美国早在20世纪30年代天然气发展的初期就开展了燃气互换性研究，发展了美国燃气协会(A.G.A)判定法和韦弗(Weaver)判定法，较好地满足了当时的需求。欧洲20世纪50年代开始发展天然气，随之也进行了互换性研究，相继发展了德尔布(Delbaurg)法(法国)，吉尔伯特-普里格(Gilbert-prigg)法(英国)，达顿(Dutton)法(英国)等判定方法，也较好地满足了当时的实用要求[1-2]。
中国从20世纪60年代起才对国外燃气互换性的研究有所关注。不过近几年来在此方面的著作和标准也日益增加。
在天然气气质规格和互换性方面相关的标准主要有GB 17820-2012《天然气》，规定了气质指标：高位发热量、总硫、硫化氢、二氧化碳含量[3]。此外，还有关于LNG的GB/T 19204-2003《液化天然气的一般特性》。借用欧洲对燃具适用类别的分类标准(EN 437:2003《试验气、试验压力和器具分类》[4]和EN 30-1-1:2008《家用燃气灶具》)得出了GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》的燃气分类[5]。
1926年，意大利工程师Wobbe提出了反映热值和相对密度两个因素的沃泊指数，并以它作为控制燃气质量的参数[6]。沃泊指数体现了燃气热负荷的特性，我们通常认为具有相同或相近的沃泊指数的燃气在燃具中有相同的热负荷[7]。沃泊指数(W)可以表示为式(1):
式中:H0为燃气的高位发热量, MJ/m3；d为燃气的相对密度[8]。
世界各国规定的沃泊指数允许波动范围各不相同, NGC+建议的沃泊指数范围为44.64~52.0 MJ/m3[9]，作为燃具输入热量的基础指数, 一般其变化范围在±5%左右[7]。
A.G.A法的3个燃烧指数如下：
(1) 离焰指数[6]：
式中:K为离焰极限常数，；下标“a”表示基准气，下标“s”表示代替气，下同；si为各燃气组分的相对密度；smix为混合气体的相对密度；ri为单一燃气组分在混合气体中的容积分数, %；f为一次空气因数，；H为燃气高热值，MJ/m3；a为释放3.993 kJ热量的燃气完全燃烧所消耗的理论空气量，m3。
(2) 回火指数：
式中：Qs为燃气高热值，MJ/m3。
(3) 黄焰指数：
A.G.A法的判断标准见表A.G.A指数法对于各种天然气的互换极限[10]。
韦弗(Weaver)提出了火焰传播速度指数S是由燃气各组分的火焰传播速度系数B和理论空气量V0所决定的。
韦弗法中的6个燃烧指数分别是空气需要量指数、黄焰指数、回火指数、不完全燃烧指数、热负荷指数、脱火指数，韦弗法的判断依据见文献[11]。
法国燃气公司经过大量试验，把校正华白数Wc和燃烧势CP作为判定的两个指数。
德尔布的判断标准见城市燃气的类别及特性指标[5]。
达顿法是一种根据燃气组分进行预测的方法。达顿法认为任何一种实际的燃气可看作由4种组分：甲烷、其他烃类、氢和惰性气体构成[11]，其他烃类可用当量丙烷和甲烷表示, 它的每个分子与所代表的燃气具有相同的理想体积和平均碳原子数，详情可见当量系数表[12]。
互换性逻辑框最早在美国使用，2005年美国《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》[13]中也应用了互换性逻辑框的概念，图中纵坐标用华白数，横坐标用补充的指标，如热值[14]。我们就使用这种逻辑框图来归纳适合我国的互换性判别方法。
本判别软件的目标是比较沃泊指数法、美国燃气协会(A.G.A)法、韦弗法、德尔布法、达顿法这5种方法在中国的适用情况，总结逻辑图法，即以燃气的高热值为横坐标，以华白数为纵坐标，把我国的燃气以点的形式输出到逻辑图中，最后归纳燃气点的聚集区域，选出一个区域作为我国燃气的互换性区域。
根据上述目标以及系统分析结果，对系统功能模块进行了具体设计，其结构框图如图 1所示。本软件的核心部分为沃泊指数法、美国燃气协会(A.G.A)法、韦弗法、德尔布法、达顿法和逻辑图法，其次是具体的燃气特性值和系数计算等模块。
数据导入包含了数据库建立、数据读入、数据计算等一系列工作。燃气的特性值包括摩尔质量值、压缩因子、高位体积发热量、求和因子、各离焰极限常数、燃烧所需理论空气量、各黄焰常数等都列入了数据库中，便于程序的读取和计算。
根据输入的燃气成分数据，分别计算燃气的属性值，如混合气体压缩因子、混合气体高热值等，根据计算结果进一步计算燃烧指数，如沃泊指数等，最后判断是否可以互换，如图 2所示。
本软件中的图形在界面上直接呈现，图形的目的一种是根据横坐标的值来求纵坐标的数值，如德尔布法中燃烧势的系数图。
另一种图形是判断代替气是否在互换范围内，如达顿法中的当量图和逻辑图法中的逻辑图，见图 3。其构架是由华白指数、发热量和相对密度的控制范围构成的互换性盒子[2]简化而来的。
系统根据不同的需求从数据库中读取数值；同时系统将输入的燃气成分值和计算结果写入Access数据库，互换性判断结果输出到Excel工作表。
根据之前的理论依据, 可以判断一种燃气是否可以成功互换另一种燃气。但这样的计算涉及的理论较多、计算较复杂，而且有的需要画图得出结论。为了使其达到实用化的程度，同时方便使用者，本软件有以下的特点：
(1) 理论的科学性。本软件的理论原理包括沃泊指数法、美国燃气协会(A.G.A)法、韦弗法、德尔布法、达顿法，其中包括公式和判断图形，这些都是天然气互换性研究学者多年的研究成果，具有理论说服性。
(2) 操作简便。本软件的界面采用Windows标准界面，使用过Windows操作系统的人员可以很快掌握本软件的使用方法，在使用时只要给出两种燃气的组分值便可以进行计算，组分的输入通过输入框来完成，点击按钮软件可自动给出判别结果。
(3) 图形判断法。本软件中的达顿法通过已给的互换性区域判断代替气是否在互换性区域内，最终判断代替气是否可以互换基准气。
(4) 归纳新的互换性方法。在逻辑图法中，输入成百上千个燃气的组分，然后这些燃气以点的形式储存到逻辑图中，并累加储存，而且不同类型的燃气用不同的颜色表示，最后归纳出我国燃气的落入点区域，得出适合我国天然气互换性区域，即新的天然气互换性方法。
(5) 容错性强。在软件的使用过程中, 输入的系统数值的正确性和计算参数的合理性直接影响到计算的成功与否。本软件能自动识别使用者输入数值的正确性和合理性, 如发现不合理数值则提醒使用者那个数值不合理并指出其原因，从而使使用者可以及时修改数值。
为了进一步判断天然气互换性判别软件的实用性，选取西南油气田公司蜀南气矿李市配气站与隆昌CNG站的天然气成分数据，以蜀南气矿李市配气站的天然气为基准气，隆昌CNG站的天然气为代替气，分别用沃泊指数法、美国燃气协会(A.G.A)法、韦弗法、德尔布法、达顿法5种方法来进行软件测试，均显示可以互换。
天然气互换性判别软件为基准气和代替气是否可互换问题的研究和判断提供了方便的途径, 由于本软件操作简单, 使原本复杂的理论及数值计算变得方便容易。本软件下一步的任务就是用逻辑图法对我国天然气气源(本国的管道气、LNG和进口LNG)进行判断，总结出我国的互换性区域图。
2013, Vol. 42 Issue (4): 365-368
2013, Vol. 42 Issue (4): 365-368