摘要：在多氣源天然氣的互換性試驗中，配氣是十分關鍵的準備工作。本文介紹了國標中的相關規(guī)定以及配氣計算原則，提出了使用管道天然氣摻混單一氣體、利用AGA指數法和Weave指數法來判定配氣精度的方法。同時還討論配氣操作中的一些具體問題以及相應的解決措施。
關鍵詞：互換性；配氣計算；判別方法
Gas Blending Problem during Experimental Research of Multi-source Natural Gas Interchangeability
College of Mechanic Engineering，Tongji University，Shanghai Lv Zhao,jian，Qin Chaokui，Dai Wanneng
Abstract：Gas blending is an important preliminary work during experimental research of natural gas interchangeahiljty.Some related provisions in national standards，and calculation principles for blending processes，were introduced.A method based upon pipeline natural gas mixed with pure gases，followed by AGA and Weaver indices was put forward to analyze precision of blending.Also discussed were some detailed difficnlties and proposed solutions.
Keywords：natural gas interchangeahility；gas-blending calculation；judgement method
1 引言
作為最為清潔的一次能源，天然氣日益受到重視。隨著天然氣需求量的不斷增加，國內許多地區(qū)出現了多氣源供應的局面。如上海，目前已有西氣東輸一線、東海天然氣、進口LNG、川氣4種氣源，即將引入西氣東輸二線；到2020年，廣東省天然氣管網也將出現海上天然氣、陸地天然氣、進口LNG三大種類九大氣源聯(lián)供的局面。
多氣源天然氣可顯著改善供應的可靠性，但由此帶來了互換性和燃具的適應性問題。為解決這個問題，最為可靠的方法就是進行實驗。由此引出了如何在實驗室內精確配制各種不同組分天然氣的問題。
相關國標中對于燃氣配制問題已有一些要求。GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特征》中規(guī)定：配制試驗氣的華白數與給定值的誤差應在±2%規(guī)定范圍內；GB 6932—2001《家用燃氣快速熱水器》規(guī)定：在試驗過程中燃氣的華白數變化范圍應在±2%之內；GB 16410—2007《家用燃氣灶具》規(guī)定：試驗過程中燃氣低熱值華白數變化范同應在±2%之內。GB/T 13611—2006明確規(guī)定了用以配制燃氣的各單一氣體純度：N2不低于99%；H2不低于99%；CH4不低于95%；C3H6不低于95%；C3H8不低于95%；C4H10不低于95%；并且當甲烷、丙烯、丙烷和丁烷供應有困難時，可根據情況分別用天然氣或液化石油氣代替，但配制試驗氣的華白數W與給定值的誤差應在±2%規(guī)定的范圍內。
圖1列出了上海與廣東省一些氣源的華白數和燃燒勢，其整體變化并不大，除LNG富組分外均落在國標12T范圍之內(華白數45.67～54.78MJ/m3，燃燒勢36.3～69.3，圖1中兩條直線中間的范圍即為國標中12T的華白數范圍。)。其中最貧的是川氣，最富的是珠海LNG富氣(表1)。若按照95%的CH4純度來配制川氣和珠海LNG(富)，即單一氣體CH4含有95%的CH4和5%的C2H6，則配制的川氣和珠海LNG(富)之華白數將增加，分別為49.22和53.93，偏差為1.73%和1.3%。顯然，若考察不同來源天然氣的組分不同所導致的燃氣具性能變化，1.73%和1.3%的偏差無法滿足實驗要求，必須采用精確的配氣方法。
2 常用配氣方法及配氣原則
對于多氣源天然氣的互換性和燃具適應性研究，可考慮傳統(tǒng)的三組分配氣法和原組分配氣法。前者僅保證配制氣與目標的華白數和燃燒勢相同，后者可保證各單一組分、燃燒勢、華白數均一致，但對單一氣體的純度要求較高。
2.1 三組分配氣
常規(guī)的三組分配氣法，即用CH4、H2、N2或C3H8、H2、N2兩組原料氣進行配氣。碳氫化合物熱值和比重都較大、燃燒勢較??；H2熱值和比重較小、燃燒勢較大；摻混惰性氣體N2可調整華白數和燃燒勢。利用這3種氣體，基本上可配制出與目標氣華白數和燃燒勢相同的任何燃氣。在實際應用中，有的配制氣雖然與目標氣華自數和燃燒勢相同，但燃燒特性卻有較大的差異。
表1 廣東省兩種天然氣的組分
|
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
i-C4H10
|
n-C4H10
|
H2
|
He
|
C02
|
N2
|
華白數(MJ/m3)
|
燃燒勢
|
|
川氣
|
97.07
|
0.15
|
0.01
|
0
|
0
|
0.03
|
0.01
|
2.02
|
0.71
|
48.39
|
38.47
|
|
珠海LNG(富)
|
89.51
|
5.73
|
3.25
|
0.76
|
0.64
|
0
|
O
|
0
|
0.11
|
53.24
|
41.46
|
配氣計算公式如下：
式中：CP0、W0——目標氣的華白數(MJ/m3)和燃燒勢；CmHn、H2、N2——碳氫化合物、氫氣、氮氣體積分數；HCmHn、HH2——碳氫化合物、氫氣的高熱值(MJ/m3)；dCmHn、dH2、dN2——碳氫化合物、氫氣、氮氣的相對密度；當CmHn為甲烷時，k=0.3；當CmHn為丙烷時，k=0.6；
研究資料顯示，用C3H8、H2、N2三組分配制天然氣，黃焰指數偏差太大，配制氣與目標氣的試驗結果有較大的偏差[1]。在這種情況下，怎樣判斷配制氣與目標氣是否完全互換是一個必須回答的問題。在此，可考慮使用AGA指數法和Weaver指數法來判斷配制氣與目標氣之間的互換性。
AGA對熱值大于32MJ/Nm3的燃氣互換性進行了研究，得出了離焰IL、回火IF和黃焰IY3個指數的表達式。Weaver指數是表征燃氣置換時燃燒不正常現象相對傾向性的近似表達，包含熱負荷因數JH、引射因數JA、回火指數JF、脫火指數JL、C0生成指數JI和黃焰指數JY。
下面以西氣東輸二線的土庫曼斯坦氣為例說明“三組分配氣”。采用CH4、H2、N2進行配氣計算無法得到同目標氣華白數和燃燒勢一致的配氣計算解。所以，在此采用C3H8、H2、N2為原料氣時的配氣方法。表2是以C3H8、H2、N2為原料氣時的配氣結果。表3是以目標氣為基準氣，配制氣為置換氣時計算得到的A.G.A指數和Weaver指數。
表2 “三組分”的配氣計算舉例
|
組分
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
C4H10
|
C5H12
|
H2
|
C02
|
N2
|
Ws
|
CP
|
|
目標氣
|
92.60
|
3.93
|
0.33
|
0.20
|
0.21
|
0
|
1.89
|
0.85
|
49.43
|
39.27
|
|
配制氣
|
0
|
0
|
56
|
0
|
O
|
9.59
|
O
|
34.41
|
49.41
|
39.28
|
表3 目標氣與配制氣的A.G.A指數和Weaver指數
|
|
A.G.A指數
|
Weaver指數
|
|||||||
|
IL
|
IF
|
IY
|
JA
|
JH
|
JL
|
JF
|
JY
|
JI
|
|
|
允許范圍
|
＜=1.1
|
＜=1.2
|
＞=0.86
|
0.8～1.2
|
0.95～1.05
|
＞=0.64
|
＜=0.26
|
＜=0.30
|
＜=0.O5
|
|
數值
|
1.O43
|
1.163
|
0.701
|
0.994
|
1.000
|
1.107
|
0.122
|
0.957
|
0.O98
|
由表3可知：用“二三組分配氣法”計算的配制氣代替目標氣時，黃焰指數和c0指數均不在允許范圍內(表格中的紅色字體代表超出互換范同)，配制氣的實驗結果和目標氣的實驗結果勢必會有很大的偏差。即配制氣不能在黃焰特性和C0特性方面代替目標氣。
2.2 純組分配氣
可考慮純組分配氣以保證配制氣與目標氣的華白數、燃燒勢以及各單一組分均完全一致。此時，配氣成本將大大增加，且常溫下呈液態(tài)的重烴氣體也很難配入。仍以土庫曼斯坦氣為例。表4給出了每種純組分的價格，并給出一次配氣5m3的最小成本。每配制5m3的土庫曼斯坦天然氣，需花費近900元。對于需要大量燃具樣本反復測試的天然氣互換性研究來說，必須考慮配氣方案的經濟性。
表4 一次配氣成本(5m3)
|
氣種
|
價格(元，瓶)
|
氣瓶規(guī)格
|
純度(%)
|
配5m3氣需要體積(L)
|
配5m3氣體的成本(元)
|
|
甲烷
|
1000
|
40L(水容積)
|
99.9
|
4629.97
|
772
|
|
乙烷
|
1200
|
40L(水容積)
|
99.6
|
196.73
|
40
|
|
丙烷
|
600
|
3kg
|
99.95
|
16.51
|
58
|
|
丁烷
|
600
|
3kg
|
99.5
|
9.78
|
11
|
|
氮氣
|
40
|
40L(水容積)
|
100
|
42.37
|
0.3
|
|
二氧化碳
|
60
|
40L(水容積)
|
100
|
94.26
|
1
|
|
總計
|
882.3元
|
||||
3 管道天然氣結合純組分的配氣方法
簡單的三組分配氣，不能保證配制氣與目標氣的燃燒特性完全一致；采用純組分配氣又使得大量實驗時的成本很高。在進行天然氣互換性研究時，可采用已有管道天然氣結合純組分的方法，在保證配制氣與目標燃燒特性基本相同的前提下，盡可能降低實驗用純組分的成本。管道天然氣作為配氣用原料氣，使用前必須測定其組分含量。
由于使用了管道天然氣，配制氣和目標氣的組分往往不會完全一致。此時可用色譜分析儀的精密度來確定每一組分的允許偏差值，并用AGA指數法和Weaver指數法來判斷配制氣是否可在燃燒特性上完全替代目標氣。當配制氣中的某種組分與目標氣中該組分的偏差在氣相色譜儀的精度以內，即認為這種組分是一樣的。表5是GB/T 13610-2003中規(guī)定的每種組分濃度允許的偏差值。
仍以土庫曼斯坦氣為例。表6是按“管道天然氣結合純組分氣體”的配氣方法計算得到的管道天然氣和各純組分氣體的比例以及配制氣的組分、華白數和燃燒勢。表7是目標氣與配制氣的A.G.A指數幣HWeaver指數。
由表6可知：采用“管道天然氣結合純組分”的配氣方法可將純甲烷的使用量減少了一半，采用這一方案配制5m3土庫曼斯坦氣的成本僅為407元，可大幅度降低試驗費用。而且此配氣方案保證各個組分的允許偏差均在氣相色譜儀的檢測精度以內。由表7可知，AGA指數和Weaver指數均在“完全可互換”范圍內，即配制氣可以完全替換目標氣。
表6 “管道氣結合純組分氣體”的配氣計算
|
|
CH4
|
C2H6
|
C3H8
|
C4H10
|
C5H12
|
C02
|
N2
|
Ws
|
CP
|
|
目標氣
|
92.60
|
3.93
|
0.33
|
0.20
|
0.21
|
1.89
|
0.85
|
49.43
|
39.27
|
|
配制氣
|
92.68
|
3.98
|
0.40
|
0.26
|
0.03
|
1.87
|
0.78
|
49.42
|
39.37
|
|
管道天然氣
|
93.41
|
3.58
|
0.62
|
0.20
|
0.O5
|
0.65
|
1.49
|
50.04
|
39.79
|
|
配氣方案
|
CH4=43.63%，C2H6=2.1%，C3H8=0.07%，C4H10=0.16%，C02=1.53%
管道天然氣=52.5%
|
||||||||
表7 目標氣與配制氣的A.G.A指數和Weaver指數
|
|
A.G.A指數
|
Weaver指數
|
|||||||
|
IL
|
IF
|
IY
|
JA
|
JH
|
JL
|
JF
|
JY
|
JI
|
|
|
允許范同
|
＜=1.1
|
＜=1.2
|
＞=0.86
|
0.8～1.2
|
0.95～1 05
|
＞=0.64
|
＜=0.26
|
＜=0.30
|
＜=0.05
|
|
目標氣為基準氣
|
1.000
|
1.016
|
1.008
|
0.999
|
0.999
|
0.999
|
0.O01
|
-0.004
|
-O.001
|
|
配制氣為基準氣
|
1.000
|
1.O16
|
0.992
|
1.O01
|
1.001
|
1 001
|
-0.001
|
0.004
|
0.001
|
4 影響配氣精度的一些細節(jié)
圖2為采用上述配氣方案時的流程示意圖。純組分氣體由鋼瓶減壓后，首先經過水浴套管和減壓器，再經膜式燃氣表計量，進入內置攪拌器的5m，濕式儲氣罐。
在配氣操作中，有一些細節(jié)會影響最終的配氣精度，簡述如下：
(1) 配氣管路中的流量計。天然氣中甲烷的含量均在90%左右，其他成分所占比例很少，有些甚至只有千分之幾。此時所需對應純組分的用量就非常少，配氣流程中用于監(jiān)測的流量計的量程變得十分關鍵。
理想情況下燃氣表計量誤差是零，但是流量計均存在實際誤差曲線。按照設計圖生產的一批燃氣表，誤差曲線應該是一樣的，但是，因為實際生產工藝、裝配等因素影響，實際上每一臺表的誤差曲線是不同的[2]。圖3為某一膜式燃氣表的實際典型的誤差曲線，其中橫坐標x軸為檢定的流量點，縱坐標Y軸為相對誤差值(%)。
(2) 儲氣罐中的死體積。每次配氣之前都要對儲氣罐進行清洗工作，防止上次配氣未用完的殘氣對本次配氣造成影響?？捎霉艿捞烊粴膺M行清洗。但是儲氣罐內有一定體積的氣體始終無法排出，稱為儲氣罐的死體積。在配氣計算中一定要把洗氣剩下的死氣體計算在內，否則會出現配氣錯誤。
(3) 儲氣罐中的密封油。濕式儲氣罐常用水密封，為避免C02溶解在水中造成不可控制的配氣后果，可在水面上方加注一定量的密封油。由此可避免C02溶解于水的問題，但造成了所配氣體中的重烴組分與密封油之間可能發(fā)生溶解和稀釋的問題。表8為C4及C4以上各組分的沸點常數。天然氣中重烴的含量很小，所以分壓力也很小，因此當溫度高于5℃時，C4(甚至C5)都處于氣體狀態(tài)。但當溫度低于某組分的液化臨界溫度時，該組分就會溶解到密封油中[3]。除了C4及C4以上組分會岡為液化與密封油發(fā)生溶解現象外，天然氣中的氣體組分包括在儲氣罐實際儲存條件下不易液化的C3及其以下組分，在儲氣罐中也存在溶解釋放平衡過程。
表8 天然氣中某些成分的沸點常數
|
溪霞
|
沸點常數/℃
|
|
丁烷
|
-0.5
|
|
異丁烷
|
-11.7
|
|
正異丁烯
|
-6.9
|
|
反丁烯
|
0.9
|
|
順丁烯
|
3.7
|
|
異戊烷
|
29.9
|
|
正戊烷
|
36.1
|
密封油與天然氣的接觸面積和接觸時間都會影響溶解速度。因而可以通過縮短每次所配氣體的使用時間(即提高單次配氣的使用效率)和組分含量相近的氣種集中配氣來降低所配氣各成分在密封油中的溶解程度。
(4) 配制氣中含水問題。天然氣本身不含有水蒸氣，但由于儲氣罐中水分的蒸發(fā)導致配制氣中含有了一定的水分。在試驗測試過程中可利用冰柜對配制氣降溫、除濕，以顯著降低配制氣中的水蒸氣含量。
(5) 進氣順序的確定。由于各原料氣的密度不同，在儲氣罐內存在重氣下沉、輕氣上升的現象。若進氣口在儲氣罐的下端，應先進重氣、再進輕氣；反之，若進氣口在其上端，則應先進輕氣、再進重氣。這樣在沒有罐內攪拌器的情況下，可利用進氣過程加強混合，避免出現分層現象。對天然氣多氣源互換性實驗，配氣過程中應對每種原料氣采用多次進氣的方法。閥門開關按要求及先后順序嚴格進行。每種原料氣在進氣管道上的安裝先后順序應該保證進氣前管內氣體成分和進氣完成后管內殘留的氣體成分相同，并能減小因管路容積造成的配氣誤差。配氣完成后，根據配氣量靜置2h～8h。如果儲氣罐內有攪拌器，則在用氣前需強制循環(huán)混氣，此時更利用氣體的混合。
(6) 配氣過程的氣相色譜監(jiān)測。每次配氣時，先按照需要的組分，依次進氣，但總體積并不是儲氣罐的容積，而是小于該容積的某個量。在所有組分全部輸入、攪拌一段時間后，取樣分析最終得到的配制氣，根據分析結果來確定是否需要再補充少量的某組分。
5 結論
在研究多氣源天然氣的互換性問題時，可考慮采用傳統(tǒng)的三組分配氣法和純組分配氣法。前者僅可保證配制氣和目標氣的華白數、燃燒勢相等，并不能保證配制氣與目標氣在燃燒特性上的一致性。后者需耗費昂貴的純組分氣體，實驗工作量較大時，純組分氣體成本巨大。
本文提出了一種將實驗室內的管道天然氣與純組分結合的配氣方法，以氣相色譜儀的精度作為單一組分之間的允許偏差，并輔以AGA指數法幣NWeaver指數法來判斷目標氣與配制氣的可互換性。經過有針對性的設備改裝與操作，可實現低成本、高復現性的配氣工藝，用于多氣源天然氣的互換性實驗研究。
參考文獻
1 王啟，高文學等.燃氣配氣的問題探討[J].中國土木工程學會城市燃氣分會應用專業(yè)委員會2008年年會論文集.2008
2 楊有濤，徐英華，王子剛.氣體流量計.中國計量出版社，2007；09
3 王海燕等.干式氣柜密封油閃點變化趨勢及影響因素分析.石油商技，2009；5
（本文作者：呂趙鍵 秦朝葵 戴萬能 同濟大學機械工程學院 201804)
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