河南天倫燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司 徐維廣 趙軍鋒 王 帥
中裕城市能源投資控股(深圳)有限公司 王傳惠
我國天然氣用氣量逐年大幅增長,冬季用氣高峰時期國內(nèi)普遍出現(xiàn)供氣緊張局面。為了保證居民用戶用氣,部分工業(yè)用戶不得不關(guān)停設(shè)備以滿足居民用氣的保供要求。玻璃生產(chǎn)用戶一般不允許隨意停氣。針對高峰供氣階段,液化天然氣(LNG)作為調(diào)峰及補充氣源發(fā)揮了巨大的作用。
LNG根據(jù)采購來源分為進(jìn)口與國產(chǎn)兩種。氣源的多樣性必然導(dǎo)致LNG氣體組分占比不同,熱值也有一定差距,而氣源熱值的不同會造成燃燒設(shè)備熱效率下降、污染物排放超標(biāo)等問題。對于大型玻璃、陶瓷等工業(yè)用戶而言,輕微的燃?xì)鉄嶂挡▌訒?dǎo)致燃燒溫度變化,造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。本文通過各類氣源熱值分析、氣源互換性計算、氣質(zhì)調(diào)節(jié)安全性驗證等對作為調(diào)峰氣源的LNG進(jìn)行氣質(zhì)調(diào)節(jié)的可行性分析,具有較大的現(xiàn)實意義。
GB 17820-2018《天然氣》中取消了“三類氣”的定義,重新定義了“一類氣”、“二類氣”的標(biāo)準(zhǔn),對高位發(fā)熱值、總硫、硫化氫和二氧化碳等質(zhì)量指標(biāo)的要求均有所提高,標(biāo)準(zhǔn)參比條件下要求天然氣高位熱值應(yīng)≥31.4 MJ/m3。
對城鎮(zhèn)燃?xì)鈶?yīng)按燃?xì)忸悇e及特性指標(biāo)華白數(shù)分類,并應(yīng)控制華白數(shù)和熱值的范圍。GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惣盎咎匦浴分幸?guī)定,對于城鎮(zhèn)常規(guī)使用的12T天然氣規(guī)定的高熱值標(biāo)準(zhǔn)為37.78 MJ/m3,高熱值范圍應(yīng)為31.97~43.57 MJ/m3;高華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為50.72 MJ/m3,高華白數(shù)范圍應(yīng)為45.66~54.77 MJ/m3。本文所做的玻璃生產(chǎn)用戶LNG氣質(zhì)調(diào)節(jié)可行性論證,均是在滿足上述天然氣相關(guān)規(guī)范的前提下進(jìn)行的。
本文分別收集了各種進(jìn)口LNG、國產(chǎn)LNG和管道天然氣的氣源高位熱值數(shù)據(jù),統(tǒng)計了各類氣源的高位熱值平均數(shù),并分別就各類熱值進(jìn)行了對比分析。
進(jìn)口LNG的高位熱值平均值為40.952 MJ/m3,國產(chǎn)LNG的高位熱值平均值為36.581 MJ/m3,國產(chǎn)管道天然氣的高位熱值平均值為37.70 MJ/m3。管道天然氣高位熱值平均值和GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴芬?guī)定的12T天然氣的標(biāo)準(zhǔn)高位熱值37.78 MJ/m3數(shù)值基本一致,數(shù)據(jù)可靠性較高。
由此得出,天然氣熱值高位熱值平均值大小一般為:進(jìn)口LNG>國產(chǎn)管道氣>國產(chǎn)LNG。進(jìn)口LNG高位熱值較國產(chǎn)LNG高位熱值高約12%;進(jìn)口LNG高位熱值較國產(chǎn)管道氣高位熱值高約9%;國產(chǎn)管道氣高位熱值較國產(chǎn)LNG高位熱值高約3%。經(jīng)組分對比分析,進(jìn)口LNG熱值高,一般是其C2及以上組分濃度較國產(chǎn)LNG高所致。
各類氣源的熱值統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。
表1 各類氣源高位熱值統(tǒng)計數(shù)據(jù) MJ/m3
多種氣源不同比例的混輸必然導(dǎo)致氣源熱值的波動,可能對燃?xì)飧黝愑脩粼O(shè)備的燃燒效率、污染物排放等構(gòu)成影響。國內(nèi)多位學(xué)者開展了燃?xì)饣Q性方面的理論及實踐研究,李漢勇等人[1]對陜京二線天然氣摻混LNG的灶具適配性研究結(jié)論為例,當(dāng)氣源從100%管輸天然氣替換為100%LNG時,其華白數(shù)增加了7.27%。當(dāng)LNG摻混比例提高到80%時,所有灶具的熱效率均出現(xiàn)了下降現(xiàn)象,部分灶具熱效率甚至低于50%;且CO排放指標(biāo)顯著增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的500×10-6。
我國自1987年正式推出德爾布燃?xì)饣Q性理論,提出采用華白數(shù)、燃燒勢兩個主要指標(biāo),并輔以修正系數(shù)及黃焰指數(shù)等次要指標(biāo)來分析和判斷燃?xì)獾幕Q性[2]。相關(guān)研究表明,在進(jìn)行實際燃?xì)饣Q性應(yīng)用、燃?xì)獾呐錃庥嬎銜r,采用華白數(shù)這一關(guān)鍵指標(biāo)具有較高的準(zhǔn)確度,同時采用其他指標(biāo)作為輔助驗證。
若兩種燃?xì)獾臒嶂岛兔芏染幌嗤?,但只要它們的華白數(shù)相等,就能在同一燃?xì)鈮毫ο潞屯蝗季呱汐@得同一熱負(fù)荷。華白數(shù)的計算公式為:
式中:W——燃?xì)飧呷A白數(shù),MJ/m3;
H——不同燃?xì)鈿庠吹母邿嶂?,MJ/m3;
s——燃?xì)鈿庠吹南鄬γ芏?空氣相對密度為1)。
當(dāng)進(jìn)行燃?xì)鉄嶂嫡{(diào)節(jié)時,有兩種或以上氣源參與混合,因本文確定的摻混氣體為空氣,熱值為0,華白數(shù)推理公式簡化為:
式中:W——混合氣的高華白數(shù),MJ/m3;
H1——LNG氣體的高熱值,MJ/m3;
x1——LNG氣源的比例系數(shù);
s1——LNG氣體的相對密度(空氣相對密度為1);
s2——摻混用空氣的相對密度(s2=1)
GB/T 13611-2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惣盎咎匦浴芬?guī)定,12T天然氣的高華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為50.72 MJ/m3,高華白數(shù)范圍為45.66~54.77 MJ/m3。這間接規(guī)定了燃?xì)鈸交斓谋壤蟆?/p>
混氣比例計算時以國內(nèi)現(xiàn)狀管道天然氣的高位熱值作為參考指標(biāo),摻混后氣體高位熱值以不低于國內(nèi)現(xiàn)狀管道天然氣的高位熱值為原則。以表1中統(tǒng)計的進(jìn)口LNG的熱值平均值為例,可計算出進(jìn)口LNG摻混空氣的比例,最大摻混比例為7.94%,具體摻混比例以實際氣源熱值為準(zhǔn)。
以簡化后的華白數(shù)公式進(jìn)行計算,摻混比例在1%~8%之間時,高位華白數(shù)在49.03~54.21 MJ/m3之間,該數(shù)值在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)摻混比例繼續(xù)增大至12.8%時,高位華白數(shù)為45.66 MJ/m3,達(dá)到規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn),即僅考慮華白數(shù)指標(biāo)時,最大摻混比不得大于12.8%。在進(jìn)行進(jìn)口LNG氣源熱值調(diào)節(jié)時,若燃?xì)飧呶粺嶂禎M足規(guī)范要求,華白數(shù)指標(biāo)亦能夠滿足要求。不同摻混比下的高位熱值與華白數(shù)計算結(jié)果,如圖1所示。
圖1 不同摻混比例下的高位熱值與華白數(shù)
計算多組分混合氣體的爆炸極限時,已知混合氣中每種組分氣體的體積分?jǐn)?shù)和爆炸極限。當(dāng)添加空氣或氮氣后,計算時即扣除空氣及惰性氣體的體積含量,并重新調(diào)整可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)占比,可通過式(3)進(jìn)行計算。
式中:L——可燃?xì)怏w的爆炸極限,%;
n——混合氣中的可燃?xì)怏w組分?jǐn)?shù);
Vi——混合氣中扣除空氣或氮氣后,各組分的體積分?jǐn)?shù);
Li——各組分的爆炸極限。
如采用天然氣中摻入少量氮氣來調(diào)節(jié)熱值,混合氣中的惰性氣體增加,相關(guān)研究表明此時混合氣的爆炸極限范圍將縮小,爆炸下限有少量上移,爆炸上限卻下移很多,氣體安全性提高。如采用天然氣中摻入少量空氣來調(diào)節(jié)熱值,以純甲烷為例,在摻混10%的空氣后,計算可得天然氣的爆炸極限范圍由5%~15%變?yōu)?.6%~16.7%,混合氣中的可燃?xì)怏w含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其爆炸上限的3倍以上,混合氣的安全性有保障,混氣是可行的。
天然氣熱值的調(diào)節(jié)方式有多種,可以提高熱值,也可以降低熱值。熱值調(diào)節(jié)主要通過加入高熱值氣體、輕烴回收、注入氮氣或空氣等方案進(jìn)行。
混氣裝置的形式主要有三種,即引射混氣、比例混合閥混氣和隨動流量混氣。對于用氣壓力較低但用氣量較大的用戶,可選擇采用引射方式完成混氣,一般用于低壓摻混。對于用氣壓力較高且用氣量較大的用戶,可采用高壓比例摻混方式,但此種方案適用于氣量穩(wěn)定性較高的場合,用于瞬時流量波動較大的場合則精確度不高。如要求更加精準(zhǔn)的摻混,確保摻混氣體的熱值保持在一個相對恒定的范圍內(nèi),可采用隨動流量混氣方式。
隨動流量混氣工藝流程一般需設(shè)置調(diào)壓裝置、比例調(diào)節(jié)閥門、流量計、混氣裝置和熱值檢測設(shè)備,并通過PLC控制裝置實現(xiàn)在線檢測和反饋,確保出站氣體的熱值恒定在某一個范圍。熱值調(diào)節(jié)所需工藝設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場條件、設(shè)備配置、設(shè)計流量等條件的不同而采取不同配置,工藝流程見圖2。
圖2 隨動流量混氣工藝流程
玻璃生產(chǎn)用戶對燃?xì)鉄嶂档牟▌臃秶舾?,為保障玻璃生產(chǎn)企業(yè)成品率、提高燃?xì)饫眯?、穩(wěn)定燃?xì)夤鉄嶂捣秶?,可對進(jìn)口LNG氣源氣質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)各類氣源統(tǒng)計,進(jìn)口LNG的高位熱值平均值為40.952 MJ/m3,國產(chǎn)LNG為36.581 MJ/m3,國產(chǎn)管道天然氣為37.70 MJ/m3。這為進(jìn)口LNG氣源熱值調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)條件。氣源按恒定熱值供氣及計價,可確保用戶所用燃?xì)馔|(zhì)同價,亦是未來燃?xì)庥嬃堪l(fā)展的趨勢。
本文按各類氣源的平均熱值計算得出:進(jìn)口LNG平均摻混空氣的最大比例為7.94%,則華白數(shù)校核符合規(guī)范要求;經(jīng)混氣安全性理論校核后也表明安全性有保證,且具備氣質(zhì)調(diào)節(jié)可行性。