20世纪40年代以前, 许多国家就开始注意到燃气组成的变化对燃气的利用有很大的影响，提出了燃气的互换性(Interchangeability)和燃具的适应性(Flexiability)两个概念，其中燃气互换性定义为：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[1]。很多机构开展了燃气互换性方面的研究，根据各自气源情况和燃气应用中的突出问题，提出了一些判断燃气互换与否的方法和技术。
21世纪以来，天然气国际贸易量日趋扩大，各国与贸易有关的部门与投资者和燃气链中的应用部门各有自己的立场。前者希望扩大对天然气组分的限制要求，后者希望能遵循燃具的应用规律，两方面在不断地进行研究和磋商，期望能为本国或本地区得到一个合乎实际的、统一的结论。
欧洲地区燃气使用的历史悠久，21世纪以来，天然气的发展要求跨境联网，互通有无。由于国家众多且情况不同，各有自己的标准，差异也很大，亟需能为跨境服务的燃气互换的质量标准。欧盟的许多国家认为，解决互换性问题的主要方法是控制燃气的质量，使之适应于国内的燃具市场。结果就出现了不同的互换性方法，反映了不同型号、不同年代使用中各类燃具的要求。在英国，当地燃气的供应量下降，对来自英国大陆架(UKCS)的天然气供应的长期关注，使确保供应安全性的互换性方法得到了发展。英国由于本土很多的燃气质量和英国大陆架的气源有关，多年来一直在研究天然气的互换性。为适应这种燃气组分的变化，英国燃气界发展了一种半定量的衡量燃气适应性的方法。这一方法开始主要用于家用燃具，但对工业和商业用户也同样有指导作用。
美国天然气应用的历史最长，使用量最大，遇到的问题最多，关于互换性的研究最早，也最深入。近年来，由于液化天然气(LNG)的进口量日益增长，燃气组分在各生产国的变化较大，与国内所供天然气的组分可能不匹配，能否利用原有管网供气迫切需要有一个统一的意见。
美国燃气行业的协会组织、科研机构和企业已经在燃气可互换性方面开展了大量研究工作，但目前在各地区燃气气质特性、各种终端利用设备对气质组分变化的忍耐程度等方面，数据还很缺乏。为此，美国国家气体委员会(NGC+)建议设定一个过渡区间，以收集和分析更多的数据，进行更多的试验，使业界在制定气质可互换性标准方面达成共识。
俄罗斯是天然气的用气大国，也是主要的出口国，由于其气质长期十分稳定，不存在互换性问题。
日本较早开始进口LNG作为本国的气源，进口量占85%以上。日本的法律规定，天然气的高热值必须达到或超过规定，规定进口LNG的热值不允许低于41.2 MJ/m3，然后增热至45 MJ/m3。因此，应用丙、丁烷增热，最低的高热值为44 MJ/m3，平均为46 MJ/m3。近年来，由于液化石油气(LPG)价格猛涨，高热值已适当降低，但2007年仍达45 MJ/m3。自1992年以来，燃气轮机沃泊指数(W)的允许波动范围在5%以内，以达到高效、NOx低排放和燃烧稳定的要求，而实际的波动范围只有2 MJ/m3 [2-3]。
印度进口的LNG主要用于工业，炊事则主要用煤油，采暖主要用LPG或煤油。印度的地方配气公司只有3家，无适用于全国的天然气质量标准。进口LNG的研究主要侧重于价格而不是质量。政府对燃气的质量问题正在评估[2-3]。
1976年在英国伦敦召开的世界燃气大会(WGC)上, 国际燃气联盟(IGU)根据互换性概念进行了燃气分类。我国参考了IGU的研究成果，在我国城镇燃气分类标准的制定中，充分考虑了基准气和界限气的定义和分类。
我国的天然气供应，除国产天然气外，还从不同国家进口LNG，从中亚、俄罗斯、缅甸等进口管道气，天然气的最高和最低W相差约25%。国际上与中国类似情况的国家只有西班牙，W相差20%，且未与安全和环境标准相协调[2]。这样大的差别，必然会产生燃气的互换性问题。
由天然气气质组分差别较大引起大型燃气应用设备的损坏事件(如图 1所示)，造成了用户的巨大损失，故燃气质量标准和互换性问题的研究已迫在眉睫。
自20世纪70年代始，中国城市内有人工煤气、天然气和LPG等多种燃气气源并存。根据城市煤气互换性研究工作的需要，城市煤气设计规范管理组于1980年12月，对上海、沈阳两地常用的家用煤气灶进行了互换性测定，探讨灶具的适应性和煤气的互换性，找出城市煤气燃烧特性指标W和燃烧势(CP)的允许波动范围。1982年2月，家用煤气灶标准编写组完成了《国内典型家用煤气灶燃烧稳定性》测定报告，通过配气的方法，在0.5倍或1.5倍的煤气额定压力下，找出了灶具的黄焰、回火、脱火极限范围，即燃烧稳定性三角图，在此范围内确定各种城市煤气允许的W、CP波动范围，为制定城市煤气质量标准、城市燃气分类和灶具实验用气提供了依据。目前，与城镇燃气分类及特性有关的国家标准主要是GB 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》，GB 17820-2012《天然气》等。
燃气互换性方法，即互换性判定方法，是指判定两种或几种不同气质组分的燃气能否互换时采用的技术方法或手段。确定燃气的互换性，一要明确燃气的气质类型；二要选择确定等效互换的参数公式或技术方法。
世界各国在进行相应的燃气互换性研究，形成了多种多样的互换性判定指数和方法。
燃气互换性方法主要有指数法和图形法。指数法主要包括两种，即单一指数法和多元指数法。图形法是通过采用两个或多个指数来建立互换性域图，对基准气和置换气能否互换作出判断。下面主要介绍燃气互换性判断的各种指数。
单一指数法是基于燃气热值、比重等及其他一些容易计算和应用的物理特性得来的方法。多元指数法综合考虑了燃气燃烧器的一些基本燃烧现象和燃烧的“动力特性”，需要更详细的组分数据，包含更多的复杂运算。这两种方法都是根据互换性试验结果提出的经验参数。
最常用的单一指数参数是W，是一个与通过固定火孔的热负荷输入速率有关并结合了燃气热值和比重的参数。而燃气行业已经逐步认识到单用W并不足以模拟燃气互换性，因为如果一种新供燃气与过去供应的燃气不一样时，这一指数并不能足以反映和预测火焰特性和由此发生的燃烧现象。于是提出了多元指数方法来模拟应用于大气燃烧器上的火焰特性，在美国应用最广泛的多元指数方法为美国燃气协会(AGA)36号公告方法和韦弗指数法。单一指数和多元指数是相互补充的，W是燃气传递给某一燃气燃烧器的能量速率的量度，而多元指数方法则预测更为复杂的燃烧现象。
互换性方法的研究经过不断地完善和改进，逐渐形成了美国的AGA 36号公告方法、韦弗指数法和法国德尔布互换法、英国的互换性方法等。
在英国，吉尔伯特和波利格(Gilbert & Prigg)于1956~1957年，利用韦弗火焰速度指数(S)和W，用试验燃烧器对本国4种人工煤气作燃烧性能试验，确定了其互换范围；在德尔布二维互换图的基础上提出了英国的燃气互换判定图, 见图 2和图 3。
“达顿图形法”是燃气互换性的图形表示方法。由W和燃气中丙烷和氮气的含量作为坐标变量，丙烷和氮气的含量与燃气中甲烷外的烃和惰性组分相一致。达顿方法适用于天然气和其他含氢的燃气。该互换性方法充分考虑了火焰燃烧现象与火焰温度、燃烧速度及燃具性能有关联。认为燃气中含有的烃和惰性气体对火焰特性有影响，达顿试图开发一种简化的方法，于是提出了当量混合物的概念，燃气中烃的含量可以由标准烃(甲烷和丙烷)的含量代替，对惰性组分，则用标准惰性气体表示，即氮气。由于不同烷烃的层流燃烧速度是相似的，惰性气体的影响也是相似的，故该方法对互换性的判断是适用的。当量混合气方法必须保持“分子数”守恒，以确保与燃气体积有关的标准燃气规则能够有效。惰性气体组分通过影响W而产生当量数。为考虑氢气的影响，这一基本方法进行了外延。
1927年，AGA开始了一项长达6年的互换性研究，称为《燃气掺混调查研究》，依据研究成果提出了一个通用公式，称为“C”指数—燃气具性能的互换性指数，并于1936年在联邦贸易委员会的《公用事业》上发表，这一指数一般称为“AGA‘C’指数”。
1938年，AGA委员会选择代表美国国内应用的可用于燃气具测试的燃气进行了调查研究。研究结果见AGA测试实验室847号报告，虽然测试的燃气种类与数量比《掺混燃气调查研究》要少，但也给出了一些重要数据。
在1941年，诺埃最早关注包括了LPG的置换，出版了一个被广泛接受的互换性公式，即诺埃指数。
1946年，AGA.实验室出版了《36号公告研究报告》，对互换性研究进行了论述。由此可见，在20世纪早期，美国燃气行业协会已经做了大量的工作，用几十种燃气混合气对燃气具进行了上万次的测试实验来评估和模拟互换性。随着燃气供应的日益多样性以适应需求的变化，以及燃具燃烧器及其他终端利用燃烧装置日趋复杂以适应提高效率和排放问题的需要，这类测试工作必须继续进行。很显然，评价一种新供应(置换)燃气的互换性问题最可行方法是在实验室里对不同的燃烧装置利用某一参考(调节)气进行调节以测试其性能。对于天然气而言，这是一个“费时、耗财”的过程，因此对每一种需要进行燃气互换性评估的情况是不切实际的。替代大量实验室测试更合理可行的方法是利用那些容易测量的燃气特性进行预测性计算。
我国在1982年正式借鉴了法国德尔布燃气互换性方法，提出采用燃气W、CP(燃烧势)两个主要参数来分析和判断燃气的互换性。以后基于大气式燃烧器具的燃气互换性研究，采用燃气W、CP、黄焰、结炭等指标对燃气互换的燃烧性能进行界定。在过去相当长的一段时间里，相关的实验研究主要集中在典型燃气对人工煤气与天然气类燃具的气质适应性的影响。主要公式如下：
(1)W 计算公式见式(1)。
式中：W为沃泊指数，或称热负荷指数，MJ/m3；H为燃气高热值，MJ/m3；d为燃气相对密度(设空气的相对密度＝1)。
(2) CP计算公式如下：
式中：CP为燃烧势; H2、CO、CH4、CmHn分别为燃气中H2、CO、CH4、CmHn的体积分数，%；d为燃气相对密度；K为修正系数；O2为燃气中氧的体积分数，%。
随着燃气燃烧利用设备的多样化，更多的高效率、低碳排放的燃烧设备进入城市家庭和企业，形成了不同燃烧方式共存的城市燃气利用格局，扩散式燃烧器、大气式燃烧器、完全预混式燃烧器共同存在于同一个城市的燃气网络末端。不同种类燃气的转换有不尽相同的技术要求、工程标准和质量控制体系[4]。不同燃气如何平稳利用、燃具如何适配多气源转换，以及如何实现等效实验配气，仍是现实的技术问题[5]。
2012年，中国石油西南油气田公司天然气研究院承担了国家质量监督检验总局标准前期研究项目《天然气互换性技术和标准研究》，以建立既适合我国国情又与国际接轨的进入长输管线的天然气互换性准则国家标准，为实现我国燃气互换性提供指导和依据。主要内容包括：对我国涉及到入网混输的各类气源(包括国内气田气、煤层气、页岩气、煤制气)以及进口天然气和LNG气质及互换性相关参数的现状进行调查、分析研究；调查、分析研究我国各类燃气用具(居民用燃具、工业用燃具、汽车、燃气轮机等)对燃气气质与互换性相关要求；对比分析研究国际、国外相对成熟的天然气互换性判别方法相关标准和技术规范。项目的研究成果将为进入我国长输管线的各类天然气互换性判别提供有效的技术支撑。
近年来，我国在燃气互换性判别方法方面进行了很多有益的研究和探索，通过对城市燃气的互换性和燃具的适应性两个方面进行了实验和理论的研究，建立和确定了表征大气式燃烧器具燃烧特性的主要参数；形成了实验测定燃气具气质适应域与城市燃气互换域的技术方法。
当前形势下，特别是我国天然气供应格局从之前单一的国内油气田天然气区域供应，转向了多气源、多种类的天然气通过主干线混合输送并联网供；基于技术研究及气量供销的原因，天然气互换性方法研究开始由大气式燃烧方式转而面向全预混、扩散式等不同燃烧方式。随着燃气利用终端设备的多样化，要根据具体燃气燃烧利用设备，基于设备燃烧时燃气和空气混合方式的不同，研究选取适应要求的、科学的燃气互换性指标和配气控制参数。对各种燃烧方式，要进行严谨的燃气互换性实验，研究并确定与之燃烧特性和排放指标有关联的关键特性参数，合理选择燃气互换性研究的技术参数、控制指标，并进行大量的实验研究和技术论证，以建立完整、科学的城市燃气多气源互换性方法体系。
2013, Vol. 42 Issue (6): 642-646
2013, Vol. 42 Issue (6): 642-646