中国LNG与管道气同网运营分析

摘 要

中国LNG与管道气同网运营分析:从国外引进的LNG来自不同的LNG供应资源,种类较多,其组分及热值与国内运行的管道天然气存在较大差异。当多种气源同网运营时,气质不同,热值相差超过一定范围时,对城市燃气、天然气发电等行业会造成一定的影响。

 当前,我国正处于天然气快速发展的历史时期,我国天然气发展战略为:“立足国内,利用海外,西气东输,北气南下,海气登陆,就近供应。”根据规划,2020年前,我国将建成天然气管道5万km,LNG(液化天然气)接收站接收能力达到5000万t(约700亿m3)/a,使天然气消费在我国一次能源消费结构中的比例从2012年的5.2%提高到12%。

目前,我国已建成9个LNG接收站,分别为中国海洋石油的广州LNG接收站、福建LNG接收站、上海LNG接收站、浙江LNG接收站、珠海LNG接收站、天津浮式LNG接收站,以及中国石油的大连LNG接收站、江苏如东LNG接收站、唐山LNG接收站;在建LNG接收站5个,分别为中国海洋石油的深圳LNG接收站、粤东LNG接收站、海南LNG接收站,以及中国石化的青岛LNG接收站、广西北海LNG接收站;规划建设的LNG接收站约有15个。

从国外引进的LNG来自不同的LNG供应资源,种类较多,其组分及热值与国内运行的管道天然气存在较大差异。当多种气源同网运营时,气质不同,热值相差超过一定范围时,对城市燃气、天然气发电等行业会造成一定的影响。如,GB/T 13611—2006《城镇燃气分类和基本特性》规定,天然气的华白数满足45.67~54.78M J/m3的要求,就能满足燃具的正常使用;而用于发电的燃气轮机对于热值的快速变化则特别敏感,当天然气热值变化超过±10%时,需要调整或改造燃气轮机的燃烧器。因此,进口LNG再气化后能否与国内管输天然气同网运营,是需要考虑的关键问题。

 

1 燃气同网运营的判定

LNG与管道天然气同网运营包括两种情况:一种情况为掺混,即,进口LNG气化后与原有管道天然气混合输送至终端用户,由于掺混量所占比例较小,通常情况下掺混后气质变化不大,其热值满足用户要求;另一种情况为互换,即,进口LNG气化后替换原有管道天然气输送至终端用户,当燃气组分改变后,燃烧器具的燃烧特性、效率和燃烧器喷嘴火焰性质等仍能够满足燃具原有设置要求,则后一种燃气可以替换前一种燃气,即它们之间具有互换性。当两种燃气具有互换性时,方可同网运营。

目前,燃气互换性判定方法主要有沃泊指数(华白数)判定法、燃具燃烧特性曲线图判定法、德尔布(Delbourg)-ff换性判定法、美国燃气协会法(A.G.A)、韦弗指数法和英国气体当量法(Dutton判定法)。国际上以往最通用的是华白数法,目前,则同时采用华白数和燃烧势(德尔布-ff换性判定法)来判定。

1.1 华白数

华白数代表热流量。燃气的华白数不变,表明供应的热量不变,燃具的热负荷也不变。华白数计算公式为:

W=Qg/d1/2    (1)

式(1)中:W——华白数,M J/m3;Qg——燃气高热值,M J/m3;d——燃气相对密度。

1.2 燃烧势

燃烧势代表燃烧稳定性的燃烧速度指数。燃气的燃烧速度不变,则火焰就能稳定。燃烧势计算公式为:

Cp=K×[1.0H2+0.6(CmHn+CO)+0.3CH4]×100/d1/2   (2)

K=1+0.0054O22   (3)

式(2)、式(3)中:Cp——燃烧势;H2、CO、CH4——燃气中氢气、一氧化碳、甲烷含量,%;CmHn——燃气中除甲烷以外的碳氢化合物含量,%;K——燃气中氧含量修正系数;O2——燃气中氧含量,%。

根据我国GB/T13611—2006《城镇燃气分类和基本特性》,城镇燃气按照华白数及燃烧势可分为3大族13类。其中,包括矿井气、沼气在内的天然气分为5类,详见下表。

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一般情况下,当燃气互换时,两种燃气必须属于相同参比条件下的同一类,且控制华白数的变化不大于±(5~10)%。

 

2 国外LNG与管道天然气同网运营技术

2.1 日本

20世纪70年代之前,日本以液化石油气(LPG)和石油气为主,燃气设备适用于这些高热值的燃气。根据日本燃气事业法(2004年6月9日法律第94号)规定,各地天然气公司都要遵守46.05M J/m3的标准热值,此标准热值与LPG热值更接近。

20世纪70年代后,日本开始进口LNG,而LNG的热值普遍低于燃气事业法规定的46.05M J/m3的标准热值。若修改标准,将导致大量燃气设备的更换,要付出一定的经济代价。因此,日本每年进口上亿吨石油,提炼出LPG后掺到天然气中使其热值达到标准。目前,日本正在利用电子技术开发可以适用于不同热值的设备。

日本天然气以体积计价,日本燃气公司根据国际天然气市场价格的变化,定期调整国内燃气价格。

2.2 英国

随着英国天然气需求量的迅速增长,2005年,英国开始大量进口LNG。英国《天然气安全(管理)法规》规定,天然气的华白数范围为47.20~51.41M J/m3,而LNG的华白数普遍高于此值,因此,为了使LNG气质达到规范要求,英国在LNG接收终端采用掺混氮气的方式降低天然气热值。未来,随着燃气用具设计和燃烧技术的不断改进,现有气质要求可能会发生变化。

2.3 欧洲大陆

根据欧洲天然气工业技术委员会的规定,欧洲天然气标准分为L类和H类。其中,L类天然气是荷兰生产的天然气,其华白数较低,为39.1~44.8M J/m3;H类天然气的来源包括英国北海、俄罗斯、阿尔及利亚和尼日利亚,这一类的天然气华白数较高,为40.9~54.7M J/m3。这两类天然气不能相互替换,各自在相对独立的管道内输送。

欧洲各国的管道大多输送H类天然气,只有荷兰、法国、比利时和德国一些地区的管网输送L类天然气。如,在荷兰,L类天然气管网负责向民用、商用和小型工业用户供气;H类天然气管网负责向大型工业用户供气。

欧洲大陆国家的LNG接收终端通常采用将不同热值的LNG掺混或将LNG与当地天然气掺混的方式将华白数的范围调整到符合标准要求的范围内。目前,欧盟委员会正考虑制订新测试标准和燃气用具运行标准,从而生产新的燃气用具,可以适用气质变化范围更广的天然气。

 

3 我国LNG与管道天然气同网运营分析

目前,我国天然气管网已贯通全国,实现了气源供应的多元化,具有多种气源的城镇越来越多,如,上海和北京地区均为多气源供应。正常情况下,进口LNG与管道天然气掺混输送,当供给上海或北京的某一管道天然气发生故障时,分析是否可采用LNG与其进行互换。

3.1 上海多气源天然气互换性分析

上海的多气源天然气供气已有多年历史,平湖油气田于1999年开始向上海供气,是上海城市天然气的主要气源之一;

另外,还包括西气东输管道一线及西气东输管道二线、西气东送的普光气田至上海天然气管道及进口的LNG气源。上海地区主气源天然气组成及相关参数见下表;

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进口LNG的天然气资源有可能来自澳大利亚、印度尼西亚、阿尔及利亚、文莱、伊朗,其组分及物性见下表;

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当主气源中的任何一条管道出现故障,由进口的LNG与之互换时,其华白数差值见下表。

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由表“上海地区主气源组分及性质”“各国LNG组分及性质”可知,平湖油气田输气管道、川气东送输气管道、西气东输管道一线及西气东输管道二线所输送的天然气以及进口LNG均属于12T。

由表“上海地区主气源与各国LNG的华白数差值”可以看出,以主气源为平湖油气田、川气东送及西气东输系统天然气为基准气,上海地区进口LNG与基准气互换时,华白数的差值均在±(5~10)%范围内。因此,上海地区进口LNG与基准气具有互换性,可同网运营。

3.2 北京多气源天然气互换性分析

目前,北京地区除陕-京(陕西—北京)管道一线、陕-京管道二线、陕-京管道三线供气外,还有2013年投产的唐山LNG。因此,北京地区共有4个气源来保障城市天然气的安全供应,其中,唐山LNG的天然气资源与上海地区LNG资源一致。北京地区主气源天然气组成及相关参数见下表,当其中任何一条管道出现故障,由唐山LNG与之互换时,其华白数差值见下表。

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由表“北京地区主气源组分及性质”可知,陕-京管道一线、陕-京管道二线、陕-京管道三线的天然气都属于12T。由表“北京地区主气源与各国LNG的华白数差值”可以看出,以主气源陕-京系统天然气为基准气,唐山LNG接收站引进的LNG与基准气互换时,华白数的差值均在±(5~10)%范围内。因此,进口LNG与陕-京系统天然气具有互换性,可同网运营。

 

4 几点建议

一是,现有天然气品质标准存在不足。《城镇燃气分类及基本特性》中的4T,6T甚至10T类别气体的热值不能满足GB17820—2012《天然气》中热值指标的要求。GB 17820—2012《天然气》中对热值指标规定:大于31.4M J/m3(20℃,101.325kPa时,7500kca l/m3),范围太广,且对天然气组分,燃烧特性参数无具体规定,不利于燃气互换。

由于各类用户对气质的要求不同,作为同一天然气管网,建立统一的入网气质标准,使得用户可以按照统一的天然气标准进行设计、订购用气设施和设备,避免由于气质变换而可能带来的问题。

二是,在事故工况、调峰或以一种气源天然气代替另一种气源天然气时,应要考虑其是否具有互换性问题。

三是,若今后引进的LNG与国内管道天然气的华白数相差超过±10%时,可采用降低LNG热值的方式达到互换条件。将气化的天然气中掺混N2、空气或其他不可燃气体,可有效调整LNG燃烧特性参数,使之与低热值的天然气具有互换性。注入1%的N2或空气可将天然气的华白数降低约1.3%。与掺混N2相比,掺混空气成本较低,但是,应控制掺混后天然气中的氧含量,否则会加剧对管道的腐蚀以及增加危险性。若进口LNG含有C2+以上的组分较多,也可采用脱除重组分的方法降低LNG热值,目前,在建的中国石化青岛LNG接收站项目,因其LNG资源C2+以上组分百分含量较高,采用了脱除C2+组分的处理工艺,既可以调整LNG热值,还可回收LNG中的重组分。

四是,目前,国外的天然气贸易一般以热值进行结算,而我国天然气采用体积计量结算的方式。由于天然气的成分不同,单位体积的天然气热值存在差异,因此,按热值结算更为科学、合理。建议尽早实施热值计量结算的方式。(原载《石油规划设计》,刘烨    杨莉娜 文韵豪 宋跃海 斐国平 等 中国石油天然气股份有限公司规划总院)