石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (4): 401-404
多气源混输条件下天然气互换性问题分析——以浙江省天然气管网系统为例
刘武 1, 纪国文 1, 季寿宏 2, 何春龙 2     
1. 西南石油大学石油工程学院;
2. 浙江浙能天然气运行有限公司
收稿日期：2014-03-04；修回日期：2014-04-28
作者简介：刘武(1970-), 男, 四川武胜人, 副教授, 1992年毕业于西南石油大学油气储运专业, 现主要从事油气集输, 天然气管网优化方向的研究工作。E-mail:wwwww65@126.com。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学.
摘要：浙江省天然气市场已进入高速发展阶段，“十二五”期间将逐步形成六大气源混输供应体系。气源多元化提高了天然气供应系统的安全性，但天然气产地及生产工艺不同，不同气源特别是管输天然气和液化天然气的组分及气质特性存在着较大差异，不同气源进入主干管网时必须考虑互换性。采用华白数法、美国燃气协会（A.G.A）法对浙江省现有五大气源天然气的互换性进行了分析。借鉴国外解决多气源互换性问题的相关做法，提出了浙江省多气源混输格局下管网供气的解决方案。
关键词：多气源    混输    互换性    华白数法    A.G.A法    解决方案    
Analysis of natural gas interchangeability under the condition of multiple gas mixed transportation: A case study in natural gas pipe network system of Zhejiang province
Liu Wu1 , Ji Guowen1 , Ji Shouhong2 , He Chunlong2     
1. School of Petroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;
2. Zhejiang Zheenergy Natural Gas Operation Co., Ltd, Hangzhou 310006, Zhejiang, China
Abstract: The natural gas market has entered a stage of rapid development in Zhejiang province, and six supply systems of gas source mixed transportation will be gradually formed during the twelfth five-year period. The diversification of gas source has improved the security of natural gas supply system and the interchangeability of different gas sources, however, must been taken into consideration when getting into the main pipeline network due to the differences of natural gas origin, production process, and gas source, especially the air components and characteristics between natural gas and liquefied natural gas. Using Wobbe index method and America Gas Association (A.G.A) method, the interchangeability of five major sources of natural gas in Zhejiang province was analyzed. Referring to the foreign methods of solving gas interchangeability problem, solutions of gas pipeline network supply under the structure of gas source mixed transportation in Zhejiang province are put forward.
Key Words: multiple gas source    mixed transmission    interchangeability    Wobbe index method    A.G.A method    solution    

1 浙江省多气源供气现状

2013年，浙江省天然气利用量达55.5×108 m3/a，预计到2015年，天然气引入总量将达98×108 m3/a。“十二五”期间，浙江省将基本完成全省天然气主干管网的建设，建成的主干管网达1 400 km，省级主干管线成环，各气源联合供气，互为补充，将形成“多气源、一环网”的基本架构，即一个覆盖全省的环形管道网络衔接不同产区的多种气源。目前浙江省现有5种气源分别为：西气东输一线、东海春晓、川气东送、西气东输二线、宁波进口LNG，多气源接入同一管网的混输格局逐步形成，远期还会有东海丽水气和新疆煤制气资源。“十二五”期间及远期浙江省天然气引进及主干管网规划如图 1所示[1]。

图 1     浙江省天然气引进及主干管网规划图(2015~2020年) Figure 1     Natural gas import and trunk pipeline network plan of Zhejiang province (2015-2020)

2 多气源混输条件下天然气互换性分析

美国国家天然气委员会(NGC)对燃气“可互换性”的定义是[2-3]：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。天然气供应多元化提高了天然气供应系统的安全性，由于天然气产地及生产工艺的不同，不同气源的组分及燃烧特性差异较大，进入一个管网时将产生天然气互换性问题。

目前，国内外天然气互换性判定方法主要分为指数判定法和图形判定法两大类。指数判定法主要包括华白指数法、美国燃气协会A.G.A法、韦弗指数法；图形判定法主要有德尔布法和燃烧特性判定法[4-5]。结合浙江省天然气的气源情况，利用华白数和A.G.A两种方法进行浙江省天然气互换性分析。浙江省现有五大气源天然气气质组成及相关参数如表 1所示。

表 1    浙江省各气源天然气气质组成及相关参数 Table 1    Composition and relative parameters of each gas source in Zhejiang province

2.1 华白数法

天然气互换时如果华白数保持恒定，则燃烧器热负荷和一次空气系数就基本稳定。世界各国规定的华白数允许范围各有不同。我国在GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》中规定，要保证两种燃气的互换性，两者间的华白指数允许偏差范围要控制在5%以内[4-5]。其计算公式如式(1)所示：

(1)

式中，H0为天然气的高位发热量，MJ/m3；d为天然气的相对密度。

以浙江省最先引入的主力气源西气东输一线气作为基准气，当西气东输二线、东海春晓、川气东送、宁波LNG与基准气互换时，其华白数分别为51.27 MJ/m3、51.10 MJ/m3、51.11 MJ/m3、50.08 MJ/m3和51.44 MJ/m3，置换气源华白数与基准气相比，波动范围分别为-0.33%、-0.31%、-2.32%和0.34%，这表明将西气东输一线气作为基准气时，其他4类气源的天然气均与其具备较好的互换性。

2.2 A.G.A法

A.G.A法中主要以离焰指数(IL)、回火指数(IF)和黄焰指数(IY)3个指数作为判断燃烧稳定性的准则[5]，采用A.G.A法进行互换性计算时仍然选取西气东输一线气作为基准气。各指数的计算公式见参考文献[5]。A.G.A法中规定的各种天然气互换极限见表 2。如果3项指数均在规定的范围内，则置换气可与基准气互换[6]。计算结果和互换性判定见表 3。

表 2    A.G.A法对于各种天然气的互换极限 Table 2    Various kinds of gas exchange limit by A.G.A method

表 3    A.G.A法计算结果 Table 3    Results of A.G.A method

从计算结果可以看出，选取西气东输一线气作为基准气时，西气东输二线、东海春晓、川气东送三大管道气均能够与基准气进行互换。由于宁波LNG气源为卡塔尔，气质组分属于贫气，其与西气东输一线气的互换性也在可接受范围之内。

3 多气源混输格局下浙江省天然气管网供气解决方案

远期新疆煤制气引入后，浙江省天然气发热量波动范围可能变大，我国GB 17820-2012《天然气》中已经将一类气体的高位发热量由31.4 MJ/m3提高到了36 MJ/m3[7]，在后续气源引入时必须控制引入气质的发热量达到新的国家标准。借鉴国外解决多气源互换性问题的相关做法，根据浙江省现有气源和管网分布状况，可以采取下面几种解决方案。

3.1 天然气分区域、分用户使用方案

根据浙江省天然气主干管网发展规划，几大气源都进入省级主干管网，但从布局上来看，各个气源接收站布局、管网压力级制、走向具有相对独立性，如西气东输一线在长兴站交付压力为4.0~4.8 MPa，宁波LNG春晓站气源压力为4.5~6.8 MPa。在目前的情况下，在一定区域内使用固定气源的天然气，并且对天然气数量、质量要求都较高的用户进行单独供气可以减轻天然气质量波动所带来的影响[8]。随着浙江省天然气市场的迅速发展，多气源格局呈现加强趋势，实施该方案时需要提前进行相应的管网供气规划。

3.2 发热量调整方案

浙江省在“十二五”末期计划引入的气源包括了新疆煤制气，中发热量煤制气的发热量仅为14.7 MJ/m3。煤制气增热主要采用甲烷化技术，将煤制气中的CO和H2两种组分在催化剂的作用下合成以CH4为主的高发热量气体，甲烷化后的气体发热量可以达到33.6~37.8 MJ/m3。煤制气高温甲烷化工艺流程如图 2所示[9]，反应器a、b、c出口的CH4的最终体积分数分别为57%、80%、94%，经过冷凝和压缩可以并入天然气管网进行供气。国际上将煤制气增热后的高发热量煤气称为代用天然气(SNG)，其发热量与常规天然气相当，理化性质相似，二者可以混输供气。

图 2     煤制气高温甲烷化工艺流程图 Figure 2     Process flow diagram of coal gas high temperature methanation

3.3 对天然气利用设备进行改造方案

一般的民用天然气利用设备对于天然气质量要求相对较低，在天然气质量发生变化时可以调整风门开度来调整一次空气量优化燃烧状态。对于动力、发电、化工等对天然气有特殊要求的用户应严格按照用户用气装置的要求进行供气，达不到要求时用户应在装置前采取气体处理措施使天然气满足设备要求[10]。

3.4 多气源调配方案

多气源调配的原理是按照设定的发热量目标值，将不同来源、不同发热量的天然气按相应的比例混合最终达到使用要求。该方案实施的前提是不同气源的流量需要保持相对稳定，否则将导致管网气体发热量波动[8]。从浙江省现有天然气管道走向和管网压力级制来看，五大主力气源大致位于浙江省东南西北的4个对角处，各省级主干管线运行压力也存在差异，如杭嘉线运行压力为4.2~4.8 MPa，杭甬线运行压力在3.8~5.8 MPa之间，各气源统一调度进行调配的难度较大。

目前，宁波LNG与东海春晓气采用了直接混合后统一输往沿线电厂、炼化厂的工艺流程，东海气输量约为150×104 m3/d，LNG气量依据其他气源而定，实际气化范围为25×104 ~1 000×104 m3/d。利用HYSYS软件模拟了不同LNG气量与东海气调配后的发热量，混合气体发热量最大波动比例为1.31%，模拟结果见表 4。在现场掺混供气过程中发现，LNG流量波动较大时，沿线电厂用户易受到一定的影响。目前，镇海电厂要求供气发热量范围为37.5~41.29 MJ/m3，当高位发热量波动范围大于2%时，即应采取相应的调度措施进行调节。

表 4    混合气体的发热量 Table 4    Calorific value of mixed gases

4 结论

(1) 天然气分区域、分用户使用方案在浙江省具有一定的可行性。该方案改造成本较低，能较好地解决多气源混输问题。

(2) 天然气发热量标准化是解决多气源混输问题的理想措施。目前，浙江省大型储气设施较少，气源种类繁多，相关的政策法规还不健全，实施难度较大。远期引入新疆煤制气时，可以采取甲烷化工艺措施将煤制气发热量限定在一定范围内，从而保证煤制气与现有气源的互换性。

(3) 目前，我国天然气互换性研究直接采用了国外的判别方法，这些方法都是各国根据本国的气源状况通过实验研究建立起来的，我国应根据自己的气源现状，提出相应的互换性判别方法。

参考文献
[1]
浙江省发展和改革委员会. 浙江省天然气市场发展研究报告[R]. 浙江: [出版社不详], 2010.
[2]
郭开华, 王冠培, 皇甫立霞, 等. 中国天然气气质规格及互换性标准问题[J]. 天然气工业, 2011, 31(3): 97-101. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.025
[3]
NGC+ Interchangeability Work Group. White Paper on Natural Gas Interchangeability and Non-Combustion End Use[R]. Washington DC, USA: FERC, 2005.
[4]
罗东晓. 多气源供应格局下的管网供气方案[J]. 天然气工业, 2008, 28(6): 120-123. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2008.06.035
[5]
徐晓菊, 詹淑慧, 丁国玉. 北京市规划天然气气源互换性分析[J]. 天然气技术与经济, 2013, 7(1): 60-63. DOI:10.3969/j.issn.2095-1132.2013.01.018
[6]
张杨竣, 秦朝葵, 肖利涛. AGA和Weaver指数法的适用性研究[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(1): 30-36. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2013.01.007
[7]
中华人民共和国国家标准. GB 17820-2012天然气[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012, 9: 3-4.
[8]
张永刚. 上海多气源供气条件下天然气互换性问题[J]. 上海煤气, 2005, 12(4): 27-30. DOI:10.3969/j.issn.1009-4709.2005.04.009
[9]
杨航. 浅谈中热值煤制气的甲烷化[J]. 中州煤炭, 2007, 29(3): 27-28. DOI:10.3969/j.issn.1003-0506.2007.03.013
[10]
张玉坤, 许文晓, 陈勇. 天然气气质及其互换性[J]. 石油与天然气化工, 2008, 37(6): 6-9.
X
    多气源混输条件下天然气互换性问题分析——以浙江省天然气管网系统为例
    刘武 , 纪国文 , 季寿宏 , 何春龙