1、中国天然气：气源及互换性研究 2015-04-16 天然气与法律天然气与法律Gas-Law 传播天然气与法律行业资讯点击标题下方“天然气与法律”（蓝色字体）关注我们。小编微信号：shanghailaoxin，欢迎添加交流。文/郭开华 等 中山大学工学院引言为保证我国能源安全，国家制订了能源战略，在加强国内各类天然气资源开发的同时，不断加大从国外进口天然气（NG）和液化天然气（LNG）。中亚、中俄、中缅、广东、福建、大连、江苏、唐山、上海等天然气和液化天然气国际贸易相继启动并投产，国内煤层气、煤制天然气、页岩气等非常规天然气产量不断增加，我国天然气供应格局从单一的国内气田气转向了多气源、多类型天
2、然气通过主干线混合输送并联网供应。当不同气质的天然气进入天然气长输管网时，会对管网及其相关设备的安全运行造成影响，同时也可能会使下游用户使用的燃具、燃气轮机、发电设备、天然气汽车等的安全、环保、节能和运行等性能受到损害。因此天然气质量规格及互换性标准的设立是必须面对和解决的重大问题。美国对于天然气互换性问题的研究最早，也最深入，针对 LNG 和管输气的互换性问题，美国于 2005 年颁布了天然气可互换性及非燃烧类应用白皮书，作为 23 年过渡期内暂行天然气标准指导原则。欧洲地区天然气管网之间气质规格有较大差异，欧洲燃具分类测试标准EN437 为进一步研究制定燃气规格及互换性标准提供了基础。与其
3、他国家相比，我国还缺乏严格意义上的天然气气质规格及互换性标准或指导性规定，急需借鉴国际上各国的研究经验及最新研究成果，开展我国多气源、多用户环境下天然气质量标准和互换性问题的研究工作。本文通过国内外天然气互换性技术及相关标准的分析研究，结合我国天然气的气质现状，对我国天然气分类及互换性标准的建立原则和基本内容提出了建议，并且分析了天然气混气交界面的热值波动特性，以期为满足大型燃气动力设备的气质适应性、制定科学、合理的相关规范和标准等提供参考依据。1、中国天然气气源状况作为一种清洁、高效的能源，天然气在世界能源消费中的地位日益提高，逐步成为重要的“战略能源”。根据 2014 年英国石油（Brit
4、ishPetroleum,BP）发布的 BP 世界能源统计年鉴，2013 年全球范围内天然气占一次能源消费量的 23.7%，全球天然气消费量增长 1.2%，其中中国的天然气消费量增长最为显著，增长率为 10.5%，这表明我国天然气市场已进入快速发展阶段。1.1 中国气源概况我国天然气产业迅速发展，市场巨大，国产气田气（包括陆上油气田和海上油气田）主要有四大产区，分别为塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地和南海海域，其产量约占国内天然气产量的 70%。除此之外，准噶尔盆地、柴达木盆地、东海盆地以及松辽盆地等地区也是天然气重要产区。由于国产天然气远远不能满足市场需求，国家提出“利用海外”天然气资源的
5、方向，通过实施陆上引进管输天然气和海上引进 LNG 两大举措，以解决国内天然气市场的供求矛盾，其中包括来自中亚（土库曼斯坦）的进口天然气、从世界各国进口的 LNG，同时俄罗斯，缅甸等国天然气也将成为我国天然气供应的来源。2013 年，我国进口天然气约为 526 亿立方米，占总供给量的 1/3。根据发改委、能源局编制的天然气发展“十二五”规划，2015 年我国进口管道天然气将突破 500 亿立方米，进口 LNG 达到 425 亿立方米左右，非常规天然气产量达到375 亿立方米，常规天然气产量约为 1385 亿立方米。1.2 进口管道天然气我国在国内已经形成西气东输工程，川气出川以及陕京线工程等国
6、内天然气长输管网，国内的气源已经无法满足我国剧增的天然气需求，正在寻求跨国合作，从国外通过陆上长输管道进口天然气，主要有来自中亚，俄罗斯以及缅甸等国的跨国长输管道天然气。位于中亚腹地的土库曼斯坦和乌兹别克斯坦是中国重要的天然气进口来源国，其中，中土更是互为最大的天然气合作伙伴。2011 年 11 月中土两国签署了土库曼斯坦对中国每年增供 250 亿立方米的天然气协议。在中国与中亚各国之间，共设计有 4 条天然气管道线路，其中，A、B、C 三线已经建成投产，D 线于 2014 年 9 月开工，气源位于土库曼斯坦，途径乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦三国，最终从新疆南部的乌恰县入境，预计于
7、2016 年建成通气。作为“丝绸之路经济带”能源大通道的重要组成部分，D 线将进一步扩大进口中亚天然气的规模。全部建成后，中国中亚天然气管道输气能力将提升至每年 650 亿立方米，成为中亚地区规模最大的输气系统。2013 年 7 月，中缅天然气管道开始供气，合同为期 30 年，2015 年输气能力将达到每年 120 亿立方米。此外，从 2018 年起，俄罗斯将开始通过中俄天然气管道东线向中国供气，输气量逐年增长，最终达到每年 380 亿立方米，累计30 年。1.3 进口 LNG目前随着能源结构多样化，以及处于能源安全方面的考虑，从多国进口LNG 已成为不可逆转的趋势，卡塔尔是目前世界最大的 L
8、NG 出口国。截至目前，我国已经建成投产的 LNG 接收站有 9 个，包括广东大鹏、福建莆田、上海、天津、江苏如东、辽宁大连、河北唐山、浙江宁波、广东珠海 LNG 接收站，总接收能力为每年 400 亿立方米；在建和规划接收站有 7 个，预计总接收能力为每年 276 亿立方米，具体分布如下图所示。从我国 LNG 接收站规划图可以看出，我国在建以及建成 LNG 接收站都建在沿海地区，同时有部分已投入使用，主要 LNG 来源国为卡塔尔、澳大利亚、印度尼西亚、马来西亚，约占进口 LNG 总量的 87%。综上所述，我国天然气供应格局已经从单一的国内气田气转向了多气源、多种类的天然气供应格局，气源主要可分
9、为六类：（1）常规天然气：来自塔里木盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、松辽盆地等；（2）非常规天然气：包括煤层气、人造甲烷气、页岩气等；（3）进口天然气：通过中亚、中缅、中俄管道进口的天然气；（4）国产 LNG：来自国内 82 个中小液化气厂，总生产能力为每年 120 亿立方米；（5）进口 LNG：来自沿海地区 9 个已经投产使用的 LNG 接收站；（6）海上气田气：主要来自南海和东海海域。2、天然气气质及互换性问题天然气互换性概念是美国和欧洲在 70 多年前提出的。上世纪早于 40 年代,许多国家就开始注意到天然气组成的变化对其利用有很大的影响，提出了天然气的互换性（Intercha
10、ngeability）和燃具的适应性（Flexiability）两个概念。互换性建立规则的焦点是根据地区天然气气质实际情况的情况下，保证家用、工业和商用燃气燃烧设备的安全和可操作性。2.1 互换性定义一般，设某一燃具以 A 燃气味基准进行设计和调整，若燃烧器不加以任何调整而能保证燃具正常工作，则表示 S 燃气可以置换 A 燃气，或称 S 燃气对 A燃气具有“互换性”。具有互换性的两种天然气具有相似的燃烧特性。描述燃烧特性的参数主要有发热量、沃泊指数（Wobbe Index，WI）和相对密度（Relative density，d）。发热量代表天然气的能量含量，可表示为高位发热量（High hea
11、ting values，HHV）和低位发热量（Low heating values，LHV）。发热量并非描述互换性的最佳参数，沃泊指数是使用最广的互换因子。沃泊指数是在给定时间内通过给定尺寸的燃烧器喷嘴的天然气的热量，沃泊指数越大，热量也就越高。相对密度用于互换性指标是为了限制天然气中的重烃含量。重烃含量提高，即使沃泊指数相同，也会导致出现一些燃烧问题，如 CO 排放量增加、煤烟形成、发动机爆震或燃气轮机自燃。2.2 中国天然气互换性研究2.2.1 中国天然气气质特性由于我国天然气气源的复杂性和宽泛性，为了深入研究天然气互换性问题，首先应分析国内天然气的气质特性。通过在全国范围内抽取 170
12、个样品分析其气质特征和燃烧特性，结果如下表所示，可看出我国天然气气质波动范围较大，其原因主要是因为少数样品气未经完全处理或者仅在某些特定区域分布。因此禁止低品质天然气进入全国天然气管网可在一定程度上提高气质的稳定性。根据 2.1 所述，天然气的燃烧特性参数是分析互换性问题的重要指标，基于我国天然气气质现状，为了建立适应中国的气质规格及互换性标准，接下来将对燃烧特性参数的数据相关性进行分析。对沃泊指数限定范围的控制是天然气使用的安全性、环境排放和效率的保证。燃气的碳氢比数决定了不完全燃烧指数的大小或燃烧的 CO 排放量。下图表示了相对密度修正的碳氢比和沃泊指数的关系，由此可见控制沃泊指数范围与控
13、制碳氢比的变化一样，具有限定不完全燃烧指数或黄焰指数的同样功效，因此可通过沃泊指数来控制气体燃烧的完全性。下图给出了甲烷含量与相对密度的关系，可看出其具有较好的相关性，限定相对密度的范围与限定甲烷的最低含量具有同样的功效。甲烷值是影响内燃机性能的重要参数，因此可通过规定天然气相对密度值来控制内燃机的气质适应性。此外由图还可看出相对密度的上限值为 0.7。2.2.2 国内外互换性标准及气质要求美国国家天然气委员会(NGC)牵头，联合 LNG、天然气管道、城市燃气、发电、化工、燃气设备生产、天然气处理等行业的近百家企业以及部分政府和科研机构组成工作组(简称 NGC+)，开展了燃气可互换性的研究，2
14、005 年发布了天然气可互换性及非燃烧应用白皮书。在白皮书中，推荐了沃泊指数及高位发热量的范围，指出沃泊指数的波动范围应在4%以内，并限定了丁烷（1.5%）及惰性气体（4%）等组分的摩尔分数，同时对不在这个范围内的气质也提出了使用建议。欧洲地区天然气管网之间气质规格有较大差异，欧洲燃具分类测试标准EN437 为进一步研究制定燃气规格及互换性标准提供了基础。欧洲天然气行业发展要求跨境联网，欧洲燃气工业技术协会（MAR-COGAZ）于 2003 年 2 月发表了关于欧洲燃气质量规定的第一个立场文告。欧洲合理能源交易协会（EASEE-gas），以协调各方利益，促进天然气贸易和交接的和谐化为出发点，基
15、于已有的天然气管网和进口 LNG 情况，于 2005 年提出能够为欧洲各国接受的较宽泛的和谐天然气质量通用商业标准（CBP 2005-001/01），该文件规定了高热值燃气（H-Gas）的互换性区间，规定了沃泊指数和相对密度的范围，同时也给出了杂质气体的上限值。我国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、GB/T13611-2006城镇燃气分类和基本特性。GB 17820 主要参考了 ISO 13688:1998天然气质量指标，根据含硫量的大小将我国商品天然气分为三类，同时要求民用天然气只适用一类和二类，其中一类气高位发热量下限值为 36.0MJm-3，
16、总硫含量上限值为 60mgm-3，与 EASEE-gas 提出的天然气气质指标相比，缺乏对硫醇、烃露点、粉尘、氧、沃泊指数的定量控制要求。GB/T13611 的燃气分类是借用了欧洲对燃具适用类别的分类标准 EN 347:1994试验气、试验压力和器具分类和 EN30-1-1:1999家用燃气灶具。然而 EN347 只是针对燃具分类测试而言，并非真正意义上的燃气分类和质量规格标准。因此从严格意义上说，我国缺乏天然气气质规格及互换性标准或指导性规定，需要借鉴国际上的最新研究成果来开展相应的工作。由沃泊指数、发热量和相对密度的控制范围构成了互换性盒子。如下图所示，将中国目前和将来管输天然气和气化 L
17、NG 的燃烧特性参数表示在互换性盒子上，对比巴西、印度、西班牙、应该、欧洲以及 NGC+，我国天然气沃泊指数以及高位热值基本落在欧洲互换盒子里。2.2.3 我国终端设备气质适应性不同燃气适应燃气组成变化的能力不同，当燃气组成变化较大时，易对燃具的正常运行产生影响，因此研究我国各类燃气具（包括民用、商用）的气质适应性具有重要意义，可以为中国建立符合理论及科学依据的互换性方法和标准提供支撑。一般民用天然气主要包括燃气灶具、燃气热水器等，根据中国电器测试标准分析各类燃气具的气质适应性，如下图所示，可看出民用燃具的适应域较宽，我国各种气源的天然气均在适应域范围内，这说明民用燃气具对气质的适应性较强，我
18、国的天然气气质完全能满足民用需求。工业用天然气主要包括工业用大锅炉、大灶具、内燃式增压机、燃气轮机等，不同的设备对天然气气质的要求也有所不同。对于大部分工业用燃烧设备，要求沃泊指数允许波动范围不大于 10%；对于一些较精细、灵敏的生产加工过程，需要特殊的点火装置，火炉温度对燃气的组分变化较为敏感，因此需要严格控制燃气的热值和沃泊指数；内燃机用天然气主要包括：天然气汽车、天然气用增压机，这类设备对天然气气质的要求主要是出于安全的考虑，一般当甲烷摩尔分数大于 88%，相对密度小于 0.65 时，内燃机适应于大部分气质；天然气燃气轮机一般由制造商对其气质适应指标做出具体规定，不同厂家设计不同，对气质
19、的要求也不一样，一般同样要求沃泊指数波动范围小于 10%，美国 GE 公司要求沃泊指数波动范围为5%，日本三菱规定沃泊指数波动范围为2%。因此，针对不同设备对气质的特殊要求，分析气质适应性时需要考虑的燃烧特性参数也不相同。下图给出了对 WI 和相对密度范围波动范围有特殊要求的燃烧设备的互换性盒子分布图。假设某燃气轮机需要着重考虑沃泊指数，则可根据图中的水平虚线进行判定，选择在波动范围要求内的天然气进行互换；若需要着重考虑甲烷含量，则可根据图中的斜虚线判断该气质是否具有互换性。2.2.4 天然气置换管道热值波动性具有互换性的两种天然气气质可以进行置换混输，但是在置换管道中两种气质混输状态如何以及
20、对下游用户、设备会产生何种影响值得探讨，也关乎能否成功实现天然气的互换。天然气气质浓度/热值的变化规律遵循沿轴向一维瞬变热质扩散的一般规律和基本方程。在某特定时间，气质浓度以各个混气交界面运动到的位置为中心呈对称分布形态，而且气质浓度变化梯度呈概率密度函数正态分布特征，浓度变化梯度的最大值位于交界面处，如下图所示。随着时间推移，混气交界面沿管道轴向以平均流速向下游移动，在混气交界面处的瞬时气质变化梯度减小，气质变化趋于平缓，两种气源气质混合趋于均匀。下图给出了天然气置换管道相对热值最大变化速率的预测结果。根据等比效应，相对热值变化率与相对无因次浓度率数值相等。若 E 级燃气机组修正沃泊指数（M
21、WI）的波动范围5%，MWI 变化速率0.1%s-1，则最大相对热值变化速率为 0.02s-1；F 级燃气机组 MWI 波动范围2%，MWI 变化速率4%min-1，则最大相对热值变化速率为 0.033s-1。由图可看出当管道流速一定时，距离越长，相对热值变化速率越小；当距离一定时，混输管道流速越小，越易达到燃气电厂对热值变化率的要求，这可以为合理设计混输流速以满足燃气机组的气质适应性要求提供参考依据。3、结论（1）按照国际燃气联盟（IGU）的分类方法对我国天然气分类，结合我国天然气气质的实际情况看，可以将我国天然气分为两类：可售天然气和限用天然气。满足气质规格要求和互换性需求的天然气可以通过
22、全国天然气管网进行输送使用，不满足上述要求的天然气，经过处理或与其他气体混输从而达到气质规格和互换性要求的才允许输入天然气管网。但具体分类的技术参数除了沃伯指数外还需增加一个参数（燃烧势或密度修正碳氢比）才能完成分类和限定。（2）参考 GB17820，建立中国天然气气质规格要求和互换性指标，具体而言，沃泊指数和相对密度与 EASEE-gas 的气质指标一致，可降低甲烷浓度限制，可参考 NGC+确定重烃组分和杂质组分的限值。（3）对天然气供应商设立通告规章制度，在合同有效期内，若供应商的气质发生改变，其有责任和义务通知消费者气质组分的变化和具体指标，以满足终端用户的特定需求。（其他作者为周理，王冠培，皇甫立霞）
