车用压缩天然气（CNG）是储存在容器中的高压天然气，具有清洁、高效等优点[1]。进入21世纪后，全球面临CO2和SO2等过度排放的问题，各国积极开展汽车燃料结构调整，自意大利1931年建成首座CNG加气站以来[2]，CNG以其价格低廉、清洁的特点促进CNG汽车的快速发展[3]。
我国第一座CNG加气站于1988年在四川南充建立[4]，随后开始逐年加大CNG产业发展力度，并开展了CNG汽车关键技术攻关，形成了清洁汽车标准和检验技术[5]。先后启动了“节能与新能源汽车”计划，将CNG汽车纳入《天然气利用政策》[6]。2017年6月23日，国家发展和改革委员会等部门联合发布了“关于印发《加快推进天然气利用的意见》的通知”（发改能源〔2017〕1217号），鼓励发展 CNG 加气站、LNG 加气站、CNG/LNG 两用站等，并要求县级以上地方人民政府推进 LNG、CNG 等储气调峰设施建设。根据《中国天然气发展报告（2021）》[7]，2020年我国加气站总数达到1.08万座，各类车、船总数量达到700万辆（艘）。与此同时，我国也在不断完善CNG工艺设备和相关标准、规范，从而为CNG的推广和应用提供了制度及规范上的保障。
2000年，我国在SY/T 7546—1996《汽车用压缩天然气》的基础上，参考了ISO/FDIS 15403:1998《天然气 作为车用压缩燃料的天然气的质量指标》及其技术报告草案《天然气的组成要求》，结合我国CNG加气站和CNG汽车运行的经验，制定了GB 18047—2000《车用压缩天然气》[8-9]，规定了高位发热量、总硫含量、H2S含量、CO2含量、氧气含量及水露点指标。其中，高位发热量指标关系到汽车的动力，为经济核心指标[10]；总硫含量和H2S含量为环保严控指标；CO2含量和氧气含量指标关系到环保和安全；水露点指标则为安全关键指标[11-12]，天然气中的CO2、硫化物和氧气等组分与水结合才会形成具有腐蚀性的物质，因此，须严控水露点指标。GB 18047—2000的发布实施推动了我国整个清洁汽车产业的大发展。2017年对该标准进行了修订，重点修订了水露点指标，按照环境温度−13 ℃为界限划分（用水露点和水含量两种方式进行规定）：在压力不大于25 MPa和环境温度不低于−13 ℃的条件下，水的质量浓度应不大于30 mg/m3；在压力不大于25 MPa和环境温度低于−13 ℃的条件下，水露点应比最低环境温度低5 ℃[13-14]。
随着国内天然气工业高速发展的需要和环保要求的提升，2018年对GB 17820—2012《天然气》进行了修订。此次修订的主要技术指标变化为：①修改了一类气和二类气质量指标中的发热量、总硫含量、H2S含量和CO2含量指标；②进入长输管道的天然气高位发热量由31.4 MJ/m3修改为34.0 MJ/m3；③总硫质量浓度由200 mg/m3修改为20 mg/m3，H2S质量浓度由20 mg/m3修改为6 mg/m3。此次修订提升了总硫含量指标，体现了控制总量和控制关键组分的技术思路[15-16]，对天然气的生产、利用、环境保护和用气安全具有重大意义[17]。与此同时，我国发布了GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》，规定进入长输管道的天然气高位发热量不低于34.0 MJ/m3，氧气摩尔分数不大于0.1%。而车用CNG基本来源于天然气管网，由于长输管道的气体质量指标已经发生变化[18]，故GB 18047—2017已无法覆盖新的产品变化[19]，须进行修订。本研究通过对CNG相关标准的调研分析，同时结合国内CNG气质情况，提出了新的CNG质量指标，为GB 18047修订奠定了技术基础。
通过在全国范围内对包括中国石油、中国石化下属油气田及炼化企业、地方燃气公司等29家单位的调研，收集到代表性数据共58个，分别来自于四川、重庆、河北和新疆，气质情况见表1。根据调研结果得到：CNG的高位发热量为33.82~41.61 MJ/m3，其中以煤层气为原料的CNG高位发热量最低，为33.82 MJ/m3，以致密砂岩气为原料的CNG高位发热量最高，为41.61 MJ/m3；总硫质量浓度为0~18.56 mg/m3；H2S质量浓度为0~4.5 mg/m3；CO2摩尔分数为0.161%~1.630%；氧气摩尔分数为0~0.46%；氢气摩尔分数为0~0.054%；除煤制气外，水露点指标均符合GB 18047—2017的要求。
目前，与车用压缩天然气相关的标准主要包括ISO 15403-1:2006《天然气 汽车用压缩性燃料天然气 第1部分：质量标记》及其技术支持文件ISO/TR 15403-2:2006《天然气 作为车辆压缩燃料使用的天然气 第2部分：质量的规范》[20-21]、ISO 23306: 2020《船用液化天然气燃料规范》[22]、GOST R 56021—2014《液化天然气 内燃机和发电机组用燃料 规格》[23]、JB/T 11792.1—2014《中大功率燃气发动机技术条件 第1部分：天然气发动机》[24]、德国天然气规范DVGW G 260:2021-09《气体质量Ⅰ》[25]、法国关于天然气质量的法规Arrêté du 16 Septembre 1977和Arrêté du 28 Janvier 1981（1981年1月28日关于管道运输天然气硫含量和硫化物含量的法令）[26-27]、英国关于天然气质量的法规EN 16726:2015《天然气基础设施 气体质量 H类》[28]、欧洲合理能源交易协会（EASEE-gas）在通用商业惯例（CBP）2005-001/02 Harmonisation of Natural Gas Quality《天然气质量协调》中推荐的标准条件下的气体质量规范等[29]。其中，强相关的标准为ISO 15403-1:2006、ISO/TR 15403-2:2006、ISO 23306:2020和GOST R 56021—2014。
ISO 15403-1:2006与ISO/TR 15403-2:2006的主要内容为：车用CNG组成的关键项目有水、硫化物、颗粒物质、较重烃类、CO2、氧气、乙二醇/甲醇和油含量。对于水含量，在ISO 15403-1:2006附录E的图E.1下方有一个注解：“如果天然气被压缩到25 MPa，且其温度不低于−13 ℃时，其水的质量浓度若低于0.03 g/m3（30 mg/m3）就不会发生问题”。此注解应被视为一个气质指标，所有加气站的天然气脱水装置均应达到此要求。对于硫含量，若有水存在，天然气中总硫质量浓度不能超过120 mg/m3，H2S质量浓度不能超过5 mg/m3，硫醇质量浓度不能超过15 mg/m3。对于颗粒物质，在CNG进入汽车上的高压容器前，至少应经过一个能脱除5 μm固体微粒的过滤器，以脱除固体微粒。对于CO2，推荐以摩尔分数为3.0%作为限定指标。对于氧气，推荐以摩尔分数为3.0%作为限定指标。对于油含量，研究表明由压缩机带入天然气的少量油分有利于燃料系统的润滑，但带入的油分过多会阻塞燃料系统。有关此问题的研究工作还在进行之中，故目前尚无标准。根据欧洲国家多年使用CNG汽车的经验，建议油分的质量分数应控制在70×10−6～200×10−6。ISO/TR 15403-2:2006技术报告最后指出，天然气中的CO2、硫化物和氧气等组分与水结合才会形成具有腐蚀性的物质。尽管有必要对这些组分进行限制，但由于不同天然气中这些组分的含量相差很大，无法针对具体情况给出对应的水含量要求，因此，ISO/FDIS 15403根据消除液态水以防止腐蚀性物质形成的原理，对CNG的水含量提出了严格的要求。对于其他组分，ISO/FDIS 15403以DVGW G 260:2021-09的规定为例，从技术上讲应不存在雾、尘和液体，氧气的体积分数在干燥的管网中不高于3%，在潮湿的管网中不高于0.5%，总硫质量浓度不高于120 mg/m3（短期为不高于150 mg/m3），硫醇质量浓度不高于6 mg/m3（短期为不高于16 mg/m3），H2S质量浓度不高于5 mg/m3。
ISO 23306:2020规定了船用燃料液化天然气（LNG）的质量指标，给出了需测量或计算的相关物理化学性质和测试方法（见表2），但仅给出了高位发热量和氮气摩尔分数指标，分别为33.6 MJ/m3和1.0%，甲烷值指标由供应商和用户商定，其余指标并未给出具体限值和范围要求（见表3）。而且除氮气外，仅涉及烃类物质及相关物化性质的测量计算。
GOST R 56021—2014对LNG燃料质量等进行了划分或规定，给出了LNG燃料A、B两种标号的沃泊指数、低位发热量、甲烷含量、氮气含量、CO2含量及氧气含量指标（见表4）。仅针对硫化物中的H2S含量和硫醇含量指标进行了限定，质量浓度上限值分别为20 mg/m3和36 mg/m3，对LNG中总硫含量指标并未给出明确的限定值。
JB/T 11792.1—2014规定了功率为500 kW以上的非道路用天然气发动机使用的燃料天然气的质量指标（见表5）。
JB/T 11792.1—2014规定了作为中、大功率天然气发动机燃料的天然气质量指标，主要包括低位发热量、总硫及H2S含量、杂质含量及粒径大小和甲烷值指标。该标准明确提出，作为天然气发动机燃料的天然气低位发热量应不低于33.5 MJ/m3、甲烷值应不低于85。
上述国内外CNG相关标准显示CNG质量指标主要涉及到高位发热量，总硫含量、H2S含量、CO2含量、氧气含量和水含量，具体指标主要从安全、环保和经济性3个方面并结合气源特点制定。GB 18047—2017规定了包含高位发热量的6项指标，但未对CNG进行分类，然而气质调研结果显示CNG的各项指标均大幅高于标准中的技术要求。这是由于我国进行了天然气气质升级，而CNG主要来源为天然气管网，因此，现阶段的CNG品质符合GB/T 37124—2018和GB 17820—2018中一类气的质量指标，相较于GB 18047—2017的要求有了大幅的提升。为了区分CNG品质，同时保障特殊气源作为CNG利用，建议按照高位发热量、总硫含量、H2S含量和氧气含量，将CNG分为一类气和二类气，其中二类气保留GB 18047—2017指标，一类气指标探讨如下。
车用CNG的原料气主要来自管网天然气及局部地区的煤层气、煤制气等。GB 18047—2017规定高位发热量不小于31.4 MJ/m3，GB 17820—2018已将高位发热量指标修订为34.0 MJ/m3。根据对包含以煤层气和煤制气为原料的全国车用CNG的调研结果，车用CNG发热量范围为35.4~ 41.6 MJ/m3，均高于34.0 MJ/m3。因此，建议GB 18047的一类气高位发热量指标确定为不低于34.0 MJ/m3。
GB 18047—2017在确定总硫含量和H2S含量指标时，综合参考的是欧洲（以英国、德国和法国为主）管输天然气标准、GB 17820—2012《天然气》、GB 17930—2016《车用汽油》和ISO/TR 15403:2006中硫化合物含量指标。
根据58个调研反馈数据可知，目前，国内车用CNG中总硫质量浓度范围为0~18.56 mg/m3，H2S质量浓度范围为0~4.5 mg/m3，与GB 18047—2017规定的总硫质量浓度上限100 mg/m3相差较大。这是由于车用CNG基本上来源于天然气管网，在GB 17820—2018和GB/T 37124—2018发布实施之前，车用CNG原料气中总硫含量指标执行的是GB 17820—2012，与GB 18047—2017规定的限值100 mg/m3相匹配。随着GB 17820—2018的实施，天然气质量得到提升，车用CNG中总硫和H2S质量浓度分别不大于20 mg/m3和不大于6 mg/m3。因此，建议GB 18047的一类气总硫含量和H2S含量指标确定为质量浓度分别不大于20 mg/m3和6 mg/m3。
天然气在气藏中是不含氧气的，在开采和处理的过程中，避免与空气混合是安全生产的基本要求。GB/T 37124—2018综合考虑了我国天然气的气质情况及分析方法的检测限，同时结合国际先进水平的规定，最终确定氧气含量指标为摩尔分数不大于0.1%。因此，建议GB 18047的一类气氧气含量指标确定为摩尔分数不大于0.1%。
车用CNG中规定水露点的目的是防止液态水的产生，因为游离水的存在，会使H2S、CO2对设备产生腐蚀。GB 18047从2000版修订至2017版中的焦点就是如何确定水露点指标。水露点指标确定的依据为ISO 15403-1:2006和其技术支持文件ISO/TR 15403-2:2006。
目前，GB 18047—2017关于水露点的规定是以环境温度−13 ℃为界限来划分的。ISO 15403-1:2006和其技术支持文件ISO/TR 15403-2:2006明确了在温度不低于−13 ℃、压力为0~25 MPa、水的质量浓度低于30 mg/m3时，不会产生液态水，但是在温度低于−13 ℃时则没有明确的研究结论。GB 18047—2017给出的指标为“在压力不大于25 MPa和环境温度低于−13 ℃的条件下，水露点应比最低环境温度低5 ℃”。按照该条款要求，在环境温度为−13.1 ℃条件下，水露点应低于−18.1 ℃，采用GB/T 22634—2008《天然气水含量与水露点之间的换算》计算得到对应水的质量浓度约为4.5 mg/m3，相比30 mg/m3的指标，明显不合理，对于环境温度低于−13 ℃条件下的水含量要求是偏严格的。实际上，发生CNG抽检不合格的情况几乎都是由水含量指标不合格造成的。水含量指标不宜再严，建议参考美国消防协会标准NFPA 52 AMD 1—2018《车辆天然气燃料系统规范》关于水露点的规定，即：在压力下的水露点应保证在汽车驾驶的特定地理区域内，其燃料容器中不产生水的凝析。建议GB 18047—2017的水露点指标修订为“在汽车驾驶的特定地理区域内，在操作压力和环境温度低于−13 ℃的条件下，车用CNG中不应有液态水析出”。
关于甲烷值，目前世界上以天然气为燃料的相关标准包括ISO 15403-1:2006及其技术支持文件ISO/TR 15403-2:2006、美国消防协会标准NFPA 52 AMD 1—2018《车辆天然气燃料系统规范》、ISO 23306:2020、GOST R 56021—2014、美国加利福尼亚大气资源委员会CARB制定的《压缩天然气规范》均未规定甲烷值，仅规定供应商应计算交货点的实际甲烷值，将此信息提供给用户，并给出了甲烷值计算方法，计算甲烷值的方法应由供应商和用户商定。气体燃料的甲烷值可以根据其组成采用几种不同的方法计算，GB 18047—2017在附录A中列出了辛烷值评定方法（MON），ISO 23306:2020的附录A或EN 16726—2015给出了DNV GL AS公司开发的一种甲烷值计算方法（PKI-MN法），该方法基于燃料混合物本身的燃烧特性来表征气体的抗爆性。PKI-MN法基于甲烷−丙烷体积比（PKI，丙烷爆震指数），在相同发动机条件下将被测气体的抗爆性与甲烷-丙烷气体混合物的抗爆性进行比较。JB/T 11792.1—2014规定了功率为500 kW以上的非道路用天然气发动机使用的燃料天然气的甲烷值应不小于85，该指标是非道路用的发动机对甲烷值的要求，对于汽车发动机实际上没有参考价值。因此，建议GB 18047不增加甲烷值指标要求，而是在“储存和使用”这一章节中规定“供应商应计算交货点CNG的实际甲烷值，并将此信息提供给用户”。
随着GB 17820—2018和GB/T 37124—2018的实施，我国天然气气质得到提升，CNG气质已经发生了较大的变化，GB 18047—2017存在与现行其他强制性标准的质量指标不协调、相互矛盾的问题，与产业发展实际水平和健康、安全、环保最新要求相悖，因此，建议对其进行修订。
根据我国CNG质量情况，同时考虑与现行相关标准保持协同，以及与我国CNG产业发展相适应和促进产业发展，建议将CNG分成一类气和二类气进行修订，具体指标修订建议见表6。
2024, Vol. 53 Issue (6): 114-119, 134 2024, Vol. 53 Issue (6): 114-119, 134