多氣源混輸條件下天然氣互換性問(wèn)題分析
——以浙江省天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)為例①

劉 武 紀(jì)國(guó)文 季壽宏 何春龍

(1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2.浙江浙能天然氣運(yùn)行有限公司)

1 浙江省多氣源供氣現(xiàn)狀

2013年，浙江省天然氣利用量達(dá)55.5×108m3/a，預(yù)計(jì)到2015年，天然氣引入總量將達(dá)98×108m3/a。“十二五”期間，浙江省將基本完成全省天然氣主干管網(wǎng)的建設(shè)，建成的主干管網(wǎng)達(dá)1 400 km，省級(jí)主干管線成環(huán)，各氣源聯(lián)合供氣，互為補(bǔ)充，將形成“多氣源、一環(huán)網(wǎng)”的基本架構(gòu)，即一個(gè)覆蓋全省的環(huán)形管道網(wǎng)絡(luò)銜接不同產(chǎn)區(qū)的多種氣源。目前浙江省現(xiàn)有5種氣源分別為：西氣東輸一線、東海春曉、川氣東送、西氣東輸二線、寧波進(jìn)口LNG，多氣源接入同一管網(wǎng)的混輸格局逐步形成，遠(yuǎn)期還會(huì)有東海麗水氣和新疆煤制氣資源?！笆濉逼陂g及遠(yuǎn)期浙江省天然氣引進(jìn)及主干管網(wǎng)規(guī)劃如圖1所示[1]。

2 多氣源混輸條件下天然氣互換性分析

美國(guó)國(guó)家天然氣委員會(huì)(NGC)對(duì)燃?xì)狻翱苫Q性”的定義是[2-3]：在不明顯改變運(yùn)行安全、效率和性能，或者不會(huì)明顯增加空氣污染物排放量的情況下，在燃燒設(shè)施中采用一種燃?xì)馓娲硗庖环N燃?xì)獾哪芰?。天然氣供?yīng)多元化提高了天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全性，由于天然氣產(chǎn)地及生產(chǎn)工藝的不同，不同氣源的組分及燃燒特性差異較大，進(jìn)入一個(gè)管網(wǎng)時(shí)將產(chǎn)生天然氣互換性問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外天然氣互換性判定方法主要分為指數(shù)判定法和圖形判定法兩大類。指數(shù)判定法主要包括華白指數(shù)法、美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)A.G.A法、韋弗指數(shù)法；圖形判定法主要有德?tīng)柌挤ê腿紵匦耘卸ǚ╗4-5]。結(jié)合浙江省天然氣的氣源情況，利用華白數(shù)和A.G.A兩種方法進(jìn)行浙江省天然氣互換性分析。浙江省現(xiàn)有五大氣源天然氣氣質(zhì)組成及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 浙江省各氣源天然氣氣質(zhì)組成及相關(guān)參數(shù)

2.1 華白數(shù)法

天然氣互換時(shí)如果華白數(shù)保持恒定，則燃燒器熱負(fù)荷和一次空氣系數(shù)就基本穩(wěn)定。世界各國(guó)規(guī)定的華白數(shù)允許范圍各有不同。我國(guó)在GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，要保證兩種燃?xì)獾幕Q性，兩者間的華白指數(shù)允許偏差范圍要控制在5%以內(nèi)[4-5]。其計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中，H0為天然氣的高位發(fā)熱量，MJ/m3；d為天然氣的相對(duì)密度。

以浙江省最先引入的主力氣源西氣東輸一線氣作為基準(zhǔn)氣，當(dāng)西氣東輸二線、東海春曉、川氣東送、寧波LNG與基準(zhǔn)氣互換時(shí)，其華白數(shù)分別為51.27 MJ/m3、51.10 MJ/m3、51.11 MJ/m3、50.08 MJ/m3和51.44 MJ/m3，置換氣源華白數(shù)與基準(zhǔn)氣相比，波動(dòng)范圍分別為-0.33%、-0.31%、-2.32%和0.34%，這表明將西氣東輸一線氣作為基準(zhǔn)氣時(shí)，其他4類氣源的天然氣均與其具備較好的互換性。

2.2 A.G.A法

A.G.A法中主要以離焰指數(shù)(IL)、回火指數(shù)(IF)和黃焰指數(shù)(IY)3個(gè)指數(shù)作為判斷燃燒穩(wěn)定性的準(zhǔn)則[5]，采用A.G.A法進(jìn)行互換性計(jì)算時(shí)仍然選取西氣東輸一線氣作為基準(zhǔn)氣。各指數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。A.G.A法中規(guī)定的各種天然氣互換極限見(jiàn)表2。如果3項(xiàng)指數(shù)均在規(guī)定的范圍內(nèi)，則置換氣可與基準(zhǔn)氣互換[6]。計(jì)算結(jié)果和互換性判定見(jiàn)表3。

表2 A.G.A法對(duì)于各種天然氣的互換極限

表3 A.G.A法計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可以看出，選取西氣東輸一線氣作為基準(zhǔn)氣時(shí)，西氣東輸二線、東海春曉、川氣東送三大管道氣均能夠與基準(zhǔn)氣進(jìn)行互換。由于寧波LNG氣源為卡塔爾，氣質(zhì)組分屬于貧氣，其與西氣東輸一線氣的互換性也在可接受范圍之內(nèi)。

3 多氣源混輸格局下浙江省天然氣管網(wǎng)供氣解決方案

遠(yuǎn)期新疆煤制氣引入后，浙江省天然氣發(fā)熱量波動(dòng)范圍可能變大，我國(guó)GB 17820-2012《天然氣》中已經(jīng)將一類氣體的高位發(fā)熱量由31.4 MJ/m3提高到了36 MJ/m3[7]，在后續(xù)氣源引入時(shí)必須控制引入氣質(zhì)的發(fā)熱量達(dá)到新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。借鑒國(guó)外解決多氣源互換性問(wèn)題的相關(guān)做法，根據(jù)浙江省現(xiàn)有氣源和管網(wǎng)分布狀況，可以采取下面幾種解決方案。

3.1 天然氣分區(qū)域、分用戶使用方案

根據(jù)浙江省天然氣主干管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，幾大氣源都進(jìn)入省級(jí)主干管網(wǎng)，但從布局上來(lái)看，各個(gè)氣源接收站布局、管網(wǎng)壓力級(jí)制、走向具有相對(duì)獨(dú)立性，如西氣東輸一線在長(zhǎng)興站交付壓力為4.0～4.8 MPa，寧波LNG春曉站氣源壓力為4.5～6.8 MPa。在目前的情況下，在一定區(qū)域內(nèi)使用固定氣源的天然氣，并且對(duì)天然氣數(shù)量、質(zhì)量要求都較高的用戶進(jìn)行單獨(dú)供氣可以減輕天然氣質(zhì)量波動(dòng)所帶來(lái)的影響[8]。隨著浙江省天然氣市場(chǎng)的迅速發(fā)展，多氣源格局呈現(xiàn)加強(qiáng)趨勢(shì)，實(shí)施該方案時(shí)需要提前進(jìn)行相應(yīng)的管網(wǎng)供氣規(guī)劃。

3.2 發(fā)熱量調(diào)整方案

浙江省在“十二五”末期計(jì)劃引入的氣源包括了新疆煤制氣，中發(fā)熱量煤制氣的發(fā)熱量?jī)H為14.7 MJ/m3。煤制氣增熱主要采用甲烷化技術(shù)，將煤制氣中的CO和H2兩種組分在催化劑的作用下合成以CH4為主的高發(fā)熱量氣體，甲烷化后的氣體發(fā)熱量可以達(dá)到33.6～37.8 MJ/m3。煤制氣高溫甲烷化工藝流程如圖2所示[9]，反應(yīng)器a、b、c出口的CH4的最終體積分?jǐn)?shù)分別為57%、80%、94%，經(jīng)過(guò)冷凝和壓縮可以并入天然氣管網(wǎng)進(jìn)行供氣。國(guó)際上將煤制氣增熱后的高發(fā)熱量煤氣稱為代用天然氣(SNG)，其發(fā)熱量與常規(guī)天然氣相當(dāng)，理化性質(zhì)相似，二者可以混輸供氣。

3.3 對(duì)天然氣利用設(shè)備進(jìn)行改造方案

一般的民用天然氣利用設(shè)備對(duì)于天然氣質(zhì)量要求相對(duì)較低，在天然氣質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)可以調(diào)整風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)整一次空氣量?jī)?yōu)化燃燒狀態(tài)。對(duì)于動(dòng)力、發(fā)電、化工等對(duì)天然氣有特殊要求的用戶應(yīng)嚴(yán)格按照用戶用氣裝置的要求進(jìn)行供氣，達(dá)不到要求時(shí)用戶應(yīng)在裝置前采取氣體處理措施使天然氣滿足設(shè)備要求[10]。

3.4 多氣源調(diào)配方案

多氣源調(diào)配的原理是按照設(shè)定的發(fā)熱量目標(biāo)值，將不同來(lái)源、不同發(fā)熱量的天然氣按相應(yīng)的比例混合最終達(dá)到使用要求。該方案實(shí)施的前提是不同氣源的流量需要保持相對(duì)穩(wěn)定，否則將導(dǎo)致管網(wǎng)氣體發(fā)熱量波動(dòng)[8]。從浙江省現(xiàn)有天然氣管道走向和管網(wǎng)壓力級(jí)制來(lái)看，五大主力氣源大致位于浙江省東南西北的4個(gè)對(duì)角處，各省級(jí)主干管線運(yùn)行壓力也存在差異，如杭嘉線運(yùn)行壓力為4.2～4.8 MPa，杭甬線運(yùn)行壓力在3.8～5.8 MPa之間，各氣源統(tǒng)一調(diào)度進(jìn)行調(diào)配的難度較大。

目前，寧波LNG與東海春曉氣采用了直接混合后統(tǒng)一輸往沿線電廠、煉化廠的工藝流程，東海氣輸量約為150×104m3/d，LNG氣量依據(jù)其他氣源而定，實(shí)際氣化范圍為25×104～1 000×104m3/d。利用HYSYS軟件模擬了不同LNG氣量與東海氣調(diào)配后的發(fā)熱量，混合氣體發(fā)熱量最大波動(dòng)比例為1.31%，模擬結(jié)果見(jiàn)表4。在現(xiàn)場(chǎng)摻混供氣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，LNG流量波動(dòng)較大時(shí)，沿線電廠用戶易受到一定的影響。目前，鎮(zhèn)海電廠要求供氣發(fā)熱量范圍為37.5～41.29 MJ/m3，當(dāng)高位發(fā)熱量波動(dòng)范圍大于2%時(shí)，即應(yīng)采取相應(yīng)的調(diào)度措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表4 混合氣體的發(fā)熱量

4 結(jié) 論

(1) 天然氣分區(qū)域、分用戶使用方案在浙江省具有一定的可行性。該方案改造成本較低，能較好地解決多氣源混輸問(wèn)題。

(2) 天然氣發(fā)熱量標(biāo)準(zhǔn)化是解決多氣源混輸問(wèn)題的理想措施。目前，浙江省大型儲(chǔ)氣設(shè)施較少，氣源種類繁多，相關(guān)的政策法規(guī)還不健全，實(shí)施難度較大。遠(yuǎn)期引入新疆煤制氣時(shí)，可以采取甲烷化工藝措施將煤制氣發(fā)熱量限定在一定范圍內(nèi)，從而保證煤制氣與現(xiàn)有氣源的互換性。

(3) 目前，我國(guó)天然氣互換性研究直接采用了國(guó)外的判別方法，這些方法都是各國(guó)根據(jù)本國(guó)的氣源狀況通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究建立起來(lái)的，我國(guó)應(yīng)根據(jù)自己的氣源現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的互換性判別方法。

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