北京市規劃天然氣氣源互換性分析

徐曉菊 詹淑慧 丁國玉

（1.北京建筑工程學院，北京 100044；2.北京市城市規劃設計研究院，北京 100045）

0 引言

北京市作為全國的政治和經濟文化中心，必須建立全面的天然氣資源供應保障體系，以應對突發性供氣中斷，確保天然氣供應的安全性、可靠性和穩定性。北京市目前已利用的氣源主要為中國石油長慶、青海、華北油田的管道天然氣。“十二五”期間，北京市將構成6大天然氣氣源供應體系，包括陜京一線、二線、三線、四線，大唐煤制天然氣和唐山到港LNG；遠期北京市還將有俄羅斯東西伯利亞、中亞地區管道天然氣和亞太地區LNG的資源。然而，北京市天然氣管網作為統一的城市管網，在輸運不同氣源的天然氣時，必須要提前考慮燃氣的互換性問題。筆者擬對北京市不同氣源天然氣的互換性問題作一分析。

1 氣源不同可能導致的問題

不同氣源的天然氣因產地和類型不同，其組分及燃燒特性差異較大。如果組分、燃燒特性差異較大的天然氣同時進入一個管網，將有可能出現如下問題［1］：① 由于居民用戶選用的燃具類別相同，差異較大的氣源會導致管網內不同方位用戶的燃具實際熱負荷不同；② 因管網各氣源間的“分界面”處于動態變化中，會導致部分用戶使用的氣源種類反復變化；③ 用戶同網同價，但消費者實際使用的天然氣熱值不一定相同，導致結算不公平，損害部分消費者的利益；④ 部分對燃氣組分、熱值要求較高的特殊用戶，使用不同的氣源會影響產品質量。

因此，必須要考慮利用相關的燃氣互換性判斷法進行天然氣互換性分析和計算，以解決不同氣源可能導致的問題。

2 A.G.A指數判定法

目前，國內外燃氣互換性判斷方法主要有華白指數法、美國A.G.A（American Gas Association美國燃氣協會）指數判定法、韋弗指數法、法國德爾布法、燃燒特性判定法。這些方法各有利弊，其中A.G.A指數判定法和德爾布法是目前公認的較有影響的兩種判定方法，能適應多種燃氣的互換性判定，對比鄒雪春等［2-3］進行了較詳細的研究。筆者將采用A.G.A指數判定法對北京市規劃天然氣氣源的互換性進行分析與計算。

A.G.A指數判定法，主要判定指標有離焰互換指數（IL）、回火互換指數（IF）與黃焰互換指數（IY）3類。

1）IL。以燃氣互換后火孔熱強度qs下的一次空氣系數與離焰極限一次空氣系數之比來表示IL：

式中，Ka、Ks分別為基準氣和置換氣的離焰極限常數； fa、 fs分別為基準氣和置換氣的一次空氣因數；aa、as分別為基準氣和置換氣完全燃燒、平均每釋放105 kJ熱量所消耗的理論空氣量，m3。

在預先算出基準氣和置換氣的變量f、a和K后，即可用IL判定這兩種燃氣是否可以互換。從理論上講，若IL＜1，就能獲得穩定火焰；若IL＞1就會發生離焰現象。

2）IF。公式為：

式中，HS為置換氣的熱值，MJ／m3。

利用A.G.A指數判定法，對多種置換氣在各種典型燃具上作了試驗，確定了為防止回火所要求的IF極限值。

3）IY。即燃氣互換后某熱負荷下的一次空氣系數與互換后該熱負荷下的黃焰極限一次空氣系數之比，公式為：

當用一種燃氣去置換另一種燃氣時，把用A.G.A指數判定法公式計算出的結果與表1比較，只有當IL、IF、IY3個指數同時符合規定時，才能置換。

3 北京市規劃氣源互換性分析

根據北京市規劃氣源的情況，現將各氣源的參數列表（表2）。

利用指數判定法可知，陜甘寧天然氣與俄羅斯管道天然氣、大唐煤制天然氣、唐山到港LNG1具有互換性，但與唐山到港LNG2在未采取措施之前，不能互換。進口LNG由于產地不同，氣質參數的差異性較大，可能會出現與其他氣源不能互換的問題，因此必須采取相關的方法解決燃氣互換的問題。因北京市現使用氣源主要為陜甘寧天然氣，故選取陜甘寧天然氣作為基準氣，分別以俄羅斯管道氣、唐山到港LNG1、LNG2、大唐煤制天然氣作為置換氣，運用A.G.A指數判定法進行互換性計算，得到各互換指數并對比互換極限，見表3。

4 解決燃氣互換的方法

4.1 國外的解決方法

1）天然氣熱值標準化。為解決燃氣互換性的問題，許多國家采取了入網天然氣熱值標準化的方法，將天然氣熱值加以限定。如：① 美國聯邦能源監管委員會規定美國天然氣的熱值標準為37.26 MJ／m3；② 韓國燃氣公司設置的天然氣熱值標準為43.96 MJ／m3；③ 日本規定熱值標準為46.05 MJ／m3。

表1 各種天然氣的互換極限表

表2 北京規劃氣源氣質組成及參數表

表2 北京規劃氣源氣質組成及參數表（續）

表3 北京市規劃天然氣互換性指標表

2）燃具適應性研究。在燃具適應性研究方面比較突出的國家是比利時，在研究的基礎上投資開發適應能力強的天然氣燃具，以適應天然氣氣源組成的變化。

3）不同熱值的天然氣混配。荷蘭和德國通過將不同熱值的天然氣混配，調制成符合用戶需求的混合氣來解決天然氣互換性差的問題。

4）建設兩套熱值不同的天然氣輸配管網。法國政府準許在本國兩種不同類型的輸配管網中，輸送熱值范圍分別是（38.52～46.08）MJ／m3和（34.20～37.80）MJ／m3的天然氣。兩套輸配管網分別供應不同類型的天然氣用戶，以此解決氣源不匹配而帶來的互換性差的問題［4］。

4.2 各方法分析與比較

在以上解決燃氣互換性的方法中，天然氣熱值標準化和燃具適應性研究在北京市是比較可行的。GB／T 13611-2006城鎮燃氣分類和基本特性已對各類燃氣的華白數和燃燒勢限定了范圍，各城市應遵循這一標準，同時推進天然氣熱值的標準化，保證燃氣的互換性，此舉同時能規范天然氣市場，保障天然氣消費者的利益。對于燃具的適應性問題，燃具制造行業應針對我國未來氣源多樣化的發展趨勢，研制高適應性的燃具，以擴大燃具的適用范圍，從用戶方面解決氣源的互換性問題。

如果將不同熱值的天然氣混配后供應北京市，則需要大容量天然氣存儲設施，且北京管道天然氣氣源不便于統一調配；由于北京市天然氣輸配管網已規劃建設成型，建設兩套熱值不同的天然氣輸配管網要考慮征占土地和建設投資等多方面因素，也是不可行的。

5 結論

1）“十二五”期間及未來遠期，北京市將形成多氣源天然氣供應系統。天然氣因產地和類型不同，其組分及燃燒特性差異較大。不同氣源同時進入城市管網前，必須分析計算其互換性。

2） 以陜甘寧天然氣為基準氣，分別以俄羅斯管道天然氣、唐山到港LNG（LNG1、LNG2）、大唐煤制天然氣為置換氣，運用A.G.A指數判定法進行互換性計算。結果表明，陜甘寧天然氣與俄羅斯管道天然氣、大唐煤制天然氣、唐山到港LNG1具有互換性；與唐山到港LNG2互換性較差，故唐山到港LNG2在進入城市管網前須采取相關措施。

3）對于研究證明不可互換的天然氣，可采取入網天然氣熱值標準化、燃具適應性研究、不同熱值天然氣混配及建設兩套熱值不同的天然氣輸配管網等一系列措施加以解決。

4）在解決燃氣互換問題的方法中，天然氣熱值標準化、燃具適應性改進對北京市比較可行；而不同熱值天然氣混配及建設兩套熱值不同的輸配管網這兩種方法，由于受到技術、征占土地和建設投資等因素限制而不可行。

［1］李猷嘉.論液化天然氣與管道天然氣的互換性［J］.城市燃氣，2009，412（6）：3-14.

［2］鄒雪春，梁棟.燃氣互換性幾種常用判定方法的比較與選擇［J］.廣州大學學報：自然科學版，2007，6（3）：87-90.

［3］詹淑慧.燃氣供應（第2版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

［4］溫軍英.統一天然氣熱值的探討［J］.煤氣與熱力，2009，29（2）：1-3.