徐曉菊 詹淑慧 丁國(guó)玉

（1.北京建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100045）

0 引言

北京市作為全國(guó)的政治和經(jīng)濟(jì)文化中心，必須建立全面的天然氣資源供應(yīng)保障體系，以應(yīng)對(duì)突發(fā)性供氣中斷，確保天然氣供應(yīng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。北京市目前已利用的氣源主要為中國(guó)石油長(zhǎng)慶、青海、華北油田的管道天然氣?！笆濉逼陂g，北京市將構(gòu)成6大天然氣氣源供應(yīng)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(yuǎn)期北京市還將有俄羅斯東西伯利亞、中亞地區(qū)管道天然氣和亞太地區(qū)LNG的資源。然而，北京市天然氣管網(wǎng)作為統(tǒng)一的城市管網(wǎng)，在輸運(yùn)不同氣源的天然氣時(shí)，必須要提前考慮燃?xì)獾幕Q性問(wèn)題。筆者擬對(duì)北京市不同氣源天然氣的互換性問(wèn)題作一分析。

1 氣源不同可能導(dǎo)致的問(wèn)題

不同氣源的天然氣因產(chǎn)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(shí)進(jìn)入一個(gè)管網(wǎng)，將有可能出現(xiàn)如下問(wèn)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(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)不同方位用戶的燃具實(shí)際熱負(fù)荷不同；② 因管網(wǎng)各氣源間的“分界面”處于動(dòng)態(tài)變化中，會(huì)導(dǎo)致部分用戶使用的氣源種類反復(fù)變化；③ 用戶同網(wǎng)同價(jià)，但消費(fèi)者實(shí)際使用的天然氣熱值不一定相同，導(dǎo)致結(jié)算不公平，損害部分消費(fèi)者的利益；④ 部分對(duì)燃?xì)饨M分、熱值要求較高的特殊用戶，使用不同的氣源會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。

因此，必須要考慮利用相關(guān)的燃?xì)饣Q性判斷法進(jìn)行天然氣互換性分析和計(jì)算，以解決不同氣源可能導(dǎo)致的問(wèn)題。

2 A.G.A指數(shù)判定法

目前，國(guó)內(nèi)外燃?xì)饣Q性判斷方法主要有華白指數(shù)法、美國(guó)A.G.A（American Gas Association美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)）指數(shù)判定法、韋弗指數(shù)法、法國(guó)德?tīng)柌挤ā⑷紵匦耘卸ǚ?。這些方法各有利弊，其中A.G.A指數(shù)判定法和德?tīng)柌挤ㄊ悄壳肮J(rèn)的較有影響的兩種判定方法，能適應(yīng)多種燃?xì)獾幕Q性判定，對(duì)比鄒雪春等［2-3］進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。筆者將采用A.G.A指數(shù)判定法對(duì)北京市規(guī)劃天然氣氣源的互換性進(jìn)行分析與計(jì)算。

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

1）IL。以燃?xì)饣Q后火孔熱強(qiáng)度qs下的一次空氣系數(shù)與離焰極限一次空氣系數(shù)之比來(lái)表示IL：

式中，Ka、Ks分別為基準(zhǔn)氣和置換氣的離焰極限常數(shù)； fa、 fs分別為基準(zhǔn)氣和置換氣的一次空氣因數(shù)；aa、as分別為基準(zhǔn)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(yù)先算出基準(zhǔn)氣和置換氣的變量f、a和K后，即可用IL判定這兩種燃?xì)馐欠窨梢曰Q。從理論上講，若IL＜1，就能獲得穩(wěn)定火焰；若IL＞1就會(huì)發(fā)生離焰現(xiàn)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(shù)判定法，對(duì)多種置換氣在各種典型燃具上作了試驗(yàn)，確定了為防止回火所要求的IF極限值。

3）IY。即燃?xì)饣Q后某熱負(fù)荷下的一次空氣系數(shù)與互換后該熱負(fù)荷下的黃焰極限一次空氣系數(shù)之比，公式為：

當(dāng)用一種燃?xì)馊ブ脫Q另一種燃?xì)鈺r(shí)，把用A.G.A指數(shù)判定法公式計(jì)算出的結(jié)果與表1比較，只有當(dāng)IL、IF、IY3個(gè)指數(shù)同時(shí)符合規(guī)定時(shí)，才能置換。

3 北京市規(guī)劃氣源互換性分析

根據(jù)北京市規(guī)劃氣源的情況，現(xiàn)將各氣源的參數(shù)列表（表2）。

利用指數(shù)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(jìn)口LNG由于產(chǎn)地不同，氣質(zhì)參數(shù)的差異性較大，可能會(huì)出現(xiàn)與其他氣源不能互換的問(wèn)題，因此必須采取相關(guān)的方法解決燃?xì)饣Q的問(wèn)題。因北京市現(xiàn)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(zhǔn)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(yùn)用A.G.A指數(shù)判定法進(jìn)行互換性計(jì)算，得到各互換指數(shù)并對(duì)比互換極限，見(jiàn)表3。

4 解決燃?xì)饣Q的方法

4.1 國(guó)外的解決方法

1）天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)化。為解決燃?xì)饣Q性的問(wèn)題，許多國(guó)家采取了入網(wǎng)天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)化的方法，將天然氣熱值加以限定。如：① 美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)規(guī)定美國(guó)天然氣的熱值標(biāo)準(zhǔn)為37.26 MJ／m3；② 韓國(guó)燃?xì)夤驹O(shè)置的天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)為43.96 MJ／m3；③ 日本規(guī)定熱值標(biāo)準(zhǔn)為46.05 MJ／m3。

表1 各種天然氣的互換極限表

表2 北京規(guī)劃氣源氣質(zhì)組成及參數(shù)表

表2 北京規(guī)劃氣源氣質(zhì)組成及參數(shù)表（續(xù)）

表3 北京市規(guī)劃天然氣互換性指標(biāo)表

2）燃具適應(yīng)性研究。在燃具適應(yīng)性研究方面比較突出的國(guó)家是比利時(shí)，在研究的基礎(chǔ)上投資開(kāi)發(fā)適應(yīng)能力強(qiáng)的天然氣燃具，以適應(yīng)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(guó)通過(guò)將不同熱值的天然氣混配，調(diào)制成符合用戶需求的混合氣來(lái)解決天然氣互換性差的問(wèn)題。

4）建設(shè)兩套熱值不同的天然氣輸配管網(wǎng)。法國(guó)政府準(zhǔn)許在本國(guó)兩種不同類型的輸配管網(wǎng)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(wǎng)分別供應(yīng)不同類型的天然氣用戶，以此解決氣源不匹配而帶來(lái)的互換性差的問(wèn)題［4］。

4.2 各方法分析與比較

在以上解決燃?xì)饣Q性的方法中，天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)化和燃具適應(yīng)性研究在北京市是比較可行的。GB／T 13611-2006城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦砸褜?duì)各類燃?xì)獾娜A白數(shù)和燃燒勢(shì)限定了范圍，各城市應(yīng)遵循這一標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)推進(jìn)天然氣熱值的標(biāo)準(zhǔn)化，保證燃?xì)獾幕Q性，此舉同時(shí)能規(guī)范天然氣市場(chǎng)，保障天然氣消費(fèi)者的利益。對(duì)于燃具的適應(yīng)性問(wèn)題，燃具制造行業(yè)應(yīng)針對(duì)我國(guó)未來(lái)氣源多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，研制高適應(yīng)性的燃具，以擴(kuò)大燃具的適用范圍，從用戶方面解決氣源的互換性問(wèn)題。

如果將不同熱值的天然氣混配后供應(yīng)北京市，則需要大容量天然氣存儲(chǔ)設(shè)施，且北京管道天然氣氣源不便于統(tǒng)一調(diào)配；由于北京市天然氣輸配管網(wǎng)已規(guī)劃建設(shè)成型，建設(shè)兩套熱值不同的天然氣輸配管網(wǎng)要考慮征占土地和建設(shè)投資等多方面因素，也是不可行的。

5 結(jié)論

1）“十二五”期間及未來(lái)遠(yuǎn)期，北京市將形成多氣源天然氣供應(yīng)系統(tǒng)。天然氣因產(chǎn)地和類型不同，其組分及燃燒特性差異較大。不同氣源同時(shí)進(jìn)入城市管網(wǎng)前，必須分析計(jì)算其互換性。

2） 以陜甘寧天然氣為基準(zhǔn)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(yùn)用A.G.A指數(shù)判定法進(jìn)行互換性計(jì)算。結(jié)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(jìn)入城市管網(wǎng)前須采取相關(guān)措施。

3）對(duì)于研究證明不可互換的天然氣，可采取入網(wǎng)天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)化、燃具適應(yīng)性研究、不同熱值天然氣混配及建設(shè)兩套熱值不同的天然氣輸配管網(wǎng)等一系列措施加以解決。

4）在解決燃?xì)饣Q問(wèn)題的方法中，天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)化、燃具適應(yīng)性改進(jìn)對(duì)北京市比較可行；而不同熱值天然氣混配及建設(shè)兩套熱值不同的輸配管網(wǎng)這兩種方法，由于受到技術(shù)、征占土地和建設(shè)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?xì)猓?009，412（6）：3-14.

［2］鄒雪春，梁棟.燃?xì)饣Q性幾種常用判定方法的比較與選擇［J］.廣州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，6（3）：87-90.

［3］詹淑慧.燃?xì)夤?yīng)（第2版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

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