ISO/TR22302《天然氣-甲烷值計(jì)算》的解讀①

唐蒙蔡黎

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)量控制能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

ISO/TR22302《天然氣-甲烷值計(jì)算》的解讀①

唐蒙1,2蔡黎1,2

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)量控制能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要介紹了ISO/TR 22302：2014的主要內(nèi)容，包括甲烷值的定義，美國(guó)氣體研究院的兩種甲烷值計(jì)算方法，給出了方法的限定范圍，給出了36個(gè)歐洲、30個(gè)中國(guó)和泰國(guó)的天然氣組成計(jì)算的甲烷值。討論了同一天然氣組成采用美國(guó)氣體研究院兩種方法計(jì)算甲烷值時(shí)，如果甲烷值之間的差值超過6個(gè)點(diǎn)，那么應(yīng)該是該天然氣的組成不符合計(jì)算方法的限定范圍。ISO/TR 22302：2014為甲烷值的應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞天然氣甲烷值組成計(jì)算方法

2014年6月，ISO發(fā)布了ISO/TR 22302：2014《天然氣-甲烷值計(jì)算》技術(shù)報(bào)告。此項(xiàng)技術(shù)報(bào)告是ISO/TC 193天然氣技術(shù)委員會(huì)WG6工作組起草的，該工作組是中國(guó)專家擔(dān)任工作組召集人。這是在天然氣領(lǐng)域，由中國(guó)專家擔(dān)任工作組召集人而完成的首個(gè)ISO技術(shù)報(bào)告。以下就技術(shù)報(bào)告的背景和主要內(nèi)容進(jìn)行解讀和說明。

1技術(shù)報(bào)告的背景

2003年，在ISO/TC 193召開的年會(huì)期間，中國(guó)代表團(tuán)接受了承擔(dān)TC 193甲烷值工作組召集人的工作。中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院主導(dǎo)編寫的《天然氣-甲烷值計(jì)算》國(guó)際技術(shù)報(bào)告由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在瑞士日內(nèi)瓦正式發(fā)布。這是我國(guó)在天然氣標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域主導(dǎo)編寫的首份國(guó)際技術(shù)報(bào)告。

此項(xiàng)技術(shù)報(bào)告之所以耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，分歧主要為,目前在歐洲主要采用奧地利AVL公司提出的計(jì)算方法，但AVL只提供商用軟件，不公開其計(jì)算模型。在北美主要采用美國(guó)氣體研究院(GRI)提出的計(jì)算方法。在編制過程中，起草組在缺少AVL方法的情況下，只能根據(jù)歐洲、中國(guó)和泰國(guó)提供的天然氣組成數(shù)據(jù)，采用GRI的兩種方法計(jì)算了甲烷值及其差值，并指出計(jì)算方法的限定范圍。

2技術(shù)報(bào)告的主要內(nèi)容

2.1范圍

ISO/TR 22302：2014規(guī)定了已知?dú)怏w摩爾組成的干天然氣的甲烷值(MN，methane number)的計(jì)算方法。

美國(guó)氣體研究院(GRI)方法用來計(jì)算氣體的甲烷值(MN)和馬達(dá)法辛烷值(MON，motor octane number)，線性關(guān)系適用于甲烷含量高的天然氣抗爆性的比較和測(cè)量。

2.2定義

甲烷值(MN)：衡量氣體燃料抗爆性的指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的爆震試驗(yàn)條件下，具有相同的爆震趨勢(shì)的氣體燃料具有相同的爆震指標(biāo)。規(guī)定純甲烷作為抗爆性標(biāo)準(zhǔn)燃料，純甲烷的甲烷值為100，而純氫氣作為不抗爆性標(biāo)準(zhǔn)燃料，純氫氣的甲烷值為0。

馬達(dá)法辛烷值(MON)：對(duì)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的抗爆值是用ASTM D 2700-2007《火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的馬達(dá)法辛烷值的試驗(yàn)方法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，在規(guī)定條件下的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，將該燃料與標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物的爆震傾向進(jìn)行比較而測(cè)定的。

2.3GRI 方法

GRI采用ASTM D 2700-2007規(guī)定的辛烷值評(píng)定方法計(jì)算天然氣燃料的馬達(dá)法辛烷值(MON)。以下推導(dǎo)了兩個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式來計(jì)算MON。

2.3.1天然氣組成與辛烷值的線性關(guān)聯(lián)式

使用天然氣組成計(jì)算MON的公式如下：

MON=137.78x1+29.948x2-18.193x3-

167.062x4+181.233x5+26.994x6

(1)

式中,xi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)。

各組分的代號(hào)和名稱見表1。

表1 MON計(jì)算公式各組分的代號(hào)和名稱Table1 SymbolsofdifferentcomponentsintheMONcalculationformula組分代號(hào)123456組分名稱甲烷乙烷丙烷丁烷二氧化碳氮?dú)?/p>

2.3.2天然氣氫碳比與辛烷值關(guān)聯(lián)式

使用氫碳比計(jì)算MON的公式如下：

MON=-406.14+508.04R-173.55R2+

20.17R3

(2)

式中,R為氣體燃料氫原子與碳原子數(shù)目的比值。

2.3.3天然氣甲烷值與辛烷值的關(guān)聯(lián)式

使用MON計(jì)算MN，以及使用MN計(jì)算MON的公式如下：

MN=1.445MON-103.42

(3)

MON=0.679MN+72.3

(4)

式(3)和式(4)不是完全線性的，因此這兩個(gè)關(guān)聯(lián)式相互間并不是完全可逆的。

2.4AVL方法

目前,奧地利AVL公司還開發(fā)了一種計(jì)算甲烷值的方法[1]。雖然,AVL方法在歐洲得到廣泛的應(yīng)用，但由于涉及到AVL公司的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，AVL只提供商業(yè)軟件，而不公開其計(jì)算公式。因此，在ISO技術(shù)報(bào)告中就不能提供AVL方法計(jì)算的甲烷值。

2.5結(jié)果表達(dá)

如果已知?dú)怏w燃料的摩爾組成，則可計(jì)算甲烷值。因?yàn)橛袃蓚€(gè)不同方程計(jì)算辛烷值,所以氣體有兩個(gè)甲烷值，在計(jì)算報(bào)告中應(yīng)報(bào)出兩個(gè)結(jié)果。對(duì)同一個(gè)天然氣組成，分別用組成法和氫碳比法計(jì)算其甲烷值，如果兩個(gè)結(jié)果相差超過10個(gè)點(diǎn)，則應(yīng)考慮兩種計(jì)算甲烷值方法是可疑的。

根據(jù) Jacob Klimstra的報(bào)道，大多數(shù)歐洲天然氣的甲烷值為65～100[2]。 在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中, 如果甲烷值減少約10個(gè)點(diǎn)，抗爆性的壓縮比將隨之減少1個(gè)點(diǎn)。因此，如果兩種天然氣的甲烷值差值超過了10個(gè)點(diǎn)，就應(yīng)該考慮這兩種天然氣是否可以互換[3]。

2.6ISO/TR 22302附錄信息解讀

在ISO/TR 22302：2014的附錄A中，給出了包括純甲烷在內(nèi)的多個(gè)樣品的組成數(shù)據(jù)和使用組成數(shù)據(jù)計(jì)算的氫碳比值(見表2)。表2給出了GRI 用于辛烷值評(píng)定試驗(yàn)的氣體燃料源組成數(shù)據(jù)。表3是使用GRI法計(jì)算MON時(shí)，其適用的各組分濃度限值。在此限值內(nèi)，可使用GRI給出的兩種方法進(jìn)行天然氣甲烷值的計(jì)算。

表2 GRI用于辛烷值評(píng)定試驗(yàn)的氣體燃料源組成數(shù)據(jù)Table2 Compositions(molarfraction)ofdifferentfuelsusedinGRImethod混合物y/%甲烷乙烷丙烷丁烷CO2氮?dú)鈿?碳比值1100.04.00295.03.00.50.50.20.83.89390.16.00.70.80.71.73.82485.06.53.01.01.03.53.72588.37.81.20.31.80.63.80684.28.53.71.02.53.72784.28.63.71.02.53.72882.114.01.20.72.03.71975.025.03.331082.517.53.481188.911.13.641292.53.51.00.51.01.53.87

表3 GRI用于辛烷值試驗(yàn)的每個(gè)組分的摩爾分?jǐn)?shù)限定值Table3 MolarfractionlimitsofdifferentcomponentsinGRImethod(y/%)組分限定值組分限定值甲烷≥75丁烷及更重組分≤1.0乙烷≤14氮?dú)狻?.5丙烷≤25CO2≤1.8

2.7典型氣體組成計(jì)算的甲烷值

ISO/TR 22302：2014的附錄B給出了部分典型天然氣組成進(jìn)行不同指標(biāo)計(jì)算的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)歐洲、中國(guó)和泰國(guó)提供的氣體組成數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了這些氣體由組成法和氫碳比法獲得的甲烷值，計(jì)算了兩種方法之間甲烷值的差值。根據(jù)GB/T 13611-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴酚?jì)算了在101.325 kPa、15 ℃條件下的沃泊指數(shù)，并由此劃分了燃?xì)忸悇e[4]。計(jì)算結(jié)果見表4和表5(丁烷以上組分按丁烷計(jì)，二氧化碳不計(jì)入氫碳比計(jì)算)。沃泊指數(shù)和燃?xì)忸悇e是根據(jù)GB/T 13611-2006計(jì)算獲得的，這些是ISO/TR 22302：2014中沒有給出的數(shù)據(jù)。

由表4和表5中的數(shù)據(jù)可看出，相同氣體用兩種不同方法計(jì)算獲取的甲烷值是存在一定偏差的。同一組分的天然氣采用不同方法計(jì)算的甲烷值差值超過6個(gè)點(diǎn)，則說明計(jì)算法有疑問，可能是組分的含量超出了限定的范圍。表4和表5中甲烷值之間的差值超過6個(gè)點(diǎn)，說明其組分含量超出了限定的范圍。ISO/TR22302：2014對(duì)其原因進(jìn)行了分析，甲烷值差值大于6個(gè)點(diǎn)的原因列于表 6和表7。此外，ISO/TR 22302：2014還列出了計(jì)算各甲烷值的組成數(shù)據(jù)(具體數(shù)據(jù)詳見該技術(shù)報(bào)告)。

表4 36個(gè)歐洲氣體計(jì)算的甲烷值、甲烷值差值、沃泊指數(shù)及燃?xì)忸悇eTable4 Methanenumber,methanenumberdifference,Wobbeindexandfueltypeofgascalculatedfrom36Europeangassamples樣本編號(hào)甲烷值組成法甲烷值氫碳比法甲烷值差值(絕對(duì)值)沃泊指數(shù)/(MJ·m-3)燃?xì)忸悇e184.1885.901.7250.0212T271.4879.397.9147.1812T385.0886.831.7549.3912T478.1074.743.3650.1412T573.2370.043.1950.4212T681.5083.361.8649.3412T766.0566.610.5653.8212T874.7873.291.4952.5212T978.8180.521.7148.6912T1080.5880.010.5751.5312T1170.5684.6014.0443.7510T1291.0392.381.3550.9612T1389.5393.133.6049.6512T1468.2066.771.4353.5312T1567.8366.970.8653.5112T1666.9787.7220.7541.4512T1775.2477.262.0248.7412T1869.8180.5410.7341.6112T1995.0698.573.5150.5612T2092.7396.213.4850.2312T2184.4886.081.6049.3212T2266.6671.865.2049.3812T2374.4171.243.1751.9812T2477.3576.071.2852.3212T2583.1183.400.2951.1612T2675.7874.561.2252.4312T2791.0592.771.7250.8512T2866.0071.325.3249.3612T2980.3496.6216.2842.7610T3072.0783.8811.8144.1612T3174.2672.152.1151.2812T3292.5495.683.1450.2712T3374.9975.900.9149.5012T3418.0453.1535.1145.8712T3540.1459.8919.7543.9010T3621.8454.6732.8343.5910T

表5 30個(gè)中國(guó)和泰國(guó)氣體計(jì)算的甲烷值、甲烷值差值、沃泊指數(shù)及燃?xì)忸悇eTable5 Methanenumber,methanenumberdifference,Wobbeindexandfueltypeofgascalculatedfrom30ChineseandThailandgassamples樣本編號(hào)甲烷值(組成法)甲烷值(氫碳比法)甲烷值差值(絕對(duì)值)沃泊指數(shù)/(MJ·m-3)燃?xì)忸悇e182.0180.711.3051.8512T274.5372.382.1552.5412T378.1675.762.4052.1612T482.0080.891.1151.7512T591.4692.651.1950.0012T693.7395.772.0449.1912T793.8796.032.1649.1012T890.5890.760.1849.7112T993.0796.062.9949.3812T1078.3376.302.0351.8112T1187.2498.7411.5043.2410T1295.4398.673.2450.2812T1372.8875.032.1551.1312T1477.8778.460.5950.3212T1577.3577.810.4651.1312T1652.2073.1120.9141.2510T1781.9380.631.3051.8812T1881.1379.771.3651.9512T1965.1264.480.6452.9512T2045.3455.089.7454.4712T2182.3178.333.9849.2412T2294.3798.013.6450.2012T2394.5797.913.3450.0812T2494.4998.113.6250.1412T2590.8996.475.5849.2712T2692.4696.774.3147.8712T2725.8749.3023.4357.3612T2861.5656.365.2041.6710T2971.6855.3816.3037.65低于10T3065.3252.8412.4837.87低于10T 注:表4、表5中所列沃泊指數(shù)和燃?xì)忸悇e是以說明盡管組成不同,但大部分的天然氣按組分計(jì)算燃?xì)忸悇e,都是在12T的范圍內(nèi),只有少量的在10T的范圍內(nèi)。

3討 論

3.1計(jì)算方法是有限制的

GRI給出的方法有其特定的范圍，其計(jì)算公式是建立在12種混合氣的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)獲得的，見表2。其中，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)不小于75%，氮?dú)?、二氧化碳以及乙烷等烴類摩爾分?jǐn)?shù)均有其限定值(見表3)。

表6 歐洲氣體甲烷值差值大于6的原因Table6 Reasonofmethanenumberdifferencemorethan6calculatedfromEuropeangas樣本編號(hào)甲烷值差值原因27.91y(氮?dú)?=7.19%1114.04y(氮?dú)?=10.8%1620.75y(氮?dú)?=14.351%1810.73y(氮?dú)?=11.001%,y(二氧化碳)=4.184%2916.28y(氮?dú)?=9.58%3011.81y(氮?dú)?=9.85%3435.11y(氧氣)=3.39%,y(氮?dú)?=13.53%,y(丁烷)=10.77%3519.75y(氧氣)=3.39%,y(氮?dú)?=13.77%,y(丙烷)=11.18%3632.83y(氧氣)=2.14%,y(氮?dú)?=16.57%,y(丁烷)8.48%

表7 中國(guó)和泰國(guó)氣體甲烷值差值大于6的原因Table7 Reasonofmethanenumberdifferencemorethan6calculatedfromChineseandThailandgas樣本編號(hào)甲烷值差值原因1111.50y(氮?dú)?=6.39%,y(二氧化碳)=3.71%1620.91y(氮?dú)?=17.24%209.74y(丁烷)=6.45%2723.43y(丁烷)=6.966%2916.30y(二氧化碳)=22.34%3012.48y(二氧化碳)=23.46%

3.2GRI給出的兩種計(jì)算方法是一致的

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中, 如果甲烷值減少約10個(gè)點(diǎn)，抗爆性的壓縮比將隨之減少1個(gè)點(diǎn)。因此，兩種計(jì)算方法計(jì)算的甲烷值若相差不大于6個(gè)點(diǎn)，就可認(rèn)為這兩種方法是一致的。

歐洲的天然氣計(jì)算的甲烷值差值超過6個(gè)點(diǎn)的有9個(gè)，全部是氮?dú)獾暮砍^了限定值。其中，有一個(gè)是二氧化碳含量同時(shí)超過限定值，有3個(gè)是摻混了調(diào)峰用的液化石油氣，其特征就是含有較高的丙烷和/或丁烷，同時(shí)還混有接近20%的空氣(氮?dú)夂脱鯕?。

中國(guó)和泰國(guó)的天然氣計(jì)算的甲烷值差值超過6個(gè)點(diǎn)的有6個(gè)。其中，有兩個(gè)是二氧化碳含量超過1.8%、一個(gè)是氮?dú)獾暮看笥?.5%、一個(gè)是氮?dú)夂投趸己客瑫r(shí)超過限定值、還有兩個(gè)是丁烷及更重組分的含量超過限定值。

3.3甲烷值的應(yīng)用

甲烷值是天然氣作為汽車燃料時(shí)表征其抗爆性的一項(xiàng)指標(biāo)，它是與汽油辛烷值相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)。甲烷值對(duì)以天然氣為燃料的汽車而言并不敏感，如果甲烷值減少約10個(gè)點(diǎn)，抗爆性的壓縮比將隨之減少1個(gè)點(diǎn)。因此，對(duì)于以天然氣為燃料的汽車，其甲烷值的大小就不像汽油那樣分成若干個(gè)牌號(hào)。這也是甲烷值只采用計(jì)算法而未開發(fā)出類似汽油那樣的辛烷值測(cè)定方法的原因所在。

一般情況下，天然氣作為汽車燃料時(shí)，其甲烷值是穩(wěn)定的。當(dāng)采用液化石油氣和空氣作為調(diào)峰氣時(shí)，可能會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。當(dāng)氣體中含有較多氮?dú)夂投趸紩r(shí)，這主要是氣源引起的，這類氣體如果是區(qū)域性的供給，應(yīng)提醒汽車的制造商和使用此類天然氣的汽車用戶注意。對(duì)于絕大部分天然氣而言，兩種甲烷值計(jì)算法產(chǎn)生的差異不影響車用天然氣抗爆性。當(dāng)采用GRI兩種方法計(jì)算的甲烷值差值大于6個(gè)點(diǎn)時(shí)，則意味著天然氣的組成超過了其限定的范圍。這種情況通常只是在極端條件下才會(huì)出現(xiàn)。這些極端條件主要指天然氣中高含二氧化碳、高含氮?dú)饣蚧烊胝{(diào)峰用的液化石油氣等情況。這時(shí)對(duì)汽車性能可能產(chǎn)生一定的影響，其影響的利弊目前還不清楚，在此只是提醒使用者，甲烷值也是影響因素之一。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳賡良. 芻議GB 18047的修訂(二)——兼論對(duì)新版ISO 15403的認(rèn)識(shí)[J]. 石油與天然氣化工, 2012, 41(6): 600-604.

[2] JACOB K, VITTORIO Q. Classification methods for the knock resistance of gaseous fuels-an attempt towards unification[C]. ASTM ICE Fall Conference in Ann Arber, Michigan, 11，1999： 16-20.

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[4] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)． GB/T 13611-2006城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦?[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

A brief understanding on the ISO/TR 22302 Natural Gas-calculation of Methane Number

Tang Meng1,2, Cai Li1,2

(1.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany,Chengdu610213,China)

(2.KeyLaboratoryofNaturalGasQualityandEnergyMeasurement,CNPC,Chengdu610213,China)

Abstract:This article introduced the main contents of ISO/TR 22302:2014, including the definition of methane number, two calculation methods of methane number developed by Gas Research Institute (GRI), listed the limitation of two methods and calculated the methane numbers of 36 gas mixtures from European and 30 gas mixtures from China and Thailand. It discussed that if the difference between two GRI methods is more than 6, the composition of natural gas should not be in accordance with the limitation of the calculation method. ISO/TR 22302:2014 gives the technical supports for application of methane number.

Key words:natural gas， methane number， composition， calculation method

收稿日期：2015-01-23；修回日期：2015-04-15；編輯：鐘國(guó)利

中圖分類號(hào)：TE642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.04.020

作者簡(jiǎn)介:①唐蒙(1962-),高工,1983年華東石油學(xué)院畢業(yè),現(xiàn)就職于中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院。一直從事天然氣分析測(cè)試方法研究、標(biāo)準(zhǔn)化及相關(guān)管理工作。作為主要起草人,編寫了GB17820、GB13610等多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),研制了多種天然氣分析用國(guó)家一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。E-mail:tangm@petrochina.com.cn