG，均應符合SY/T 6933.1—2013的要求。

此外與之相關聯的標準還有GB 17820—2018《天然氣》[5]、GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》[6]、GB/Z 33440—2016《進入長輸管網天然氣互換性一般要求》[7]、GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》[8]、NB/T 12003—2016《煤制天然氣》[9]等，上述標準從一般商品天然氣氣質和進入輸氣管網的天然氣氣質要求方面，對LNG的質量指標提供了符合性的上限要求。

2 LNG樣本質量指標

2.1 國產LNG質量指標

經過調研，國內部分以常規天然氣為原料氣的LNG廠家的產品出廠指標，如中石油昆侖能源、中石化陜北、新奧能源等LNG產品的組分性質見表1。

2.2 進口LNG質量指標

目前中海油已投運9個LNG接收站，LNG氣源地主要為卡塔爾、澳大利亞、尼日利亞、也門、埃及、俄羅斯、阿曼、安哥拉、赤道幾內亞、馬來西亞、印度尼西亞、美國等國家。通過采集中海油近3年進口的400艘船貨（涉及20個國家，30個產地）的LNG產品在裝載港和卸載港的實測質量指標，并進行統計計算和分析，得出以下結論：

各氣源地LNG中甲烷的摩爾分數為86.82%～99.91%，高位體積發熱量為37.06～42.37 MJ/m3；LNG密度（-160℃）變化為420.74～469.03 kg/m3；沃泊指數變化為49.72～52.60 MJ/m3。本文中使用的計量和燃燒參比條件統一為101.325 kPa，20℃。

3 中國LNG質量統一指標分析與探討

3.1 中國LNG質量統一指標

根據中海油近3年在國際LNG貿易中LNG的第三方檢測指標項目、國際上通常權威發布的LNG質量指標項目、國外LNG接收站準入要求的LNG質量指標及相關專家討論意見，確定以甲烷、C4+烷烴、二氧化碳、氮氣、氧氣、總硫、硫化氫及高位體積發熱量作為8項質量控制指標，具體指標要求見表2。

表1 國內部分LNG液化廠出廠液化天然氣檢測指標

表2 液化天然氣質量要求

3.2 甲烷含量、高位體積發熱量

LNG的主要成分是甲烷，高碳烴及非烴類組分較少，相對密度較穩定，因此甲烷含量對高位發熱量和沃泊指數有直接影響。據統計，進口LNG和國產LNG中的甲烷摩爾分數基本在86%以上，高位體積發熱量基本在37～42.4 MJ/m3范圍內。參照SN/T 2491—2010《進出口液化天然氣質量評價標準》，建議甲烷摩爾分數的下限為75%。

根據中海油近3年進口的20個國家、30個產地LNG資源的在載港和卸載港的實際檢測數據、國際權威第三方檢測機構提供的國際所有LNG氣質數據，可以以甲烷含量為基本依據，劃分為3組：86.0%≤甲烷摩爾分數≤97.5%為常規組；甲烷摩爾分數＜86.0%的LNG，重烴含量較大，劃為富液組；甲烷摩爾分數＞97.5%的LNG，重烴含量極少，劃為貧液組。中海油已進口的20個國家、30個產地的LNG基本都可劃分入“常規組”。

對應常規組的高位體積發熱量范圍為≥38.0～42.4 MJ/m3；貧液組的高位體積發熱量范圍為37.0～38.0 MJ/m3；富液組則為＞42.4 MJ/m3。

雖然國際貿易以熱值作為計價依據，但國際貿易中對LNG品質的質量指標要求是一系列的，并非完整的質量依據。LNG區別于氣態天然氣的一個重要特征是特殊存儲和氣化問題，甲烷是影響氣化率的主要指標，因此在甲烷含量和高位體積發熱量兩個分類指標中，考慮以甲烷含量為主要分類指標。

C2、C3為增加熱值的組分，國際范圍內這兩種組分的變化幅度較大，理論上該范圍也可以更廣，其他國家的LNG接收站的進口LNG質量指標對其也不做規定。因此，建議不再對C2、C3的范圍進行界定。

LNG中的C4+烷烴主要包括正丁烷、異丁烷、正戊烷、新戊烷等烴類，其含量過高會引起熱值波動，進而導致互換性變差；且較高的C4+組分含量可能使相關設備內積液的可能性增大，給生產安全帶來隱患。

SY/T 6933.1—2013的“凈化氣最大允許雜質含量”要求C5+含量小于50×10-6，由此制取的LNG中的C5+含量亦受此指標控制。根據實際進口和國產LNG的完整批次檢測數據，C5+均為微量，因此建議不再單獨反映該指標的質量標準，而且國際上GIIGNL的權威公布數據也不單獨羅列C5+，而是以C4+合并。經統計，進口LNG和國內生產的LNG的C4+組分摩爾分數均小于2%。其他國家對進口LNG氣質的要求為C4+摩爾分數不大于2%，因此C4+摩爾分數建議限定為不大于2%。

3.4 二氧化碳

由于二氧化碳相變溫度較高，低溫時易變成固體析出從而堵塞管道、設備和閥門，容易造成生產安全事故，因此目前國內外液化工廠的天然氣凈化工藝控制二氧化碳含量上限為50 mg/L，國際其他國家對進口LNG氣質的要求為100 mg/L，因此二氧化碳摩爾分數限定為不大于0.01 %。

3.5 氮氣

氮氣含量影響LNG熱值，且氮氣含量過高易造成儲罐中LNG分層，提高翻滾事故的風險。根據GB/T 22724—2008《液化天然氣設備與安裝陸上裝置設計》[10]和GB/T 19204—2003《液化天然氣的一般特性》，LNG的氮含量（摩爾分數）在1%以下，可有效消除LNG分層，避免翻滾。

另外根據GIIGNL發布的《Roll over in LNG Storage Tanks》（2015）[11]關于儲罐內LNG分層（Stratification）和翻滾的結論之一是LNG中氮的摩爾分數應低于1%。SN/T 2491—2010《進出口液化天然氣質量評價標準》規定氮的摩爾分數不大于1.0%,其他國家對進口LNG氣質的要求為氮含量不大于5.0 mg/m3，建議LNG中氮的摩爾分數限定為不大于1.0%。

3.6 氧氣

LNG中氧氣的存在會造成LNG接收站及LNG液化工廠內設備管道的腐蝕以及蒸發氣的安全問題，一般LNG中含氧量非常低。根據實際進口LNG氣質統計數據和國際其他國家對進口LNG氣質的要求，氧氣摩爾分數基本在0.2%或100 mg/L，按照GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》規定氧氣摩爾分數不高于0.1%，因此，LNG中氧氣的摩爾分數建議限定為不大于0.1%。

3.7 硫化氫和總硫

天然氣中的硫成分會造成LNG處理設備的腐蝕、堵塞和損壞，對于LNG而言，由于在凈化和液化工藝階段已對硫化氫進行深度脫除，因此其硫化氫含量一般均小于常規分析方法的檢測精度，通常報告為未檢出或小于1 mg/m3。根據SY/T 6933.1—2013的“凈化氣最大允許雜質含量”的要求，較寬泛地限定硫化氫摩爾含量不大于3.5 mg/m3，總硫摩爾含量不大于5 mg/m3。因此硫化氫摩爾含量建議限定為不大于3.5 mg/m3。按照國標GB 17820—2018《天然氣》中的一類氣和GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》的標準，總硫含量不應大于20 mg/m3，因此總硫摩爾含量建議也采用不應大于20 mg/m3的指標。

4 結論

1）中國LNG質量統一指標的建立，滿足GB 17820—2018的“天然氣質量要求”、GB/T 37124—2018的“進入天然氣長輸管道氣體的質量要求”和GB/Z 33440—2016的“天然氣互換性一般要求”，尤其對硫化氫和總硫含量的指標要求與國內對天然氣潔凈性的趨嚴要求相一致。

2）通過參考SY/T 6933.1—2013的“凈化氣最大允許雜質含量”、GB/T 33445—2016的“煤制合成天然氣技術指標”及NB/T 12003—2016的“煤制天然氣產品技術要求和試驗方法”，保證具體指標與國產常規天然氣和非常規天然氣為原料氣制取LNG的質量指標協調性一致。

3）建立中國LNG質量統一指標，能夠充分體現LNG比一般天然氣高熱值、更清潔的基本特性，對于有益擴大LNG的進口利用、指導國內生產。

4）中國LNG質量統一指標的建立，一方面滿足我國日益增長且更加多元化的LNG進口要求，另一方面也可以滿足我國多氣源條件下的天然氣互換性要求。