多气源天然气混合调配问题的探索与研究

中国天然气市场已进入高速发展阶段，自2000年以来，国内天然气产量年均增长高达13.7%，据中国石油和化学工业协会统计，国内能源结构中，目前天然气比例不到4%，远低于世界24.1%的平均水平，按国家能源局的规划，未来的20年里，天然气在能源结构中的比重将提高到8.0%以上，天然气需求将达到4000＊108 m3，多种途径不同气源的天然气将大规模进入中国［1］。出于提高天然气气源供应的稳定性和可靠性、拓展气源采购范围、降低采购成本等诸多方面的考虑，国内各大型管网在资源供应上采取了多个气源方，以多点多方位对同一管网供气，从而构成了天然气管网的多气源供应格局，因天然气产地及生产工艺的差异，各气源间的组成和物性参数存在不同，如何确保多种气源在同一管网中稳定、安全、可靠地输送，是国内外亟待解决的技术难题［2］，本文结合安徽省天然气公司多年来在多气源调配方面的实践和探索，论证了多气源调配的必要性，提出了多气源混输管网的供气方案，为国内大型多气源混输管网的供气提供一定技术指导，具有十分重要的现实意义。

1 国内外研究现状

多气源调配问题是国际上许多国家试图解决的一个技术难题，法国在1997年9月16日发布政府令，准许在2种不同类型的输配管网中，输送 H型天然气和B型天然气，H B型管网内的天然气热值范围分别是:38.52～40.08MJ/m3 和34.20～37.80MJ/m3（参比条件:0℃，101.325k Pa），两套热值不同的天然气输配管网分别供应不同类型的天然气，解决气源不匹配而带来的互换性问题。美国一直面临气源互换性难题，美国联邦能源监管委员会规定天然气的热值标准为37.26MJ/m3，随着LNG进口量增加，气源越来越复杂，美国燃气协会和其他互换性及互换性指标的研究机构做了大量的工作，许多管道和输配公司在管理互换性方面也积累了大量经验，目前仍处于不断地探索阶段。日本虽然没有全国性的管网，但日本规定各地天然气公司都要遵守46.05MJ/m3的标准热值，韩国的燃气公司设置的天然气热值标准为43.96MJ/m3，采用增热方案。

目前，我国已开始重视多气源调配问题，但所进行的系统研究比较少，大多是借鉴国外的经验和议论性建议，缺乏足够的实际研究。安徽省天然气公司作为安徽省政府全省天然气资源调控平台，公司主要负责投资、建设、经营和管理安徽全省天然气支干线管网；投资开发省内天然气、煤层气、煤制气、LNG等资源项目；代表安徽省向上游购买天然气资源，向城市管网和大用户销售天然气；公司自成立以来，按照“多气源、一张网”的战略部署，以“西气东输”、“川气东送”两大国家重点工程途经安徽为契机，积极引进“西气”和“川气”两大气源，着力开展省内天然气管网投资建设，对促进全省天然气事业快速发展，尽力保障全省天然气管网安全稳定运行发挥了较大作用。目前，公司已建成年输气能力达四十亿余立方米的长输管线13条，总里程达800k m；年加气能力达13000万立方米的CNG加气母站4座，具备覆盖全省的供气能力；取得广德县、和县、江北产业集中区、江南集中区和庐江经开区等区域的燃气经营权，积极参与城市天然气管网的开发建设和投资经营。

2 气源调配

2.1 气源调配的目标

气源调配的目标是通过对天然气输气管网的多气源来气总体格局的分析以及对下游用户市场现状的调查，针对多气源的燃气互换性以及多气源条件下的气质调整技术可靠性、适应性和经济性进行研究，明确天然气气质允许的变化范围，在保证终端设备运行安全可靠、高效环保的前提下，最大限度地增加使用各种天然气资源的可能性，扩大天然气供应以满足市场需求。

2.2 气源调配的具体技术路线

2.2.1 分析混合气源的组分

多气源调配首先要分析混合气体的组成成分，天然气质量的互换性决定了不同气体间的可混合性。由于气源的区域性，不同气源在性质和热值上会有微小的差异，如烷类含量比例，CO2、N2等惰性气体的含量等，而这些差异会产生以下影响:如天然气的燃烧特性的改变、火焰温度的升高导致废气中NOx含量升高、对燃气质量要求高的燃烧装置如燃气轮机等导致其效率降低、干扰工艺流程的控制从而影响流量计的精度等，为确保多气源混合后下游用气设备的安全、效率及烟气排放是天然气互换性的一个最基本原则。因此，气体质量上的可互换性是多气源混合输送的一个基础。在确定两种气源能混合输送后，要严格控制混气比例以确保下游单位对天然气的燃烧特性的需求。

安徽省天然气开发股份有限公司目前主要采用西气东输和川气东送两大气源，为解决公司某支线用气高峰单一气源不能满足下游需求的困境，公司采用西气、川气混合的方案予以解决。西气川气组分见表1，（参比条件0℃、绝对压力101.325k Pa）

表1 西气川气组分参数表

2.2.2 依据混合后天然气密度设定流量计密度的调整值

混合气源会对计量产生一定的影响，生产企业给出了电子计控器中质量换算成体积的公式:

体积＝质量/密度×仪表系数（或当量系数）

在上式中，决定体积数值的有三个参数。一是质量，即质量流量计所称出来的量，这一数值准确与否取决于计量检定机构；二是仪表系数（当量系数），这是厂家为修正质量流量计所设定的，每个流量计生产厂设定不同。如重庆巨创初始系数为1；郑州格瑞克初始系数为2；成都华气厚普起名为:当量系数，初始系数为28000。每次检定中，通过调整这一参数，修正质量流量计误差，但检定有效期内不允许再行更改；三是密度，密度是影响体积结算值的关键数据。因为天然气的组分不同，它的密度也会有变化，所以密度是影响体积换算的一个关键数据。

①天然气理想气体相对密度的计算公式［3］为:

式中:d 0为天然气理想气体的相对密度；Xj为天然气组分j的摩尔分数；Mj为天然气组分j的摩尔质量；Mair为标准组成的干空气的摩尔质量，根据国家标准［3］取 Mair＝28.9626g/mol。经计算得:d 0＝0.8789。

②天然气实际相对密度

实际工况中天然气为非理想气体，在计算其密度、相对密度的实际值时需要对气体进行修正，这种修正是通过使用压缩因子Zmix来完成的。天然气实际相对密度计算公式［3］为:

式中:d（t，p）为天然气实际相对密度；Zmix（t，p）为天然气压缩因子；Zair（t，p）为标准组成干空气的压缩因子。

根据国家标准［3］取Zair（293.15k，101.325k Pa）＝0.9996，天然气压缩因子Zmix（t，p）的计算由下式完成:

式中为天然气组分j的求和因子；XH为天然气中氢气含量的摩分数（取XH＝0）。

③天然气理想气体密度

理想气体密度的计算公式为:

式中:ρ0（t，p）为天然气理想气体的密度；R 为摩尔气体参数（R＝8.3145J/mol/K）；T 为绝对温度；P为压力。经计算得ρ0。

④天然气实际密度

天然气实际密度的计算公式为:

将ρ0（293.15k，101.325k Pa），Zmix（293.15k，101.325k Pa）代入上式得天然气实际密度ρ（293.15k，101.325k Pa）。依据计算得出的混合后天然气密度参照工况和用户统计表设定流量计密度的调整值。

2.2.3 调峰

由于下游用气的不均衡再加上CNG站场的影响，造成长输管网供气过程的较大波动，为使管网压力波动在允许范围以内，需要运用多种手段进行削峰填谷。对于区域性的天然气公司，建造储气库进行调峰的成本太高，就安徽省天然气公司而言不可能建造大的储气库，因此利用多气源和现有的管道进行调峰就成为最好的选择。其中又以川气西气这两种气质组成相近的气源互补最为常用。当西气管线（三十埠—龙塘—巢湖）管压持续下降且上游流量将至上限时，采用川气（安庆—肥西—龙塘）以补西气的不足，川气和西气混合使用，对于混合气源的量的控制需要经过科学的计算分析出混合器的成分、密度，综合考虑混合后对计量的影响，从而使生产安全平稳和最大程度的保证了公司的运营成本。

3 结束语

随着国内多气源供应格局的不断形成，多气源混和调配将是天然气市场的方向，国内大型天然气管网及城市管网均存在的问题，影响着天然气工业的安全性、经济性，多气源混和调配不单是一个技术问题，而是一个技术经济问题，可能有不同的解决方案，为此，各天然气公司应该依据自身管网现状与气源供应特点，结合具体情况，以安全性 、可靠性和经济性为原则，优选出合理的供气解决方案，确保管网运行安全和广大用户的利益。