LNG和管道燃气互换性.doc

美国国家天然气委员会对于LNG和管道天然气可互换性的研究 2005年3月，美国20多年来首座新建的LNG接收站在墨西哥湾投产。这一年，美国进口LNG折合天然气184.7亿m3，仅占天然气消费总量的2.86，但正在建设和已获批准的11个LNG接收站项目合计进口能力已达到每年2160亿m3天然气，此外还有更多的项目处在计划阶段。根据美国国家石油理事会(NPC)2003年的预测，进口LNG在国内天然气消费总量中所占比例将于2025年提高到14。 气化后的LNG与美国管网天然气相比，组分和热值存在较大差别，主要表现在LNG中含有较高比例的乙烷、丙烷和丁烷组分，基本不含氮气或CO2等惰性气体。在用燃气利用设备转换为使用LNG后，可能存在性能、安全、排放方面的问题。LNG一旦大规模引进。与管道天然气的“可互换性”将成为美国的一个全国性问题。 根据美国联邦能源管理委员会(FERC)的倡议，由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，于2005年2月发布了天然气可互换性及非燃烧应用白皮书。 NGC+对燃气“可互换性”的定义是：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。这一定义与传统定义有所不同，传统定义主要关注燃烧性能是否受到影响。 1 燃气组分变化可能对燃气设备造成的影响 目前在用的燃气燃烧设备大致可以分为两类：传统的燃气燃烧设备采用理想空燃比,通常对燃气组分的变化具有较强的忍耐力；低排放燃烧设备采用了各种精密的控制系统和尾气处理技术(例如“稀薄预混燃烧”技术)，有助于降低排放和提高效率，但对燃气组分变化的敏感程度有所增加。 2 燃气可互换性的衡量指标 燃气可互换性可以通过一系列根据试验结果制定的量化的经验参数衡量。衡量燃气可互换性的指标包括单一指数(华白数)和多重指数两类： (1)华白数；华白数是使用最为广泛的单一指数，用于衡量燃气设备单位时间内的能量输入，计算公式为w=H/S0.5。其中H代表燃气的高热值，S为燃气的相对密度。 (2)多重指数，最常用的包括美国燃气协会36号公告(AGA Bulletin 36)指数和韦弗(Weaver)指数两个系列。AGA指数系列包括脱焰指数、回火指数和黄焰指数；韦弗指数系列包括脱焰指数、回火指数、黄焰指数、热负荷指数和不完全燃烧指数。多重指数主要描述基本的燃烧现象。 华白数是最通用和最有效的衡量指标，但缺乏对燃烧现象的描述；AGA指数和韦弗指数描述了燃烧现象，但它们是基于特定的燃烧器，需要采用每种燃烧器的基准气(燃气设备开发过程中所采用的试验气体)和置换气(实际使用中拟采用的燃气)组分数据进行计算，根据指数是否落在规定区域内判断两种燃气是否可以互换。 两种指数方法配合使用的效果最好，但多重指数法需要对每种燃气设施进行计算和试验，工作量很大。为此，NGC+采用了更为实用的“工作区间”概念(如图1所示)。建立工作区间的基础是找到一个主要参数并确定该参数在最低和最高限时对最终使用效果的影响。华白数是最合理的选择，华白数高限用于解决黄焰、不完全燃烧、N0X和C0排放等燃烧问题，华白数低限用于解决脱焰、吹灭和C0排放等问题。 鉴于各种燃气的组分差别可能很大，仅采用华白数还不能完全解决不完全燃烧问题，特别是对于热值超过40.98MJ/m3的燃气。这可以通过采用一个相对保守的华白数高限、同时规定热值高限的方法来解决。实验表明，通过规定一个热值高限，可以解决自燃(敲缸)、回火、燃烧动态特性问题，同时与华白数相配合，可以解决不完全燃烧和黑烟问题。或者，也可以通过规定特定烃类组分的高限方法(例如丁烷)解决上述问题。 3、 主要研究结论和建议 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，NGC+建议设定一个过渡区间，以收集和分析更的数据，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。最终目标是规定一个气质变化的弹性区间，使最终用气设备能够安全、有效、环保地运行。这一过渡区间大约需要2年3年。 NGC+根据已有的国内天然气气质数据，提出了过渡区间内天然气可互换性限定区间的指导意见。这些历史数据来自GRI于1992年报道的美国26个大城市的天然气组分和特性，NGC+将这些天然气的组分的平均值作为考虑可互换性时的“基准气”，其华白数和热值为50.10MJ/m3，和38.55 MJ/m3。在此础上，NGC发布了过渡区间的燃气可互换性指标； (1)华白数的变化范围是所在区域“当地燃气的历史平均值”或“基准气或目标气”的华白数的正负4%以内。并且： 华白数最高限定值为52.15MJ/m3； 热值最高限定值为40.98 MJ/m3。 (2)其它组分的最高限定值： 丁皖及以上组分：1.5(摩尔百分比)； 惰性气体合计组分：4(摩尔百分比)。 (3)例外情况：如果某些地区在使用华白数、重烃组分和惰性气体组分超过上述限定值的气源方面已有实践经验，并且这些经验是建立在对最终利用设备的试验和监测基础上，则这些地区可以继续使用该等气源,只要最终利用设备不会由此发生安全和利用率方面的问题。 实践表明，在本指导意见所规定华白数4范围和燃气组分限定条件下，燃气的华白数通常高于44.71MJ/ m3。上述热值是指在标准状态下的高热值。 4 对我国的启示 在我国大规模引进LNG后，也会面临着全国性的天然气“可互换性”问题。但不同地区所面临的形势又会有所不同：北京、江苏等地今后将采用LNG和管网气双气源，一个用户如果使用两种气源混合后的天然气，就需要保持稳定的、可接受的可互换性参数指标，情况要复杂得多。 美国当前对燃气可互换性的研究仅仅是开始，还远未结束。我国则需尽快开展这方面的工作。建议由政府部门倡导、支持和资助，相关行业协会牵头，联合石油天然气、城市燃气、