淺談管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)的制定＊

朱華東 羅 勤 遲永杰唐 蒙 陳正華 周 理

（1．中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院）

（2．中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的《煤層氣（煤礦瓦斯）開(kāi)發(fā)利用 “十二五”規(guī)劃》，2015年煤層氣產(chǎn)量達(dá)到160×108m3，新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量1 000×109m3，建成山西沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地［1－2］。另外，加快管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣及豫北地區(qū)建設(shè)13條輸氣管道，總長(zhǎng)度2 054 k m。

2009年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司率先在山西沁水將地面開(kāi)采的煤層氣送入西氣東輸主干線，年產(chǎn)6×108m3［3－4］，實(shí)現(xiàn)煤層氣與天然氣共輸共用。隨著我國(guó)煤層氣工業(yè)的發(fā)展，大部分的煤層氣將通過(guò)輸氣管線進(jìn)行輸送。為確保煤層氣安全生產(chǎn)、集輸及計(jì)量貿(mào)易交接，保證長(zhǎng)輸管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行及煤層氣用戶的利益，有必要制定管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)。

1 煤層氣標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國(guó)外在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域有一些技術(shù)要求或環(huán)保法律法規(guī)，但尚未見(jiàn)到針對(duì)煤層氣制定的管輸煤層氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，一般是將煤層氣處理，使其符合天然氣標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)天然氣管道輸送。

我國(guó)頒布的GB／T 26127－2010《車(chē)用壓縮煤層氣》和GB 26569－2011《民用煤層氣（煤礦瓦斯）》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容均包含：范圍，規(guī)范性引用文件，術(shù)語(yǔ)和定義，質(zhì)量要求，試驗(yàn)方法，標(biāo)識(shí)、輸送和使用。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煤層氣的發(fā)熱量、H2S含量、總硫含量和水含量等進(jìn)行了規(guī)定和限制。其中，GB／T 26127－2010為推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍為壓力不大于20 MPa的作為車(chē)用燃料的壓縮煤層氣，不包括煤礦瓦斯，在其術(shù)語(yǔ)和定義中指定了煤層氣為賦存在煤層及圍巖中以CH4為主要成分的天然氣體，并說(shuō)明在該標(biāo)準(zhǔn)中特指在開(kāi)采過(guò)程中從圍巖及煤層中涌入鉆井的以CH4為主要成分的天然氣。而GB 26569－2011為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍為民用的煤層氣（煤礦瓦斯），涵蓋了煤層氣和煤礦瓦斯。因此，在其術(shù)語(yǔ)和定義中分別說(shuō)明了煤層氣和煤礦瓦斯的概念，煤層氣的定義與GB／T 26127－2010中一致，煤礦瓦斯則指煤炭開(kāi)采過(guò)程中從煤層及圍巖中涌入采掘空間或管路內(nèi)的天然氣體。

比較分析兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)（見(jiàn)表1）可知，從CH4含量及發(fā)熱量技術(shù)指標(biāo)看，GB／T 26127－2010規(guī)定的車(chē)用壓縮煤層氣符合GB 26569－2011規(guī)定的民用煤層氣（煤礦瓦斯）的一類(lèi)和二類(lèi)氣要求，不同的是GB 26569－2011包含CH4含量較低的煤礦瓦斯，即三類(lèi)和四類(lèi)氣，且對(duì)H2S及總硫含量要求更為嚴(yán)格。值得注意的是，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中均未將CO2和O2含量作為限制性指標(biāo)。

管輸煤層氣通過(guò)天然氣管網(wǎng)輸送，其氣質(zhì)應(yīng)符合GB 17820－2012《天然氣》，其技術(shù)指標(biāo)列于表2。煤層氣在經(jīng)濟(jì)利益、安全衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)3方面均應(yīng)符合管輸天然氣的相關(guān)要求，對(duì)比煤層氣的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)及 GB 17820－2012，發(fā)現(xiàn) GB／T 26127－2010的高位發(fā)熱量指標(biāo)符合GB 17820－2012，符合GB／T 26127－2010的煤層氣適合通過(guò)天然氣管網(wǎng)輸送。因此，“管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)”的制定主要依據(jù)GB 17820－2012和 GB／T 26127－2010。

表1 GB／T 26127－2010與GB 26569－2011技術(shù)指標(biāo)對(duì)照Table 1 Comparisons of technical indexes of GB／T 26127－2010 and GB 26569－2011

表2 GB 17820－2012的主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of GB 17820－2012

2 我國(guó)煤層氣氣質(zhì)現(xiàn)狀

煤層氣主要由CH4構(gòu)成，次要組分為其他烴類(lèi)（C＋2）、N2和CO2，微量組分有Ar、H2、H2S、SO2、CO 等［5］。D．D．Rice［6］認(rèn)為世界各地煤層氣的組分差異很大，CH4和C＋2組分通常是煤層氣的主要組分，并含少量 N2和CO2。張新民［1，7］等曾對(duì)中國(guó)不同地質(zhì)時(shí)代和不同煤級(jí)的358個(gè)井田或礦井中的6 000多個(gè)氣樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到中國(guó)煤層氣的組成范圍：主要成分為CH4，含少量C＋2、CO2和N2，CH4摩爾分?jǐn)?shù)一般為83%～99%；C＋2摩爾分?jǐn)?shù)隨煤級(jí)的不同而變化，平均為0．01%～1．3%；CO2摩爾分?jǐn)?shù)一般小于3%；N2摩爾分?jǐn)?shù)一般小于10%。鄭貴強(qiáng)等［8］發(fā)現(xiàn)我國(guó)部分地區(qū)煤層氣中含有微量O2（見(jiàn)表3）。

表3 我國(guó)部分地區(qū)煤層氣氣體組分表Table 3 CBM constituents of some regions in China

表3數(shù)據(jù)表明，我國(guó)煤層氣一般含有CH4、C2H6、CO2、N2、H2S，可能含有 O2。其中主要組分為CH4，一般在83%以上，含少量C2H6、CO2和N2，一般含有微量的H2S，可能含有O2。

3 管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)制定建議

3．1 CH4含量及高位發(fā)熱量

我國(guó)煤層氣中CH4摩爾分?jǐn)?shù)一般在83%以上，只含有少量C2H6，參考GB 17820－2012、Q／SY 30－2002《天然氣長(zhǎng)輸管道氣質(zhì)要求》和GB／T 26127－2010中高位發(fā)熱量指標(biāo)，建議將管輸煤層氣分為兩類(lèi)，其中一類(lèi)氣的高位發(fā)熱量為不小于36．0 MJ／m3，二類(lèi)氣的高位發(fā)熱量為不小于31．4 MJ／m3。由于煤層氣中幾乎不含C2＋，且C2H6含量很少，可將煤層氣的發(fā)熱量近似看成僅有CH4貢獻(xiàn)，根據(jù)GB／T 11062－1998《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》，計(jì)算得到一類(lèi)氣和二類(lèi)氣的對(duì)應(yīng)CH4摩爾分?jǐn)?shù)指標(biāo)分別為不小于95%和不小于83%。另外，考慮到煤層氣中少量的C2H6對(duì)發(fā)熱量的貢獻(xiàn)，CH4值與發(fā)熱量指標(biāo)可能發(fā)生矛盾。因此，應(yīng)注明當(dāng)CH4含量指標(biāo)與發(fā)熱量指標(biāo)發(fā)生矛盾時(shí)，以CH4含量指標(biāo)為分類(lèi)依據(jù)。

3．2 CO2

盡管GB／T 26127－2010和GB 26569－2011均未規(guī)定CO2指標(biāo)，考慮到CO2為溫室氣體，且存在于煤層氣中，建議在管輸煤層氣中限制CO2含量。GB 17820－2012規(guī)定其一類(lèi)氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)不大于2%，二類(lèi)氣不大于3%，我國(guó)煤層氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)很小，一般小于3%。因此，在“管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)”中建議沿用GB 17820－2012的指標(biāo)。

3．3 H2S和總硫

GB 17820－2012規(guī)定其一類(lèi)氣和二類(lèi)氣的H2S質(zhì)量濃度分別不高于6 mg／m3和20 mg／m3，目前掌握的數(shù)據(jù)表明煤層氣中H2S質(zhì)量濃度小，一般小于20 mg／m3。因此，建議在“管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)”中沿用GB 17820－2012指標(biāo)，以滿足當(dāng)前環(huán)境要求?？偭蚝渴荋2S和有機(jī)硫化合物的總稱，分析數(shù)據(jù)表明，我國(guó)煤層氣中硫化物含量很低［8，10］，且?guī)缀醪缓袡C(jī)硫。因此，在制定管輸標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，建議只規(guī)定H2S的含量指標(biāo)，SO2指標(biāo)可不予考慮。

3．4 O2

我國(guó)不同地區(qū)煤層氣含氧量情況相差較大，從目前掌握的數(shù)據(jù)看，煤層氣中O2摩爾分?jǐn)?shù)為0～1．21%。盡管 GB／T 26127－2010和GB 26569－2011未規(guī)定O2指標(biāo)，但是對(duì)于長(zhǎng)輸天然氣管道，從安全或防腐的角度考慮，為避免惡意摻混空氣，應(yīng)嚴(yán)格要求其O2含量，例如：俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 5542－1987《工業(yè)及民用燃料天然氣》規(guī)定O2體積分?jǐn)?shù)不超過(guò)1%，全俄行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ОСТ51．04－1993則規(guī)定在溫暖地區(qū)應(yīng)不超過(guò)0．5%（摩爾分?jǐn)?shù)）；歐洲氣體能量交換合理化協(xié)會(huì)（EASEE－gas）的“公共商務(wù)準(zhǔn)則”（CBP）規(guī)定O2摩爾分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)0．01%；德國(guó)燃?xì)馀c水工業(yè)協(xié)會(huì)DVGW G260：2008規(guī)定濕氣輸氣管道O2體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)0．5%，干氣輸氣管道O2體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)3%；燃?xì)獍踩芾項(xiàng)l例（Gas Safety Management Regulations）GSMR1996規(guī)定O2摩爾分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過(guò)0．2%。結(jié)合我國(guó)煤層氣含氧情況，建議“管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)”要求O2摩爾分?jǐn)?shù)不大于0．2%。

3．5 水露點(diǎn)

只要有游離水的存在，就會(huì)降低輸氣管道的輸送能力并使H2S、CO2對(duì)輸氣管道和其他設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用。從技術(shù)上講，在整個(gè)輸氣的壓力溫度下都不應(yīng)含有液態(tài)的水和烴類(lèi)，從輸氣管道設(shè)計(jì)的要求來(lái)看，同樣如此。國(guó)外一般規(guī)定了一定壓力下的水露點(diǎn)或絕對(duì)水含量，由于在一定輸氣壓力下的水露點(diǎn)與一定條件下的絕對(duì)水含量是相互對(duì)應(yīng)的，所以事實(shí)上只要規(guī)定了水露點(diǎn)，也就是規(guī)定了一定條件下的絕對(duì)水含量。煤層氣要進(jìn)入天然氣管網(wǎng)，必須考慮管網(wǎng)輸送安全，因此“管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)”在水露點(diǎn)指標(biāo)上建議沿用GB 17820－2012要求，即在交接點(diǎn)壓力下，水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃。

3．6 顆粒物

煤層氣來(lái)自于煤層，混雜有一定量的煤粉及其他顆粒物，煤層氣進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)前必須過(guò)濾去除這些顆粒物，以保障天然氣管道和壓縮機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，應(yīng)對(duì)煤層氣中顆粒物含量及粒徑進(jìn)行要求。GB 17820－2012中未規(guī)定商品天然氣中機(jī)械雜質(zhì)的具體指標(biāo)，但在第5章中明確規(guī)定“天然氣中固體顆粒含量應(yīng)不影響天然氣的輸送和利用”，此項(xiàng)規(guī)定與ISO 13686－1998《天然氣質(zhì)量指標(biāo)》和EASEE－gas的CBP以及國(guó)外多數(shù)長(zhǎng)輸管道的規(guī)定是一致的，即對(duì)顆粒物等雜質(zhì)的控制一般只做定性的控制要求。俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GOST 5542－1987《工業(yè)及民用燃料天然氣》規(guī)定固體顆粒物質(zhì)量濃度應(yīng)不大于1 mg／m3。GB 18047－2000《車(chē)用壓縮天然氣》對(duì)固體顆粒的粒徑做出了應(yīng)不大于5 μm的明確規(guī)定。結(jié)合俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，建議“管輸煤層氣標(biāo)準(zhǔn)”要求顆粒物質(zhì)量濃度不大于1 mg／m3，且不能影響天然氣的輸送和利用。

［1］ 王希耘，董秀成，皮光林，等．我國(guó)非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)政策研究［J］．時(shí)代經(jīng)貿(mào)，2013，265（2）：68－69．

［2］ 李晉，于同川，白如霜．國(guó)內(nèi)外煤層氣和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．中國(guó)造船，2012，53（A02）：188－193．

［3］ 付子航．我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題分析［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（10）：114－116．

［4］ 黃格省，于天學(xué)，李雪靜．國(guó)內(nèi)外煤層氣利用現(xiàn)狀及技術(shù)途徑分析［J］．石化技術(shù)與應(yīng)用，2010，28（4）：341－344．

［5］ 蘭鳳娟，秦勇，常會(huì)珍，等．國(guó)內(nèi)外煤層氣中重?zé)N異常分布特征及成因初探［C］／／2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2011．

［6］ Rice D D．Composition and origins of coalbed gas［J］．Hydrocarbons fr o m Coal：AAPG Studies in Geology，1993，38（1）：159－184．

［7］ 張新民，礦床學(xué)，莊軍，等．中國(guó)煤層氣地質(zhì)與資源評(píng)價(jià)［M］．北京：科學(xué)出版社，2002．

［8］ 鄭貴強(qiáng)，王勃，唐書(shū)恒，等．對(duì)制定中國(guó)煤層氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的建議［J］．新能源，2009，29（4）：121－24．

［9］ 肖燕．煤層氣開(kāi)采與集輸工藝研究 ［D］．成都：西南石油大學(xué)，2007．

［10］ 張倩倩，李振林，羅勤，等．我國(guó)天然氣互換性判別軟件的研究及開(kāi)發(fā)［J］．石油與天然氣化工，2013，42（4）：365－368．