玻璃生产用户LNG气质调节可行性研究

河南天伦燃气集团有限公司 徐维广 赵军锋 王 帅

中裕城市能源投资控股(深圳)有限公司 王传惠

我国天然气用气量逐年大幅增长，冬季用气高峰时期国内普遍出现供气紧张局面。为了保证居民用户用气，部分工业用户不得不关停设备以满足居民用气的保供要求。玻璃生产用户一般不允许随意停气。针对高峰供气阶段，液化天然气(LNG)作为调峰及补充气源发挥了巨大的作用。

LNG根据采购来源分为进口与国产两种。气源的多样性必然导致LNG气体组分占比不同，热值也有一定差距，而气源热值的不同会造成燃烧设备热效率下降、污染物排放超标等问题。对于大型玻璃、陶瓷等工业用户而言，轻微的燃气热值波动会导致燃烧温度变化，造成产品质量不稳定的问题。本文通过各类气源热值分析、气源互换性计算、气质调节安全性验证等对作为调峰气源的LNG进行气质调节的可行性分析，具有较大的现实意义。

1 规范要求

GB 17820－2018《天然气》中取消了“三类气”的定义，重新定义了“一类气”、“二类气”的标准，对高位发热值、总硫、硫化氢和二氧化碳等质量指标的要求均有所提高，标准参比条件下要求天然气高位热值应≥31.4 MJ/m3。

对城镇燃气应按燃气类别及特性指标华白数分类，并应控制华白数和热值的范围。GB/T 13611－2018《城镇燃气分类及基本特性》中规定，对于城镇常规使用的12T天然气规定的高热值标准为37.78 MJ/m3，高热值范围应为31.97～43.57 MJ/m3；高华白数标准为50.72 MJ/m3，高华白数范围应为45.66～54.77 MJ/m3。本文所做的玻璃生产用户LNG气质调节可行性论证，均是在满足上述天然气相关规范的前提下进行的。

2 各类气源的热值

本文分别收集了各种进口LNG、国产LNG和管道天然气的气源高位热值数据，统计了各类气源的高位热值平均数，并分别就各类热值进行了对比分析。

进口LNG的高位热值平均值为40.952 MJ/m3，国产LNG的高位热值平均值为36.581 MJ/m3，国产管道天然气的高位热值平均值为37.70 MJ/m3。管道天然气高位热值平均值和GB/T 13611－2018《城镇燃气分类和基本特性》规定的12T天然气的标准高位热值37.78 MJ/m3数值基本一致，数据可靠性较高。

由此得出，天然气热值高位热值平均值大小一般为：进口LNG＞国产管道气＞国产LNG。进口LNG高位热值较国产LNG高位热值高约12%；进口LNG高位热值较国产管道气高位热值高约9%；国产管道气高位热值较国产LNG高位热值高约3%。经组分对比分析，进口LNG热值高，一般是其C2及以上组分浓度较国产LNG高所致。

各类气源的热值统计数据见表1。

表1 各类气源高位热值统计数据 MJ/m3

3 互换性计算

多种气源不同比例的混输必然导致气源热值的波动，可能对燃气各类用户设备的燃烧效率、污染物排放等构成影响。国内多位学者开展了燃气互换性方面的理论及实践研究，李汉勇等人[1]对陕京二线天然气掺混LNG的灶具适配性研究结论为例，当气源从100%管输天然气替换为100%LNG时，其华白数增加了7.27%。当LNG掺混比例提高到80%时，所有灶具的热效率均出现了下降现象，部分灶具热效率甚至低于50%；且CO排放指标显著增加，远远超过国家标准规定的500×10－6。

我国自1987年正式推出德尔布燃气互换性理论，提出采用华白数、燃烧势两个主要指标，并辅以修正系数及黄焰指数等次要指标来分析和判断燃气的互换性[2]。相关研究表明，在进行实际燃气互换性应用、燃气的配气计算时，采用华白数这一关键指标具有较高的准确度，同时采用其他指标作为辅助验证。

3.1 华白数

若两种燃气的热值和密度均不相同，但只要它们的华白数相等，就能在同一燃气压力下和同一燃具上获得同一热负荷。华白数的计算公式为：

式中：W——燃气高华白数，MJ/m3；

H——不同燃气气源的高热值，MJ/m3；

s——燃气气源的相对密度(空气相对密度为1)。

当进行燃气热值调节时，有两种或以上气源参与混合，因本文确定的掺混气体为空气，热值为0，华白数推理公式简化为：

式中：W——混合气的高华白数，MJ/m3；

H1——LNG气体的高热值，MJ/m3；

x1——LNG气源的比例系数；

s1——LNG气体的相对密度(空气相对密度为1)；

s2——掺混用空气的相对密度(s2=1)

3.2 混气比例确定

GB/T 13611－2018《城镇燃气分类及基本特性》规定，12T天然气的高华白数标准值为50.72 MJ/m3，高华白数范围为45.66～54.77 MJ/m3。这间接规定了燃气掺混的比例要求。

混气比例计算时以国内现状管道天然气的高位热值作为参考指标，掺混后气体高位热值以不低于国内现状管道天然气的高位热值为原则。以表1中统计的进口LNG的热值平均值为例，可计算出进口LNG掺混空气的比例，最大掺混比例为7.94%，具体掺混比例以实际气源热值为准。

以简化后的华白数公式进行计算，掺混比例在1%～8%之间时，高位华白数在49.03～54.21 MJ/m3之间，该数值在规范规定的范围内。当掺混比例继续增大至12.8%时，高位华白数为45.66 MJ/m3，达到规范要求的最低标准，即仅考虑华白数指标时，最大掺混比不得大于12.8%。在进行进口LNG气源热值调节时，若燃气高位热值满足规范要求，华白数指标亦能够满足要求。不同掺混比下的高位热值与华白数计算结果，如图1所示。

图1 不同掺混比例下的高位热值与华白数

3.3 混气安全性验证

计算多组分混合气体的爆炸极限时，已知混合气中每种组分气体的体积分数和爆炸极限。当添加空气或氮气后，计算时即扣除空气及惰性气体的体积含量，并重新调整可燃气体的体积分数占比，可通过式(3)进行计算。

式中：L——可燃气体的爆炸极限，%；

n——混合气中的可燃气体组分数；

Vi——混合气中扣除空气或氮气后，各组分的体积分数；

Li——各组分的爆炸极限。

如采用天然气中掺入少量氮气来调节热值，混合气中的惰性气体增加，相关研究表明此时混合气的爆炸极限范围将缩小，爆炸下限有少量上移，爆炸上限却下移很多，气体安全性提高。如采用天然气中掺入少量空气来调节热值，以纯甲烷为例，在掺混10%的空气后，计算可得天然气的爆炸极限范围由5%～15%变为5.6%～16.7%，混合气中的可燃气体含量远远超过其爆炸上限的3倍以上，混合气的安全性有保障，混气是可行的。

4 热值调节工艺

4.1 热值调节方式

天然气热值的调节方式有多种，可以提高热值，也可以降低热值。热值调节主要通过加入高热值气体、轻烃回收、注入氮气或空气等方案进行。

4.2 混气工艺选择

混气装置的形式主要有三种，即引射混气、比例混合阀混气和随动流量混气。对于用气压力较低但用气量较大的用户，可选择采用引射方式完成混气，一般用于低压掺混。对于用气压力较高且用气量较大的用户，可采用高压比例掺混方式，但此种方案适用于气量稳定性较高的场合，用于瞬时流量波动较大的场合则精确度不高。如要求更加精准的掺混，确保掺混气体的热值保持在一个相对恒定的范围内，可采用随动流量混气方式。

随动流量混气工艺流程一般需设置调压装置、比例调节阀门、流量计、混气装置和热值检测设备，并通过PLC控制装置实现在线检测和反馈，确保出站气体的热值恒定在某一个范围。热值调节所需工艺设备根据现场条件、设备配置、设计流量等条件的不同而采取不同配置，工艺流程见图2。

图2 随动流量混气工艺流程

5 结语

玻璃生产用户对燃气热值的波动范围敏感，为保障玻璃生产企业成品率、提高燃气利用效率、稳定燃气供气热值范围，可对进口LNG气源气质进行调节。经各类气源统计，进口LNG的高位热值平均值为40.952 MJ/m3，国产LNG为36.581 MJ/m3，国产管道天然气为37.70 MJ/m3。这为进口LNG气源热值调节提供了基础条件。气源按恒定热值供气及计价，可确保用户所用燃气同质同价，亦是未来燃气计量发展的趋势。

本文按各类气源的平均热值计算得出：进口LNG平均掺混空气的最大比例为7.94%，则华白数校核符合规范要求；经混气安全性理论校核后也表明安全性有保证，且具备气质调节可行性。