吕赵键等·多气源天然气互换性研究中的配气问题ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—５１５２．２０１１．０９．００３多气源天然气互换性研究中的配气问题口同济大学机械工程学院（２０１８０４）吕赵键秦朝葵戴万能摘要：在多气源天然气的互换性试验中，配气是十分关键的准备工作。本文介绍了国标中的相关规定以及配气计算原则，提出了使用管道天然气掺混单一气体、利用ＡＧＡ指数法和Ｗｅａｖｅｒ指数法来判定配气精度的方法。同时还讨论配气操作中的一些具体问题以及相应的解决措施。关键词：互换性配气计算判别方法ＧａｓＢｌｅｎｄｉｎｇＰｒｏｂｌｅｍｄｕｒｉｎｇＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭｕｌｔｉ—ｓｏｕｒｃｅＮａｔｕｒａｌＧａｓＩｎｔｅｒｃｈａｎｇｅａｂｉｌｉｔｙＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ西ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｇｈａｉＡｂｓｔｒａｃｔ：ＧａｓｂｌｅｎｄｉｎｇｉｓａｎＬｖＺｈａｏｊｉａｎ，ＱｉｎＣｈａｏｋｕｉ，ＤａｉＷａｎｎｅｎｇｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｗｏｒｋｄｕｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅａｂｉｌｉｔｙ．Ｓｏｍｅｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓｉｎｎａｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｓ，ａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｆｏｒｂｌｅｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｕｐｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅｎａｔｕｒａｌｇａｓｍｉｘｅｄｗｉｔｈｐｕｒｅｇａｓｅｓ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙＡＧＡａｎｄＷｅａｖｅｒｉｎｄｉｃｅｓｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏａｎａｌｙｚｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｂｌｅｎｄｉｎｇ．Ａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄｗｅｒｅｓｏｍｅｄｅｔａｉｌｅｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌｇａｓｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅａｂｉｌｉｔｙｇａｓ－ｂｌｅｎｄｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｊｕｄｇｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ１引言作为最为清洁的一次能源，天然气日益受到重相关国标中对于燃气配制问题已有一些要求。ＧＢ／Ｔ１３６１１－２００６《城镇燃气分类和基本特征》中规定：配制试验气的华白数与给定值的误差应在４－２％规定范嗣内；ＧＢ６９３２—２００１《家用燃气快速热水器》规定：在试验过程中燃气的华白数变化范围应在４－２％之内；ＧＢ１６４１０—２００７《家用燃气灶具》规定：试验过程中燃气低热值华白数变化范围应在±２％之内。ＧＢ／Ｔ１３６１１－２００６明确规定了用以配制燃气的各单一气体纯度：Ｎ２不低于９９％；Ｈ２不低于９９％；ＣＨ。不低于９５％；Ｃ３Ｈ６不低于９５％；Ｃ３Ｈ８不低于９５％；Ｃ４Ｈｌｏ不低于９５％；并且当甲烷、丙烯、丙烷和丁烷供应有困难时，可根据情况分别用天然气或液化石油气代替，但配制试验气的华白数ｗ与给定值的误差应在视。随着天然气需求量的不断增加，国内许多地区出现了多气源供应的局面。如上海，目前已有西气东输一线、东海天然气、进口ＬＮＧ、川气４种气源，即将引入西气东输二线；到２０２０年，广东省天然气管网也将出现海上天然气、陆地天然气、进口ＬＮＧＺ大种类九大气源联供的局面。多气源天然气可显著改善供应的可靠性，但由此带来了互换性和燃具的适应性问题。为解决这个问题，最为可靠的方法就是进行实验。由此引出了如何在实验室内精确配制各种不同组分天然气的问题。２０１Ｉ／０９总第４３９Ｍｌ２３万方数据±２％规定的范围内。图１列出了上海与广东省一些气源的华白数和燃烧势，其整体变化并不大，除ＬＮＧ富组分外均落在国标１２Ｔ范围之内（华白数４５．６７～５４．７８ＭＪ／ｍ３，燃烧势３６．３～６９．３，图１中两条直线中间的范围即为国标中１２Ｔ的华白数范围。）。其中最贫的是川气，最富的２常用嘎己气方法及配气原则对于多气源天然气的互换性和燃具适应性研究，可考虑传统的三组分配气法和原组分配气法。前者仅保证配制气与目标的华白数和燃烧势相同，后者可保证各单一组分、燃烧势、华白数均一致，但对单一气体的纯度要求较高。２．１三组分配气常规的三组分配气法，即用ｃＨ。、Ｈ：、Ｎ：或ｃ，Ｈ。、Ｈ：、Ｎ：两组原料气进行配气。碳氢化合物热值和比重都较大、燃烧势较小；Ｈ：热值和比重较小、燃烧势较大；掺混惰性气体Ｎ２可调整华白数和燃烧势。利用这３种气体，基本上可配制出与目标气华白数和是珠海ＬＮＧ富气（表１）。若按照９５％的ＣＨ。纯度来配制川气和珠海ＬＮＧ（富），即单一气体ＣＨ。含有９５％的ＣＨ。和５％的ｃ：Ｈ６，则配制的川气和珠海ＬＮＧ（富）之华白数将增加，分别为４９．２２和５３．９３，偏差为１．７３％和１．３％。显然，若考察不同来源天然气的组分不同所导致的燃气具性能变化，１．７３％和１．３％的偏差无法满足实验要求，必须采用精确的配气方法。表１广东省两种天然气的组分嚣＋’ｏ’……＋～ＣＨａＣ２ＨｅＯ．１５Ｃ３Ｈ８Ｏ．０１ｉ—Ｃ４Ｈ１０Ｏｎ—Ｃ４Ｈ，ｏＯ随０．０３ＨｅＣ０２２．０２Ｎ２０．７１华白数【ＭＪ，ｍ３ｌ４８．３９燃烧势３８．４７川气珠海ＬＮＧ（富）９７．０７０．０ｌ８９．５１５．７３３．２５０．７６０．６４Ｏ００Ｏ．１Ｉ５３．“４１．４６图１上海和广东省天然气的华白数和燃烧势２４Ｉ城市燃气．月刊万方数据吕赵键等－多气源天然气互换性研究中的配气问题燃烧势相同的任何燃气。在实际应用中，有的配制气数ＪＹ。虽然与目标气华白数和燃烧势相同，但燃烧特性却有下面以西气东输二线的土库曼斯坦气为例说明较大的差异。“三组分配气”。采用ＣＨ。、Ｈ：、Ｎ：进行配气计算无配气计算公式如下：法得到同目标气华白数和燃烧势一致的配气计算解。Ｈｒ所以，在此采用ｃ，Ｈ。、Ｈ：、Ｎ：为原料气时的配气方¨７ｎ＝—…＝＝＝＝＝：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝Ｈｅ。‰ＣｍＨｎ＋ＨＨ２Ｈ２啡—竺竺丝些＿ｄｃｍ￡。Ｈ。＾ｄＨ２Ｈｆ—Ｎ２Ｎ２法。表２是以Ｃ，Ｈ。、Ｈ：、Ｎ：为原料气时的配气结果。（１）表３是以目标气为基准气，配制气为置换气时计算得Ｊｄｃｍ￡。Ｈ。嗣Ｈ２Ｈ汁ｄＮ２Ｎ２到的Ａ．Ｇ．Ａ指数和Ｗｅａｖｅｒ３ｔ哲数。由表３可知：用“三组分配气法”计算的配制气Ｃ『ｍ吃＋飓＋Ⅳ２＝ｌ代替目标气时，黄焰指数和ＣＯ指数均不在允许范围式中：ＣＰ。、Ｗ。——目标气的华白数（ＭＪ／ｍ３）内（表格中的红色字体代表超出互换范围），配制气和燃烧势；Ｃ。Ｈ。、Ｈ：、Ｎ：——碳氢化合物、氢气、氮的实验结果和目标气的实验结果势必会有很大的偏气体积分数；Ｈ。挑、ＨＨ：——碳氢化合物、氢气的高差。即配制气不能在黄焰特性和ＣＯ特性方面代替目热值（ＭＪ／ｍ３）；ｄ。批、ｄＨ：、ｄＨ：——碳氢化合物、氢标气。气、氮气的相对密度；当Ｃ。Ｈ。为甲烷时，ｋ＝０．３；当２．２纯组分配气Ｃ。Ｈ。为丙烷时，ｋ＝０．６；可考虑纯组分配气以保证配制气与目标气的华白研究资料显示，用Ｃ，Ｈ８、Ｈ：、Ｎ：三组分配制天然数、燃烧势以及各单一组分均完全一致。此时，配气气，黄焰指数偏差太大，配制气与目标气的试验结果成本将大大增加，且常温下呈液态的重烃气体也很难有较大的偏差…。在这种情况下，怎样判断配制气与配入。仍以土库曼斯坦气为例。表４给出了每种纯组目标气是否完全互换是一个必须回答的问题。在此，分的价格，并给出一次配气５ｍ，的最小成本。每配制可考虑使用ＡＧＡ指数法和Ｗｅａｖｅｒ指数法来判断配制气５ｍ３的土库曼斯坦天然气，需花费近９００元。对于需要与目标气之间的互换性。大量燃具样本反复测试的天然气互换性研究来说，必ＡＧＡ对热值大于３２ＭＪ／Ｎｍ３的燃气互换性进行了须考虑配气方案的经济性。研究，得出了离焰Ｉ。、回火Ｉ，和黄焰Ｉ，３个指数的表达式。Ｗｅａｖｅｒ指数是表征燃气置换时燃烧不正常现象相３管道天然气结合纯组分的配气方法对倾向性的近似表达，包含热负荷因数ＪＨ、引射因数“、回火指数ＪＦ、脱火指数ＪＬ、ＣＯ生成指数Ｊ。和黄焰指简单的三组分配气，不能保证配制气与目标气的表２“三组分”的配气计算举例雾组分鞋ＣＨｔＣ２ＨｓＣｓＨａＣ４Ｈ｛ｏ０５Ｈ１２Ｈ２Ｃ０２Ｎ２ＷｓｃＰ要目标气９２．６０３．９３Ｏ．３３０．２００．２１Ｏ１．８９０．８５４９．４３３９．２７配制气Ｏ０５６０Ｏ９．５９Ｏ３４．４１４９．４１３９．２８表３目标气与配制气的Ａ．Ｇ．Ａ指数和Ｗｅａｖｅｒ指数露一…ｉ”；Ⅵ一ｉ？＃’？≯，’”ｗ‘ｗ”７＇、，，’…～ｏ”ｊ“二学……。…Ａ．Ｇ．Ａ指数一”一邳一声ｒ掣１Ｗｅａｖｅｒ指数…一一…州＂ｏ４’ｏ删。“…嗍“钟雉掰？｛酸．ｌＬｂｌＹＪ＾山如ＪＦ忆般ＪＹ～．业。。文ｊ允许范围＜＝ｌ－ｌ＜＝１．２＞＝Ｏ．８６０．８～１．２０．９５－１．０５＞＝Ｏ．６４＜＝Ｏ．２６＜＝Ｏ．３０＜＝０．０５数值１．０４３１．１６３０．７０ｌ０．９９４１．０００１．１０７０．１２２０．９５７０．０９８２０１１１０９总第４３９期｜２５万方数据表４一次配气成本（５ｍ３）巨。船种：甲烷乙烷丙烷丁烷氮气二氧化碳总计。＋…‘馏价格（元，瓶）ｌ０００气瓶规格４０Ｌ（水容积）４０纯度ｆ％）９９．９配５ｍ３气需要体积ｆＬ）配５ｍ３气体的成本（元）７７２～．锄４６２９．９７ｌ２００Ｌ（水容积）３ｋｇ３ｋｇ９９．６１９６．７３４０６００９９．９５１６．５１５８６００９９．５９．７８１ｌ４０６０４０Ｌ（水容积）４０Ｌ（水容积）１００４２．３７Ｏ．３１（）０９４－２６１８８２．３元燃烧特性完全一致；采用纯组分配气又使得大量实验时的成本很高。在进行天然气互换性研究时，可采用已有管道天然气结合纯组分的方法，在保证配制气与目标燃烧特性基本相同的前提下，尽可能降低实验用纯组分的成本。管道天然气作为配气用原料气，使用是一样的。表５是ＧＢ／Ｔ１３６１０—２００３中规定的每种组分浓度允许的偏差值。仍以土库曼斯坦气为例。表６是按“管道天然气结合纯组分气体”的配气方法计算得到的管道天然气和各纯组分气体的比例以及配制气的组分、华白数和燃烧势。表７是目标气与配制气的Ａ．Ｇ．Ａ指数和Ｗｅａｖｅｒ指数。前必须测定其组分含量。由于使朋了管道天然气，配制气和目标气的组分往往不会完全一致。此时可用色谱分析仪的精密度来确定每一组分的允许偏差值，并用ＡＧＡ指数法和Ｗｅａｖｅｒ指数法来判断配制气是否可在燃烧特性上完全由表６可知：采用“管道天然气结合纯组分”的配气方法可将纯甲烷的使用量减少了一半，采用这一方案配制５ｍ。土库曼斯坦气的成本仅为４０７元，可大幅度降低试验费用。而且此配气方案保证各个组分的替代目标气。当配制气中的某种组分与目标气中该组分的偏差在气相色谱仪的精度以内，即认为这种组分允许偏差均在气相色谱仪的检测精度以内。由表７可表６“管道气结合纯组分气体”的配气计算雕ｇ。。Ｆ歉Ｃ心Ｃ２Ｈｅ３．９３３．９８３．５８Ｃ３Ｈ８Ｏ．３３Ｃ４Ｈ１００．２００．２６Ｃ５Ｈ１２Ｏ．２ｌ０．０３Ｃ０２１．８９１．８７Ｏ．６５№Ｏ．８５Ｏ．７８１．４９Ｗｓ４９．４３４９．４２ＣＰ３９．２７３９．３７３９．７９：目标气配制气管道天然气配气方案９２．６０９２．６８９３．４１０．４０Ｏ．６２０．２００．０５５０．０４ＣＨ４＝４３．６３％，Ｃ２Ｈ６＝２．１％，Ｃ３Ｈｓ＝０．０７％，Ｃ４ＨＩｏ＝０．１６％，Ｃ０２＝１．５３％管道天然气＝５２．５％表７目标气与配制气的Ａ．Ｇ．Ａ指数和ＷｅａＶｅｒ｝旨数§妒…一‘：…一ｗ”ｋ、………。‘。…一一ｊ…””…”ＪｌＡ．Ｇ，Ａ指数ｌＦ＜＝１．２１．０１６１．０１６Ｗｅａｖｅｒ指数ｌＹ＞＝Ｏ．８６１．００８０．９９２’。‘姆ＪＡＯ．８～１．２０．９９９１．ｏｏｌ＾０．９５－１．０５０．９９９１．ｏｏｌＪＬ＞＝０．６４０．９９９１．００１山＜＝Ｏ．２６Ｏ．００１－０．００１ＪＹ＜＝０．３０一ｏ．００４０．００４崔允许范围目标气为基准气配制气为基准气＜＝１．１１．ｏｏＯ１．０００＜＝０．０５－０．００１Ｏ．００１２６ｌ城市燃气．月刊万方数据知。ＡＧＡ指数和Ｗｅａｖｅｒ３ｔ４旨数均在“完全可互换”范围内，即配制气可以完全替换目标气。４影响配气精度的一些细节图２为采用上述配气方案时的流程示意图。纯组分气体由钢瓶减压后，首先经过水浴套管和减压器，再经膜式燃气表计量，进入内置搅拌器的５ｍ，湿式储气罐。１调压器；２水银温度计；３Ｕ形压力计；４膜式燃气表；５湿式储气罐；６水浴套管图２配气系统示意图在配气操作中，有一些细节会影响最终的配气精度，简述如下：（１）配气管路中的流量计。天然气中甲烷的含量均在９０％左右，其他成分所占比例很少，有些甚至只有千分之几。此时所需对应纯组分的用量就非常少，配气流程中用于监测的流量计的量程变得十分关键。理想情况下燃气表计量误差是零，但是流量计均存在实际误差曲线。按照设计图生产的一批燃气表，误差曲线应该是一样的，但是，因为实际生产工艺、装配等因素影响，实际上每一台表的误差曲线是不同的【烈。图３为某一膜式燃气表的实际典型的误差曲线，其中横坐标ｘ轴为检定的流量点，纵坐标Ｙ轴为相对误差值（％）。（２）储气罐中的死体积。每次配气之前都要对储气罐进行清洗工作，防止上次配气未用完的残气对本次配气造成影响。可用管道天然气进行清洗。但是储气罐内有一定体积的气体始终无法排出，称为储气罐的死体积。在配气计算中一定要把洗气剩下的死气体计算在内，否则会出现配气错误。万方数据吕赵键等·多气源天然气互换性研究中的配气问题２．Ｏ１．Ｏ。～。·３ｑⅧｕ。－５ｑⅡｍ。＿７ｑⅡｍ。两，Ｉ：］二；：；一，ｒ。’１＿图３某一膜式燃气表的实际误差曲线（３）储气罐中的密封油。湿式储气罐常用水密封，为避免ＣＯ：溶解在水中造成不可控制的配气后果，可在水面上方加注一定量的密封油。由此可避免ＣＯ：溶解于水的问题，但造成了所配气体中的重烃组分与密封油之间可能发生溶解和稀释的问题。表８为Ｃ。及ｃ。以上各组分的沸点常数。天然气中重烃的含量很小，所以分压力也很小，因此当温度高于５℃时，Ｃ。（甚至ｃ，）都处于气体状态。但当温度低于某组分的液化临界温度时，该组分就会溶解到密封油中【引。除了Ｃ４２及Ｃ。以上组分会因为液化与密封油发生溶解现象外，天然气中的气体组分包括在储气罐实际储存条件下不易液化的Ｃ，及其以下组分，在储气罐中也存在溶解释放平衡过程。表８天然气中某些成分的沸点常数纛、二。项蟊二：二……”’ｉ７…’’‘‘ｊｉ目，一…。沸点常数门Ｇ｛一～…一丁烷－０．５异丁烷一１１．７正异丁烯－６．９反丁烯０．９顺丁烯３．７异戊烷２９．９正戊烷３６．１密封油与天然气的接触面积和接触时间都会影响溶解速度。因而可以通过缩短每次所配气体的使用时２０１Ｉ／０９总第４３９期ｌ２７间（即提高单次配气的使用效率）和组分含量相近的５结论在研究多气源天然气的互换性问题时，可考虑采气种集中配气来降低所配气各成分在密封油中的溶解程度。（４）配制气中含水问题。天然气本身不含有水蒸气，但由于储气罐中水分的蒸发导致配制气中含有了一定的水分。在试验测试过程中可利用冰柜对配制气降温、除湿，以显著降低配制气中的水蒸气含量。（５）进气顺序的确定。由于各原料气的密度不用传统的＝三组分配气法和纯组分配气法。前者仅可保证配制气和目标气的华白数、燃烧势相等，并不能保证配制气与目标气在燃烧特性上的一致性。后者需耗费昂贵的纯组分气体，实验工作量较大时，纯组分气体成本巨大。本文提出了一种将实验室内的管道天然气与纯组同，在储气罐内存在重气下沉、轻气上升的现象。若进气口在储气罐的下端，应先进重气、再进轻气；反之，若进气口在其上端，则应先进轻气、再进重气。这样在没有罐内搅拌器的情况下，可利用进气过程加强混合，避免出现分层现象。对天然气多气源互换性实验，配气过程中应对每种原料气采用多次进气的方法。阀门开关按要求及先后顺序严格进行。每种原料气在进气管道上的安装先后顺序应该保证进气前管内气体成分和进气完成后管内残留的气体成分相同，并能减小冈管路容积造成的配气误差。配气完成后，根据配气量静置２ｈ～８ｈ。如果储气罐内有搅拌器，则在用气前需强制循环混气，此时更利用气体的混合。（６）配气过程的气相色谱监测。每次配气时，先按照需要的组分，依次进气，但总体积并不是储气分结合的配气方法，以气相色谱仪的精度作为单一组分之问的允许偏差，并辅以ＡＧＡ指数法和ｗｅａｖｅｒ指数法来判断目标气与配制气的可互换性。经过有针对性的设备改装与操作，可实现低成本、高复现性的配气工艺，用于多气源天然气的互换性实验研究。罐的容积，而是小于该容积的某个量。在所有组分全部输入、搅拌一段时间后，取样分析最终得到的配制气，根据分析结果来确定是否需要再补充少量的某组分。广东樟木头燃气规划通过评审２０１１年７月２９日，《樟木头镇燃气规Ｊ￡ｌＪ２０１１－－速发展阶段，樟木头在这期间将投入６５１２万元，建设ＬＮＧ储配站和ＣＮＧＪＪＩＩ气站，铺设燃气管网２１、５ｋｍ。届时，管道天然气将覆盖全镇，每个家庭都将用上安全洁净、价格低廉的天然气。预计Ｎ２０１５年，樟木头全镇年用气量达４５１９万ｍ３，是２０１０年的７倍。（本刊通讯员供稿）２０２０》通过专家评审。从今年开始，广东樟木头将投入６０００多万元，加快管道天然气的建设步伐，越来越多的市民将告别瓶装气时代，逐步用上安全洁净、价格低廉的管道天然气。《樟木头镇燃气规划２０１ｌ一２０２０》分为近期规划和远期规划，其中２０ｌ１年至２０１５年是高２８Ｉ城市燃气．月刊万方数据多气源天然气互换性研究中的配气问题
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吕赵键， 秦朝葵， 戴万能， Lv Zhaojian， Qin Chaokui， Dai Wanneng同济大学机械工程学院 201804城市燃气
CHENGSHI RANQI2011(9)1次
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引用本文格式：吕赵键.秦朝葵.戴万能.Lv Zhaojian.Qin Chaokui.Dai Wanneng 多气源天然气互换性研究中的配气问题[期刊论文]-城市燃气2011(9)