天然氣及類似氣體產(chǎn)品標準水露點指標解讀

曾文平 王偉杰 蒲長勝 廖珈

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油天然氣質(zhì)量控制和能量計量重點實驗室

在天然氣管道輸送過程中，水含量的高低直接反映出水分在管道中的凝析條件，因此它是天然氣加工、輸送工藝設(shè)計中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果天然氣中還含有H2S、CO2等酸性氣體，其水含量的高低將直接影響輸氣管道的腐蝕程度[1]。此外，當天然氣中水含量過高，會造成液態(tài)水在管道中集聚，降低管輸效率，嚴重時會生成水化物而引起管道堵塞。這一點對以壓縮天然氣為燃料的天然氣汽車加氣站尤為重要。因此，規(guī)定水露點指標對天然氣的生產(chǎn)、輸送和使用均具有十分重要的意義。

天然氣及類似氣體的產(chǎn)品標準主要有GB 17820-2018《天然氣》、GB 18047-2017《車用壓縮天然氣》、GB/T 33445-2016《煤制合成天然氣》等[1-3]。另外，我國還有一項針對進入天然氣長輸管道氣體質(zhì)量要求的標準GB/T 37124-2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》[4]。這些標準均對天然氣水露點的指標進行了詳細規(guī)定，由于各標準的技術(shù)要求各異，標準的使用者在評判水露點是否合格時可能存在諸多不同理解，針對GB 17820-2018、GB 18047-2017和GB/T 37124-2018對水露點的技術(shù)要求，詳細解讀了評判水露點是否滿足要求的條件。通過應用實例，分析討論了氣體中液態(tài)水形成的工況條件及現(xiàn)有標準規(guī)定水露點指標的局限性，以期對從事天然氣分析測試和質(zhì)量管理的人員正確理解標準提供參考。

1 產(chǎn)品標準及水露點指標

1.1 產(chǎn)品標準

天然氣及類似氣體主要有常規(guī)天然氣、非常規(guī)天然氣(包括煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣)和煤制合成天然氣等，其產(chǎn)品標準如表1所列，其中，GB 17820是天然氣工業(yè)的核心標準，適用于通過管道輸送的商品天然氣，GB 18047適用于天然氣增壓處理后，作為車用燃料的壓縮天然氣，而GB/T 37124雖然不是產(chǎn)品標準，但該標準規(guī)定了凡進入天然氣長輸管道的氣體需滿足的質(zhì)量要求，這些氣體包括了常規(guī)和非常規(guī)天然氣及煤制合成天然氣。

表1 天然氣及類似氣體產(chǎn)品標準及適用范圍標準號標準名稱適用范圍GB 17820-2018天然氣經(jīng)過處理的、通過管道輸送的商品天然氣GB 18047-2017車用壓縮天然氣壓力不大于25 MPa,作為車用燃料的壓縮天然氣GB 26569-2011民用煤層氣(煤礦瓦斯)經(jīng)過處理的煤層氣產(chǎn)品GB/T 33296-2016頁巖氣技術(shù)要求和試驗方法經(jīng)過處理的頁巖氣產(chǎn)品GB/T 32865-2016致密砂巖氣技術(shù)要求和試驗方法經(jīng)過處理的致密砂巖氣產(chǎn)品GB/T 33445-2016煤制合成天然氣經(jīng)過處理的煤制合成天然氣產(chǎn)品GB/T 37124-2018進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求經(jīng)過處理的、通過天然氣長輸管道進行輸送的常規(guī)天然氣、煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣及煤制合成天然氣

1.2 水露點指標

在各類產(chǎn)品標準中，氣體中的水含量一般采用含量〔摩爾分數(shù)(10-6)或質(zhì)量濃度(mg/m3)〕和水露點兩種方式表示，兩者之間可通過GB/T 22634-2008規(guī)定的關(guān)聯(lián)方程進行換算[5]。表2中列出了天然氣及類似氣體產(chǎn)品標準規(guī)定的水露點或水含量指標。

表2 天然氣及類似氣體產(chǎn)品標準規(guī)定的水露點指標標準號水露點指標備注GB 17820-2018在天然氣交接點的壓力和溫度條件下,天然氣中應不存在液態(tài)水和液態(tài)烴2012版規(guī)定“在交接點壓力下,水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃”GB 18047-2017①在汽車駕駛的特定區(qū)域內(nèi),在壓力不大于25 MPa和環(huán)境溫度不低于-13 ℃的條件下,水的質(zhì)量濃度不大于30 mg/m3;②在汽車駕駛的特定區(qū)域內(nèi),在壓力不大于25 MPa和環(huán)境溫度低于-13 ℃的條件下,水露點應比最低環(huán)境溫度低5 ℃以環(huán)境溫度-13 ℃為界點分成兩種指標要求GB 26569-2011在交接點壓力和溫度條件下,水露點應比最低環(huán)境溫度低5 ℃GB/T 33296-2016在交接點壓力下,水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃①在輸送條件下,當管道管頂埋地溫度為 0 ℃時,水露點應不高于-5 ℃;②進入輸氣管道的頁巖氣,水露點的壓力應是最高輸送壓力GB/T 32865-2016在最高操作壓力下,水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃ ①在輸送條件下,當管道管頂埋地溫度為 0 ℃時,水露點應不高于-5 ℃;②進入天然氣長輸管道的致密砂巖氣,水露點的壓力應是最高輸送壓力GB/T 33445-2016在交接點壓力下,水露點應比輸送條件下最低環(huán)溫度低5 ℃①在輸送條件下,當管道管頂埋地溫度為 0 ℃時,水露點應不高于-5 ℃;②進入輸氣管道的煤制合成天然氣,水露點的壓力應是最高輸送壓力GB/T 37124-2018水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃①在輸送條件下,當管道管頂埋地溫度為 0 ℃時,水露點應不高于-5 ℃;②進入天然氣長輸管道的氣體,水露點的壓力應是進氣處的管道設(shè)計最高輸送壓力

2 水露點指標解讀

表2中規(guī)定的水露點指標大致可分成兩類，一類為定性指標，另一類為定量指標。對于定量指標，由于管輸氣體和車用壓縮天然氣差異較大，因此對兩者分別加以討論。

2.1 GB 17820的定性指標

與GB 17820-2012相比[6]，GB 17820-2018刪除了水露點的具體指標，但在“輸送和使用”一章中，增加了“在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態(tài)水和液態(tài)烴”的表述。與2012版標準相比，2018版標準的定性指標不需要參考環(huán)境溫度，也不需要考慮環(huán)境溫度的變化對水露點指標的影響。該標準強調(diào)在天然氣交接點的壓力和溫度下，無液態(tài)水為基本要求，此規(guī)定需注意兩點：①無論交接點的壓力和溫度如何改變，始終要求無液態(tài)水析出；②包含潛在的含義，即如果在交接點天然氣中水蒸氣已處于接近飽和狀態(tài)時，那么在氣體輸送過程中，當壓力升高或溫度降低時，隨時可能會析出液態(tài)水，將導致天然氣質(zhì)量不能滿足要求。此時，管道運營商需關(guān)注氣體輸送工況條件的變化(如增壓后氣體壓力的升高)，必要時應采取控制措施，以保證氣體輸送過程中沒有液態(tài)水析出。

由于該標準規(guī)定的水露點為定性指標，在實際應用過程中，標準的使用人員可能不會過多關(guān)注對氣體中水含量的檢測，但由于進入天然氣長輸管道的氣體又有水露點具體指標要求。因此，在天然氣凈化處理過程中，生產(chǎn)單位通常也會關(guān)注并測定天然氣中的水露點或水含量，以便氣體在進入天然氣長輸管道前的質(zhì)量滿足標準或購銷合同的技術(shù)要求[7]。

2.2 其他標準的定量指標

2.2.1常規(guī)和非常規(guī)天然氣

常規(guī)和非常規(guī)天然氣規(guī)定的水露點指標總體上按照“在一定壓力下，水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃”的要求進行規(guī)定，此處強調(diào)了一定壓力和最低環(huán)境溫度。對于環(huán)境溫度的要求，每個標準均規(guī)定為“輸送條件下最低環(huán)境溫度”，并對此做了進一步說明：“在輸送條件下，當管道管頂埋地溫度為0 ℃時，水露點應不高于-5 ℃”，即在極端溫度條件下(如北方冬季)，當管道管頂埋地溫度為0 ℃時，氣體的水露點應≤-5 ℃。而對于“一定壓力”的規(guī)定，不同標準規(guī)定略有不同，這也是各標準的使用者容易產(chǎn)生疑問和實際操作過程中存在判斷困難的地方。

GB 26569-2011、GB/T 33296-2016、GB/T 32865-2016和GB/T 33445-2016規(guī)定“水露點的壓力應是最高輸送壓力”，此處給標準使用者帶來疑惑，一方面測定水露點時為工況壓力(如5 MPa)，而判斷水露點是否滿足指標要求時需采用該管道的最高輸送壓力(如10 MPa)，此時需將工況下測定的水露點換算到最高輸送壓力下的水露點后，才能判斷水露點測定結(jié)果是否合格，給現(xiàn)場的操作人員增加了一定難度。另一方面，在換算時由于水露點隨壓力的增加會升高，當工況壓力和最高輸送壓力相差較大時，兩者對水露點指標的要求會相差較大，此時按照最高輸送壓力來規(guī)定水露點指標可能會過于嚴格。此外，GB/T 37124-2018規(guī)定為“壓力應是進氣處的管道設(shè)計最高輸送壓力”，此處測定出工況壓力下的水露點后，也需要進行換算才能判定水露點是否合格，而且檢測人員需要知道管道設(shè)計的最高輸送壓力才能進行換算，也會給標準的使用者增加難度。同樣，由于管道實際運行壓力和設(shè)計最高輸送壓力可能相差較大，致使按照管道設(shè)計的最高輸送壓力來規(guī)定水露點指標也會過于嚴格。

2.2.2車用壓縮天然氣

GB/T 18047-2017適用于壓力不大于25 MPa，作為車用燃料的壓縮天然氣。車用壓縮天然氣作為一種特殊的天然氣產(chǎn)品，為了保證使用安全，對水露點指標要求極為嚴格[8]。該標準規(guī)定的指標為：①在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在壓力不大于25 MPa和環(huán)境溫度不低于-13 ℃的條件下，水的質(zhì)量濃度應不大于30 mg/m3；②在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在壓力不大于25 MPa和環(huán)境溫度低于-13 ℃的條件下，水露點應比最低環(huán)境溫度低5 ℃。第1種情況是參考ISO 15403-2《Natural gas - Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles. Part 2: Specification of the quality》推薦的“水的質(zhì)量濃度不大于30 mg/m3”[9]，第2種情況仍采用GB 18047-2000的規(guī)定[10]，當最低環(huán)境溫度低于-13 ℃時，規(guī)定水露點應比最低環(huán)境溫度低5 ℃。

由于生產(chǎn)工藝的原因，車用壓縮天然氣的最高壓力一般不超過25 MPa，因此在水露點指標的規(guī)定上，首先限定了氣體的壓力為不大于25 MPa，而對于環(huán)境溫度以-13 ℃為界點，分為不低于-13 ℃和低于-13 ℃兩種情況。對于環(huán)境溫度相對較高的情況(不低于-13 ℃)，采用水含量的絕對值進行限定時(水的質(zhì)量濃度不大于30 mg/m3)，該值在最高壓力下(25 MPa)水露點約為-0.9 ℃，在一般的環(huán)境溫度下基本能夠保證沒有液態(tài)水析出，但在一些特殊情況下(如汽車駕駛的特定區(qū)域內(nèi)環(huán)境溫度在-1.0 ℃以下時)，壓縮天然氣中就可能有液態(tài)水析出。而對于環(huán)境溫度較低的情況(低于-13 ℃)，采用規(guī)定水露點值比最低環(huán)境溫度還低5 ℃的要求，該值規(guī)定極為嚴格，可保證在極端寒冷的環(huán)境溫度下使用車用壓縮天然氣的過程中不會有液態(tài)水析出。

3 應用實例

為了更好地理解各標準規(guī)定的水露點或水含量指標，采用具體實例分3種情況進行討論：①對GB 17820-2018定性指標要求的量化說明；②對GB/T 37124-2018進入天然氣長輸管道的氣體，在不同工況壓力下通過水露點和水含量之間的換算結(jié)果，說明如何理解“一定壓力”和“最低環(huán)境溫度”的要求；③對GB 18047-2017的兩類指標，在不同壓力下通過水露點和水含量之間的換算結(jié)果，說明該標準以-13 ℃為界規(guī)定水露點或水含量指標的合理性和科學性。

3.1 GB 17820的應用

水露點的特性是在高壓下水露點合格，則在低壓下其水露點也必然合格[11-12]。下面舉例說明天然氣中水含量和析出液態(tài)水的不同工況條件。表3為天然氣中水的質(zhì)量濃度分別為100 mg/m3和200 mg/m3時，采用GB/T 22634-2008《水含量與水露點之間的換算》換算在交接點的壓力條件下對應的水露點[6]，將該值與在交接點的最低環(huán)境溫度比較，以此判定氣體中是否會有液態(tài)水析出。其中，體積計量的標準參比條件為101.325 kPa、20 ℃，假設(shè)管道最高運行壓力為12 MPa。圖1說明了最低環(huán)境溫度分別為0 ℃、10 ℃、15 ℃和20 ℃時，是否會有液態(tài)水析出的情況。

當水的質(zhì)量濃度為100 mg/m3時，氣體的水露點隨壓力的變化見圖1中的曲線1。如果管道輸送壓力達到12 MPa，換算的水露點為8.9 ℃,若最低環(huán)境溫度高于該值，此時管道中不會有液態(tài)水析出。因此，只要保證最低環(huán)境溫度達到8.9 ℃以上(見圖1中最低環(huán)境溫度為10 ℃的曲線)，即使最高工況壓力達到12 MPa，也不會有液態(tài)水析出。但隨著環(huán)境溫度的下降，管道最高輸送壓力也應降低才能保證沒有液態(tài)水析出。圖1中，當最低環(huán)境溫度降到0 ℃時，為保證管道中沒有液態(tài)水析出，管道最高輸送壓力只能達到5.2 MPa。

表3 不同壓力下天然氣中水質(zhì)量濃度分別為100 mg/m3和200 mg/m3時對應的水露點壓力/MPaρ(水)為100 mg/m3時對應的水露點/℃ρ(水)為200 mg/m3時對應的水露點/℃2.0 -10.1-2.24.0-2.66.46.0 1.811.38.0 4.914.510.0 7.216.812.0 8.918.5 注:1.體積計量的標準參比條件為101.325 kPa,20 ℃。2.采用軟件換算時輸入主要組分含量(摩爾分數(shù))為CH4 97.58%,C2H6 0.23%,CO2 0.59%,N2 1.16%,其余為C3以上烴類組分。3.假設(shè)天然氣氣體的溫度為20 ℃。

當水的質(zhì)量濃度為200 mg/m3時，氣體的水露點隨壓力的變化見圖1中的曲線2，在管道最高輸送壓力為12 MPa時，換算的水露點為18.5 ℃，此時最低環(huán)境溫度至少需高于18.5 ℃，才能保證管道中沒有液態(tài)水析出。但隨著最低環(huán)境溫度下降到15 ℃、10 ℃和0 ℃時，管道最高輸送壓力的臨界點分別為8.4 MPa、5.4 MPa和2.4 MPa，當氣體壓力高于對應的臨界點壓力時，管道中即會有液態(tài)水析出，并且隨著管道壓力的升高，將會析出更多的液態(tài)水，此時運營商應更多關(guān)注管道的輸送壓力，并采取措施控制實際輸送壓力不能超過臨界點壓力，才能保證管道中沒有液態(tài)水析出，否則，在交接點以前需對天然氣進行脫水處理。

由于在天然氣生產(chǎn)和輸送過程中不可能實時檢測是否有液態(tài)水析出，一般是在管道運行一段時間后，通過排污的方式才能發(fā)現(xiàn)是否生成了液態(tài)水。因此，標準的使用者對如何判定水露點是否滿足要求存在一定困難，而對于生產(chǎn)和輸送企業(yè)就有必要定期監(jiān)測氣體的水露點，并通過推算預判是否在天然氣生產(chǎn)和輸送工況條件下有液態(tài)水析出[13-14]。

3.2 GB/T 37124的應用

當天然氣中水質(zhì)量濃度為150 mg/m3時，在不同工況壓力下，采用GB/T 22634-2008將水含量換算成水露點(見表4)。結(jié)果表明，當天然氣的運行壓力為管道設(shè)計的最高輸送壓力12 MPa時，換算的水露點結(jié)果為13.4 ℃，此時要求最低環(huán)境溫度達到18.4 ℃才能滿足標準要求，而當最低環(huán)境溫度為15 ℃時，仍不能滿足標準的要求。但實際上，如果管道最高運行壓力只有6 MPa時，換算的水露點為6.3 ℃,遠低于最低環(huán)境溫度15 ℃。此時，管道中并沒有液態(tài)水析出。因此，采用管道設(shè)計最高輸送壓力作為判斷水露點結(jié)果是否滿足要求的壓力不太合理。另外，圖2為最低環(huán)境溫度為5 ℃和15 ℃時，GB/T 37124-2018 對水露點的技術(shù)要求，天然氣的水露點分別為0 ℃和10 ℃時才能滿足標準的要求，此時，管道的最高輸送壓力分別為3.5 MPa和8.5 MPa才能滿足標準的要求。

表4 GB/T 37124-2018水露點指標換算到不同工況壓力下的技術(shù)要求ρ(水)/(mg·m-3)氣體壓力/MPa換算水露點/℃氣體溫度/℃最低環(huán)境溫度/℃管道設(shè)計最高輸送壓力/MPa1503.5-0.24.01.46.06.38.510.112.013.4155/1512

根據(jù)該標準規(guī)定的水露點指標以及示例結(jié)果，在標準的實施過程中還需進一步討論和明確以下內(nèi)容：①對于“水露點的壓力應是進氣處的管道設(shè)計最高輸送壓力”的規(guī)定，如果采用設(shè)計的最高輸送壓力(如12 MPa)作為規(guī)定水露點的壓力要求，勢必會對水露點指標的要求過于嚴格；②該標準規(guī)定長輸管道的定義為“產(chǎn)地、儲氣庫、使用單位之間用于輸送經(jīng)過處理商品天然氣的長距離管道”，此處的“長距離管道”比較模糊，給標準的使用者帶來一定的困惑，在修訂該標準時還需更加明確。

關(guān)于GB 26569-2011、GB/T 33296-2016、GB/T 32865-2016和GB/T 33445-2016規(guī)定的水露點指標為“水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃，而壓力為最高的輸送壓力”，對于如何確定比最低環(huán)境溫度低5 ℃與GB/T 37124-2018討論的情況一樣，而對于規(guī)定“最高的輸送壓力”，標準的使用者可以通過在天然氣購銷協(xié)議或相關(guān)文件中進一步明確。

3.3 GB 18047的應用

GB 18047-2017以環(huán)境溫度-13 ℃為界點，分兩種情況規(guī)定水露點或水含量指標，表5中例舉了水露點/水含量指標換算到不同工況壓力下的技術(shù)要求。第1種情況：當氣體中水的質(zhì)量濃度等于30 mg/m3時，在15 MPa、20 MPa、25 MPa 3種壓力下?lián)Q算的水露點分別為-4.3 ℃、-2.3 ℃和-0.9 ℃，此時如果環(huán)境溫度在0 ℃以上基本能滿足沒有液態(tài)水析出，但為確保在高壓(25 MPa)下氣體中不析出液態(tài)水，最好要求在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)最低環(huán)境溫度不低于約4 ℃。第2種情況：假設(shè)最低環(huán)境溫度為-15 ℃，則要求氣體中水露點不高于-20 ℃，按照工況壓力分別為15 MPa、20 MPa和25 MPa下?lián)Q算的水質(zhì)量濃度分別為5.5 mg/m3、4.3 mg/m3和3.6 mg/m3，此種情況下要求車用壓縮天然氣中的水含量極低，對生產(chǎn)CNG采用的工藝和脫水劑提出了較高要求。

該標準以環(huán)境溫度-13 ℃為界點，將水露點或水含量指標分成兩種情況，當環(huán)境溫度≥-13 ℃時，若壓縮天然氣工況壓力為20 MPa，計算獲得的最高水露點達到-2.3 ℃。此時，如果最低環(huán)境溫度為-10 ℃(如北方冬季)，極有可能在使用過程中壓縮天然氣仍有液態(tài)水析出，需對CNG儲氣瓶做好保溫措施。

表5 GB 18047-2017水露點指標換算到不同工況下的技術(shù)要求分類環(huán)境溫度/℃標準要求的水露點標準要求的水含量,ρ/(mg·m-3)氣體壓力/MPa換算的水露點/℃換算的水含量,ρ/(mg·m-3)備注第1種情況≥ -13(假設(shè)為0)≤3015-4.320-2.325-0.9最低環(huán)境溫度在0 ℃以上基本滿足要求;若氣體在25 MPa下使用時,最低環(huán)境溫度要求不低于約4 ℃第2種情況<-13(假設(shè)為-15)水露點比最低環(huán)境溫度低5 ℃155.5204.3 253.6不同壓力下水露點小于-20 ℃才能滿足要求

4 認識與建議

(1) 天然氣及類似氣體產(chǎn)品標準規(guī)定的水露點或水含量分為定性和定量兩類指標。GB 17820-2018強調(diào)在交接點的壓力和溫度條件下應不存在液態(tài)水，不需要檢測水含量；其他產(chǎn)品標準為定量指標，正確理解“一定壓力”和“最低環(huán)境溫度”的含義，是準確判定水露點是否超標的關(guān)鍵因素。

(2) 采用GB 17820-2018規(guī)定的水露點定性指標時，建議天然氣生產(chǎn)和輸送企業(yè)定期監(jiān)測氣體中的水含量，并通過推算預判在天然氣生產(chǎn)和輸送工況條件下是否有液態(tài)水析出，以此采取措施控制生產(chǎn)工藝和管道輸送條件。

(3) GB/T 37124-2018關(guān)于長輸管道的定義和采用管道設(shè)計最高輸送壓力作為規(guī)定水露點的要求，需結(jié)合管道實際運行情況，重新給予定義和規(guī)定，使其更具有合理性和可操作性。

(4) GB 18047-2017從車用壓縮天然氣安全使用的角度，規(guī)定的水露點指標特別嚴格是必要的，但以環(huán)境溫度-13 ℃為界點分成兩種情況規(guī)定水露點或水含量指標是否科學合理，有待進一步試驗評估。