1、统一天然气热值标准是中国天然气工业发展的需要赖元楷、罗东晓 华南理工大学天然气利用研究中心 1 中国天然气的春天已经来临中国政府制定了天然气的发展战略：“立足国内，利用海外，西气东输，北气南下，海气登陆，就近供应。”2020 年前，国家将投资 2200 亿元人民币建成5 万公里天然气管线和千万吨级 LNG 接收站，建设百万吨级 LNG 运输设施，建造 30 多艘大型 LNG 运输船，形成年进口 5000 万吨(近 700 亿立方米)规模的 LNG 接收设施，使我国天然气消费在一次能源消费结构中的比例从现在的2.97提高到 12。规划中的天然气管网将以现在的西气东输线、陕京二线、忠武线、涩宁兰线
2、等为主线，再兴建一批重点干线管道和联络管道，向南延伸到珠海、北海，向北、向西延伸到黑龙江、新疆与俄罗斯管道相连。预计新建管道长度为 1.5 万公里，届时全国天然气长输管道将达到 3.6 万公里左右。形成国产气管线、进口气管线和沿海 LNG 管道互相连通的大网络，国产气、进口气和 LNG 互相衔接，资源统配，达到全国天然气联网供应。2 历史性的天然气改革开放政策(1)天然气产业上中下游全环节对外开放中国政府出台了鼓励外商参与天然气的勘探开发、基础设施、天然气发电、大中城市燃气管网的建设与管理等整个天然气产业链的投资建设；鼓励我国油气从业者走出国门，参与世界石油天然气的勘探开发，利用他人资源为我服
3、务。(2)为国内油气行业引入竞争机制国内三大油公司交叉作业：最近，中石油、中石化获准“ 下海”与中海油抢占海域，兴建 LNG 接收站；中海油也获准可以 “上岸 ”与中石油、中石化争夺陆上地盘，开展内陆油气资源勘探开发。“能源之战”不仅在世界范围内展开，中国的三大油公司也在我国辽阔的大地和海洋悄悄地演绎着一场威武雄壮的“能源游戏”。3 中国天然气利用的规范化管理构想(1)中国天然气行业改革的大思路中国天然气行业正处于机遇与挑战并存的关键时刻，行政性垄断和自然垄断的存在。缺乏公平竞争的市场环境，使天然气行业发展受到很大的制约。为了加快天然气行业的发展，必须对非自然垄断领域逐步放松管制，充分发挥市场
4、对资源配置的基础性作用；而在“市场失灵”的自然垄断领域，以现代化监管替代市场机制，力争建立公平竞争的市场环境是天然气行业调整与改革的重点。非自然垄断领域：上游的勘探开发以及天然气商品销售业务。自然垄断领域：输配系统(包括长距离运输和城市配气系统)。在上游领域建立竞争性市场：a.将市场机制引入矿权制度，以吸引多元化投资和技术；b.积极寻求并进口国外天然气资源(包括 LNG 进口)；c.逐步放松对天然气井口价格管制政策；d.在输配环节，以现代化经济监管替代市场机制，遏制垄断权利的泛用，建立公平竞争的市场环境；e.用第三方准入的长输管线、城市配气系统的监管以及服务价格与质量的监管；f.完善特许经营权
5、和许可证制度。 在这样的框架下建立完善的行业法律法规，保证监管的稳定、透明、一致和公平的管理制度。(2)建立中华人民共和国天然气法规范和严格天然气生产的安全要求；制定相关的法律和法规，规范和指导天然气的生产经营和销售；用天然气法来规范管理体制存在的问题；用天然气法来改变天然气行业垄断问题；天然气法可规定允许外资进入我国天然气勘探开发和经营管理；用天然气法来解决阻碍天然气产业发展价格双轨制问题，适应迅速发展的天然气市场和中国市场经济发展的需要。4 统一天然气热值标准是中国天然气工业发展的迫切需要1.国内现行天然气质量标准与不足随着天然气利用工作不断向纵深发展，天然气的来源和产地不断增多。而不同产
6、地或不同形式获得的天然气，其物理、化学性质各有不同，组分、热值、密度和燃烧特性等均存在很大差异。因此，必须对此作相应规定，即制定统一的国家标准，以满足各类用户的使用需求。1999 年国家制定了天然气(GB 178201999)，详见表 1。表 1 天然气(GB 178201999)技术指标项目 一类 二类 三类高位发热量(MJ/m3) 31.4总硫(以硫计)(mg/m 3) 100 200 460硫化氢(mg/m 3) 6 20 460二氧化碳%(V/V) 3.0 水露点, 在天然气交接点的压力和温度条件下天然气的水露 点应比最低环境温度低 5 本标准中气体体积的参比条件是 101.325kP
7、a20。上述国标因制定的年代远，已无法完全适应现今天然气产业高速发展的要求。具体表现在：对天然气组分未作具体规定，特别是规定的热值范围太广，直接影响到燃气的互换性问题；高热值的 LNG 不能用于某些管输天然气地区调峰；不能实现大区域或全国性联网供气；气源调配缺乏灵活性和供应的安全可靠性；很难解决作为城市燃气的气源“互换性”与燃具的“适配性”间的矛盾。(1)天然气的成分、热值与燃气互换性燃气的主要成分所谓燃气是指可燃性气体，包括沼气、煤制气、油制气、液化石油气、天然气、液化天然气等，通常是由一些单一气体混合而成，其组分主要是可燃气体和少量不可燃气体组成。可燃气体成分为 H2、CO、CmHn、H
8、2S 等，不可燃气体有 N2、 CO2、O 2 等。天然气以 CH4 为主要成分，尚有C2H6、C 3H8、N 2、CO 2 等成分，属热值较高的燃气。不同产地和不同加工方法获得的燃气，其成分含量各不一样，其燃烧特性也不一样。燃气的热值我们实际使用的燃气中，是含有各种组分的混合气体，它的热值可以用热值仪(热量计 )直接测出，也可以由各单一气体的热值按混合法则计算得出。所谓热值是指一标准立方米的燃气完全燃烧所放出的热量，称为该种燃气的热值，单位为：kJ/Nm 3 或 MJ/Nm3。以甲烷完全燃烧为例加以说明：CH4+202=C02+2H20+Q式中的 Q 值为一标准立方米 CH4 完全燃烧所放出
9、的热量为：Q=890943kJ/kmol，其热值为 890943/22.3621=39842kJ/Nm322.3621为标准状态下 CH4 的摩尔容积(Nm 3/kmol)燃气的热值又可以分为高位热值和低位热值：所谓高位热值是指一标准立方米 CH4 完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量 QH=890943kJ/kmol，其热值为 39842kJ/Nm3。所谓低位热值是指一标准立方米 CH4 完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量 Q L=802932kJ/kmol，其热值为 35906kJ/Nm3。燃气的高位热值在
10、数值上大于其低位热值，差值为水蒸气的气化潜热。在工业与民用燃气应用设备中，燃气中的水蒸气通常是以气体状态排出，因此，实际应用工程中常用燃气低位热值进行计算。燃气互换性指标：华白数 W 与燃烧势 Cpa.华白数：是一项控制燃具热负荷稳定状况的指标，华白数又称热负荷指数。其计算公式为：式中：w华白数，MJ/m 3(kcal/m3)Qg燃气高热值， MJ/m3(kcal/m3)d燃气相对密度。( 空气相对密度为 1)一般规定在两种燃气互换时华白指数的变化不超过 510。b.燃烧势：是反映燃烧火焰所产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性参数，反映燃具燃烧稳定状态的综合指标，燃烧势又称燃烧速度指数。
11、其计算公式为： K=1+0.0054022式中：Cp 燃烧势；H2燃气中氢含量，(体积)；CmHn燃气中除甲烷以外的碳氢化物含量，(体积)；CO燃气中一氧化碳含量，(体积)；CH4燃气中甲烷含量，(体积)；d燃气相对密度( 空气相对密度为 1)；K燃气中氧含量修正系数；O2燃气中氧含量，(体积)。从计算公式中可以看出，决定燃气互换性的华白数和燃烧势都与燃气的热值直接相关。一般来讲，任何来源的天然气均以 CH4 为主要组分，影响热值大小的主要因素是 C2 以上重组分含量。天然气密度越大，热值就越高，其华白指数也越大。换句话说，天然气热值大小基本上反映华白数大小。因此，规定天然气热值指标，从某种意
12、义上讲是限定了华白数范围，是解决气源互换性的一个重要手段。在天然气中调配空气量是控制燃气热值(华白指数)的一种有效手段。当燃气中含有氧时，应考虑含氧量对一次空气系数的影响。含氧量对一次空气系数的影响程度与理论空气需要量有关，而理论空气需要量又与热值成正比，而热值与华白指数和燃烧势成线性关系变化，见表 2、3 及图 2。表 2 广东 LNG 掺混空气比例、组分与燃烧特性参数 混配比例 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 氧气 氮气LNG AIR CH4 C2H6 C3H8 C4H10 02 N2高位热值低位热值华白指数 燃烧势% (体积:%) (MJ/Nm3(kcal/Nm3) CP气体密度kg/Nm310
13、0 0 88.77 7.54 2.59 1.01 0 0.07 44.61(10656) 40.39(9647) 56.05(13387) 41.85 0.8297.44 2.56 86.50 7.35 2.54 0.99 0.54 2.08 43.49 39.36 54.21 40.55 0.83(10387) (9400) (12949)95.37 4.63 84.66 7.19 2.47 0.98 0.97 3.70 42.55(10162 ) 38.52(9200) 52.75(12599) 39.59 0.8493.29 6.71 82.82 7.03 2.42 0.94 1.41
14、5.32 41.62(9941) 37.68(9000) 51.31(12254) 38.72 0.8591.22 8.78 80.97 6.88 2.36 0.92 1.84 6.95 40.70(9720) 36.84(8800) 49.88(11913) 37.93 0.8689.14 10.86 79.13 6.72 2.31 0.90 2.28 8.35 39.77(9499) 36.01(8600) 48.47(11576) 37.21 0.8787.07 12.93 77.29 6.57 2.26 0.88 2.72 10.19 38.85(9278) 35.17(8400) 4
15、7.08(11244) 36.55 0.8885.00 15.00 75.45 6.41 2.20 0.86 3.15 11.81 37.92(9057) 34.33(8200) 45.70(10916) 35.96 0.8982.93 17.07 73.61 6.25 2.15 0.83 3.59 13.44 37.00(8837) 33.49(8000) 44.34(10591) 35.41 0.90表 3 广东 LNG 掺混空气后混合气热值与华白指数对应表低位热值 高位热值 华白指数序号(MJ/Nm3)1 33.49 37.00 44.342 34.33 37.92 45.73 35.1
16、7 38.85 47.084 36.01 39.77 48.475 36.84 40.7 49.886 37.68 41.62 51.317 38.52 42.55 52.758 39.36 43.49 54.219 40.39 44.61 56.05表 4 广东 LNG 重组分提取后的组分与燃烧特性参加一览表重组分提取 甲烷CH4乙烷C2H6丙烷C3H8丁烷C4H10氮气N2高位热值低位热值华白指数 燃烧势组分名称比例(%) (体积 :%) (MJ/Nm3(kcal/Nm3) CP气体密度kg/Nm3LNG 0 88.77 7.54 2.59 1.01 0.07 44.61(10656) 4
17、0.39(9647) 56.05(13387) 41.85 0.82C4 100 89.68 7.62 2.62 0 0.07 43.71(10440) 39.54(9445) 55.56(13270) 42.00 0.80C3 50 90.86 7.72 1.33 0 0.07 42.95(10258) 38.39(9169) 54.83(13095) 41.73 0.782C3 80 91.59 7.78 0.518 0 0.07 42.48(10146) 38.40(9172) 54.89(13110) 41.95 0.77C3 100 92.09 7.82 0 0 0.08 42.17
18、(10071) 38.10(9101) 54.72(13069) 41.94 0.77C2 25 93.92 5.98 0 0 0.08 41.60(9937) 37.58(8976) 54.40(12994) 41.54 0.76C2 50 95.83 4.07 0 0 0.09 41.02(9797) 37.04(8846) 54.08(12917) 41.12 0.74C2 75 97.82 2.08 0 0 0.09 41.60(9552) 36.47(8711) 53.74(12835) 40.68 0.73C2 90 99.06 0.840 0 0 0.09 40.03(9562)
19、 36.12(8627) 53.52(12784) 40.41 0.72C2 100 99.90 0 0 0 0.09 39.77 35.88 53.38 40.22 0.72(9500) (8569) (12750)(3)国外天然气热值标准及解决互换性措施法国政府 1997 年 9 月 16 日发布政府令，准许在法国两种不同类型的输配管网中，输送 H 型天然气和 B 型天然气，H、B 型管网内的天然气热值范围分别是：10.7 12.8kwh/Nm 3，即为38.5240.08MJ/Nm 3(920011006kcal/Nm 3，参比条件：0，101.325kPa，下同)和 9.510.5kw
20、h/Nm3，即为 34.237.8MJ/Nm 3(81699028kcal/Nm 3)。两套热值不同的天然气输配管网分别供应不同类型的天然气用户，以此解决气源不匹配而带来的互换性问题。美国美国联邦能源监管委员会规定美国天然气的热值标准为：1000Btu/ft 3，即为37.26 MJ/Nm3(18900kcal/Nm3)，随着 LNG 进口量增加，气源越来越复杂，因此，目前也面临气源互换性难题。日本虽然没有全国性的管网，但日本通产省规定各地天然气公司都要遵守46.05MJ/Nm3(11000 kcal/Nm3)的标准热值。韩国燃气公司是单一垄断经营的公司，其设置的天然气热值标准为43.96MJ
21、/Nm3(10500 kcal/Nm3)。比利时投资开发适配能力强的天然气燃烧器，以燃烧器具适应天然气气源组分的变化。荷兰和德国天然气存储设施容量大，通过将不同热值的天然气混配，调制成符合用户需求的混合气体来解决天然气可置换性问题。德国两套管网标准热值为：10.1210.08kwh/Nm 3，即为 36.1836.03MJ/Nm3(86468612kcal/Nm 3)和11.2l11.18kwh/Nm 3，即为 40.0839.97 MJ/Nm3(95799552kcal/Nm 3)。英国 因为拥有大量陈旧的国内设备，在天然气规格标准化的问题上采取了等待和观望的态度，目前推荐天然气热值为 39
22、.8 MJ/Nm3，并以 kwh/Nm3 为计价标准。综观世界先进国家利用天然气的经验和我国天然气利用现状，可以得出一个结论统一天然气热值标准是加强天然气利用规范管理的一个重要环节。我们必须借鉴其他国家的经验，避免重复历史错误。(4)统一天然气热值标准的必要性用一种燃气代替另一种燃气时，必须充分考虑燃气的“ 互换性”和燃具的“适应性”。当供给用户的燃气性质发生改变时，置换气必须对基准气具有“互换性”，否则就不能保证用户使用安全，这就对燃气生产单位(供应单位)提出了严格的要求，限制了燃气性质的任意改变。因此，统一天然气热值标准就显得非常重要。统一天然气热值标准是构建共同管网的需要随着天然气供气管
23、网的延伸、扩大和发展，将由小区联网发展到区域性联网，最终到全国联网、甚至是跨国联网，这是天然气产业发展的必然趋势。这就要求进入管网的各气源必须共同遵守一个热值标准，必须适应网内所有用气设施要求，形成多气源、多产地、多销售商和多用户的质量保证体系。统一天然气热值标准是等热值交易商业行为的需要目前，我国燃气价格标明的都是每一立方米金额，并未考虑热值影响因素，其实这是很不合理的，国际上通行的是热量结算方式。利比亚天然气热值为12375kcal/Nm3，与挪威天然气热值 9000kcal/Nm3 比相差 3375kcal/Nm3；新疆 LNG 气热值 kcal/Nm3，与陕甘宁天然气 8232kcal
24、/Nm3 比相差 1560kcal/Nm3。热值差异太大的天然气不可能是同一个售价，因此，从这方面讲，统一热值标准对商业结算有利。统一天然气热值标准是某些特殊工业用户的需要一些特殊工业制品像电视机显像管及玻璃薄壳管的加工，对温度控制要求精度很高，因此，要求燃气组分和热值相对平稳，只允许天然气热值在100 kcal/Nm3 范围内波动。统一天然气热值标准是燃具生产企业和用户降低成本、提高服务质量的需要同一个天然气热值标准，有利于全国燃气具生产企业的协调统一。单一热值标准的燃气具生产，有助于燃具厂家降低生产成本，有助于降低整个社会的产品维修服务成本，提高经济及社会效益。5 我国统一天然气热值标准的
25、可能措施统一天然气热值标准的实质在于解决不同气源间的互换性问题，其实施的手段是调配燃气的燃烧特性。因为天然气热值与华白指数关系的单一性，因而实际表现为调整天然气热值。(1)升高热值法在天然气中添加高热值气体，如液化石油气、轻烃气体等，使其达到所需要的热值。日本就是采用此方法，在天然气中添加液化石油气，使其热值达到l1000 kcal/Nm3，达到热值一致的目的。(2)降低热值法掺混无热(低热)气体：在天然气中加入低热值的氮气、空气或其它低热值燃气，使天然气热值降低以达到我们所设定的目标值。轻烃分离：将天然气中热值相对较高的乙烷和丙烷等重质组分分离出来，提高甲烷含量，使热值降至目标值。(3)天然
26、气混和法按照设定的热值目标值，将不同热值、不同来源的天然气或其它燃气按相应的比例混合，使其满足要求。像荷兰和德国，就是利用其庞大的天然气储存运输设施，采用此种方式实现热值稳定，解决天然气的互换性问题。(4)降低热值的典型例子广东大鹏 LNG 热值调配构思广东大鹏 LNG 热值调配的构思见图 4。工艺流程简单描述：大鹏 LNG 主要从澳大利亚进口，其组份含量有相当数量的重烃C2、C 3、C 4、C 5，可以提取作为化工原料，降低热值至 8800kcal/Nm3 左右，然后再混入空气调配热值至 8500 kcal/Nm3，如若不提取重烃，也可以直接混入空气调配热值至 8500 kcal/Nm3 进
27、行操作，将来可与在珠海横琴岛登陆，热值 8500kcal/Nm3 左右的管道天然气联网操作。港华 LNG 小区气化模式操作工艺简单描述：浙江桐乡港华 LNG 小区气化站目前采用新疆广汇 LNG 作为主气源，设有CNG 三级调压应急备用气源，并用混空气的办法，将 9792kcal/Nm3热值的 LNG 调配至 8500 kcal/Nm3 热值的混合气体供应用户，便于将来与西气东输的天然气联网操作。海口-文昌-琼海-万宁混和热值操作海南福山气田天然气与东方 1-1 气田天然气混和热值流程见图 7。(5)中等热值兼顾未来我国目前已投产或即将建成投产的管输天然气项目，热值( 低位)基本上在8500kc
28、al/Nm3 左右，按“国标”城市燃气分类(GB/T13611-92)，其燃烧特性属 12T 类别；而一些尚未投产的 LNG 项目，热值较高，9500kcal/Nm 3 左右，部分已接近或达到 13T 类别；再考虑到全国极具开发价值、资源丰厚的煤层气，热值在 8500kcal/Nm3 以下。因此，极有可能出台的天然气热值标准只能是“立足现有(管输项目) ，兼顾未来(LNG 和煤层气项目)，取中(中等热值)舍尾”。故此，对于高热值的 LNG，适应 “国标”热值标准的可能措施为降低热值法，而对于热值偏低的煤层气，可能的措施则为升高热值法或与高热值气体混配。此外，研究开发对气源变化适配能力强的新型燃
29、烧器具，也是一项行之有效的措施。6 建议天然气利用初期，气源单一、管网简单，燃气互换性问题不突出，人们往往未过多考虑统一热值标准问题，而只是一味想到尽快把天然气接通。随着天然气事业的飞速发展，气源需求量猛增，来源多、组分复杂，很多的设施已建成投产，回过头来再研究遇到的互换问题，未免显得被动而无奈，造成资源的浪费和经济效益的影响。反思国外一些国家天然气利用过程中的遇到的互换性难题，建议政府有关部门、有关业主、供气单位等，认真吸取国际上天然气利用的先进经验，为有利于我国建立一个现代化的天然气工业系统性工程，对天然气商务人员、技术人员的培训，以及燃气设备、技术的开发和应用，尽快研究制定适合我国国情的天然气质量标准或条例，提前做好统一热值标准工作，使天然气利用工作赶上时代发展的步伐，迎接中国天然气春天的到来。
