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科学研究训练（翻 译）

White Paper on Natural Gas Interchangeability and Non-Combustion End Use
天然气可互换性及非燃烧应用白皮书

院（系、部）：
机 械 工 程 学 院
姓 名：
杨 小 文
班 级：
储111
学 号：
5120110616
指导教师：
李汉勇 雷俊勇 戴静君
教师职称：

2014 年 7 月1 日·北京

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天然气可互换性及非燃烧应用白皮书

天然气可互换性及非燃烧应用白皮书
油气储运工程专业 杨 小 文
指导教师 李汉勇 讲师 雷俊勇 讲师 戴静君 教授

4.0 互换性指数概览
4.0.1各种计算方法已经被开发用以确定传统终端使用的设备的气体燃料的互换性，包括：
（1）单索引方法
（2）多索引方法
4.0.2这些方法通常基于经验参数来开发以适应互换性实验的结果。单索引方法是基于能量输入，而多索引方法纳入了基本燃烧现象。科学应用公司（SAI）在天然气研究所（GRI）的帮助下于1981年公布了上述两种方法以及其他互换性技术的全面评价，“现有互换性预测方法目录”。
4.0.3在许多管道标准中，热值范围是给定的，但是，单个的热值并不足以作燃气互换性的指标。
4.0．4最常见的单指数参数是沃泊指数，有时被称为互换性因子。沃泊数的定义是基于热值和气体的比重的，而且它与每小时热量输入值有关（英国热量单位，每小时）。应当指出的是，虽然沃泊数是一种有效的，易于使用的互换性筛选工具，但是工业的历史认识到单独的沃泊数还不足以完全预测气体互换性，因为它不能充分地预测所有燃烧现象。
4.0.5 多个索引方法可以追溯到20世纪40年代，包括AGA 36号公告指数和韦弗指数。多索引技术在工业中有着广泛的和良好的应用历史，然而，作为一个经验模型，多索引技术也存在着由于燃烧器的设计和燃烧气体在开发研究中的测试而导致的限制。在一般情况下，新的气体供应被称为“替代气体”，被评估为特定燃烧现象，包括火焰举升，回火，黄倾翻和不完全燃烧，相对于“调整气体”或在过去通常用于用适当调节设备的气体。
4.0.6虽然已经进行了大量的研究去开发和评估互换性指标，然而，由于满足家电等终端用途设备的电流效率和排放要求变得越来越复杂，这项工作仍在继续。因为该研究是在一种专有的基础上执行的，所以一些访问这些有价值的数据一直没能实现。
用于评估替代气体的互换性的最可靠的方法是经过初始调整到参考气体后在实验室检验各种燃烧设备的性能，这显然是浪费时间而且不实际的。利用预测的方法来替代广泛的实验室试验，例如那些上文所强调的那些。然而，必须认识到，所有这些方法都是经验的，因此，可以是它们的应用可能被限制到燃烧现象，燃料气体和它们源自于它的燃烧器类型。
5.0 改变天然气组分对终端设备的使用效果的影响
5.0.1工作小组认为需要审查改变成分为每种类型的终端使用设备和燃烧技术的影响，正如3.4.1节所述，有旧的燃烧技术，目前在每个终端使用设备使用的技术以及较新的燃烧技术。这类设备是：
（1） 家电，
（2） 工业锅炉，窑炉和工艺加热器，
（3） 往复式发动机，包括天然气汽车
（4） 燃气轮机
（5） 非燃烧使用，包括液化天然气调峰液化，化学和消费产品的制造。
50.2 改变在燃烧应用组合物的效果可以通过一组特定的燃烧现象和发射特性进行说明。燃烧的具体现象包括：
（1）自动点火（在发动机应用也被称为“爆震”）
（2）燃烧动力学（压力波动和振动）
（3）闪回
（4）提升
（5）井喷
（6）不完全燃烧（一氧化碳生产）
（7）黄色的倾斜。
考虑的主要排放特征是：
（1） 氮氧化物（NOx），
（2） 未燃烧的烃，
（3） 一氧化碳
（4） 补充的排放控制技术的响应。
5.0.3 工作组审查每一种效果，一般发现有这些作用的发生和管理的一个很好的理论认识。然而，在一般情况下，在所考虑的天然气最终适用范围中，有一些可用于与这些效应一致而可靠地进行的成分仅限于书面操作数据。
5.0.4 该工作组还发现，天然气的历史成分在评估和管理天然气供应的互换性中起着关键作用。这是考虑到家电产品时，最好的例证。这些单位的初始安装和投入运行所使用的天然气，都是在某一区域或市场区域内所收集到的。在第一次安装时，设备调整所使用的天然气不能互换使用时，设备的性能就会降低。虽然电器的安全认证，确保他们在远高于和低于其设计的燃烧率时，安全的执行操作， 其中很大一部分是盈余历来被用来调节空气温度和湿度所造成的波动的影响，也影响设备的性能。边际，调整不当或维护设备，以及一些较新的低排放设备，气体成分的变化是不一样的。因此，确保气体供应与当地传统的气体供应是可互换的在调整旧的设备中处理可互换性时一个重要的考虑因素。
5.0.5 此外，已通过现场测试记载，住宅电器小而显著的部分由于安装不当或缺乏维护，在使用国内天然气时，表现的性能不佳。这些单位对于天然气成分的变化是特别敏感的。
5.0.6 其中，往复式发动机由于不同的天然气组分而造成的主要问题是发动机爆震，天然气燃料的抗爆性可以表示为甲烷号码和类似于汽油的辛烷值。除了抗爆震的质量之外，发动机在低甲烷数量燃料的运行性能可能是重要的。低甲烷数通常是燃料中存在高含量的烃类所造成的结果。除了甲烷数之外，沃泊数也是用于汽油发动机的一个重要参数，因为它决定压力和当量比的变化可能导致的较差的操作和环境性能。
5.0.7 非燃烧的最终用途包括用作各种化学和制造工艺的原料，如氨肥，重整，燃料电池和LNG调峰液化装置。不同的原料气组合物也可能给这些工艺过程的效率甚至安全产生负面影响。在一般情况下，特定的工艺设计的要求在原料组合物中一个比较近的范围中式特定的。
5.0.8 特别值得关注的是，因为这些设施已演变成一些最不发达国家的供应基础设施的重要组成部分的影响，对最不发达国家调峰液化操作。有通过传输管道公司经营的调峰植物的数量较少。移中的原料组合物，从未经处理的国内供应造成包括重质烃类的浓度增加（C6 +），可冻结出并堵塞热交换器，显著影响液化工艺的效率和可靠性。另外，含高浓度C2/C3馏分以及氮的英国热量单位稳定的原料再气化液化天然气还可以显著影响工厂运营的效率和可靠性。在一般的LNG调峰液化装置不具备内部容量或“插座”，这些是传统的气体通过液化工序中除去非甲烷组成。取决于液化过程中，过量的惰性浓度姿势由于增加罐的汽化额外的问题与LNG储存系统。总之，在变化超出了原植物原料成分可能需要许多设施改造的冷箱组件（换热器和闪蒸罐），以及罐存储系统组件（冷鼓风机），而这些改造可能是必要的，以适应未处理国内供应和再气化液化天然气进口。无法有效地由于受不同原料组成超设计液化系统的限制在非高峰时段重新填写调峰储存能显著危及管道或土发公司，以满足高峰日/高峰小时需求的能力。
5.0.9 其他的最不发达国家的调峰问题包括丙烷气调峰操作中更高的烃类气体的影响。由于与液化工厂这些设施在设计时根据过往管道煤气成分具体的混合功能和限制，现有的系统可能不具备必要的能力，以充分混合调峰供应和具有更高的烃管道供应，并同时保持互换性的标准。所以，这些设施的改造也可能需要适应管道供应成分的变化。
5.0.10气体组合物的变化速率对于一些最终用途似乎是重要的参数，超出限制的设备进行了调整，收到，特别是如果在短时间内发生的更改，很可能是为了减少一些设备作为执行的能力设计由制造商组成的波动。
6.0 互换性参数的应用
6.0.1 工作组审议了影响上述影响的范围，并力图确定以应用解决了全方位的影响，并最终可以达到目标的互换性参数的方法。定义为天然气可接受的范围，这一范围是在同时保持安全性，可靠性和环保性能时，可被最终用户所消耗的。
6.0.2 对于传统的终端使用设备，可接受的气体质量变化的评价始于气体的实际调整。实际上的调整气体是指提供给设备的第一气体，即设备在安装时调整设备过程中所用到的气体，并将其设置在“率”上。当然，这一概念是依据单个和多个指数的计算方法，它定义了根据指定的“调节燃气”的数学指数与已知的性能，如热值，比重以及（或者）组合物。在实践中，调节气体成分的发展必须立足于天然气供应该地区的历史和实用的操作。以下三种情况下可能涉及：
1）实际调整气体与连续、已知的历史平均气是相同的。在这种情况下，输送的气体组合物在很长一段时间一直是恒定的，并且在该区域的所有设备都装有相同的实际调整的气体。这些情形都是由东北部和中西部部分区域的经验得来的，这些区域历史上一直接受处理来自于墨西哥湾沿岸和中部大陆这些生产区域管道供应的产品。
2）基于历史的天然气供应，它建立了一个指定的或“目标”气体。在这种情况下，该公司有效地针对一个单一的热值和其他可能的规格（如沃泊数，气体组成，孔的大小表），并向燃气器具的安装，市政建设部门，燃气供应商，系统运营商等提供这些数据。对其递送系统内不同的区域，该公司可能会发展不同的目标值，这取决于该气体的气源，所述气体供应的历史以及其他因素，例如仰角。本规范是目前处理互换性问题的公司所采用的，例如那些在在高海拔地区输送气体的公司，已完成系统内设备调整方案的公司，或使用英制热量单位的稳定来互换性控制的公司。该实用程序通常监测，并提供必要的资料，要求确保调整气体时的安装装置的安装程序是与既定的目标气体值相一致。
3）没有指定的目标值，并且已交付的气体的组分随着时间的推移而变化。在这种情况下，没有一个单一的实际调整气体可为传递系统所定义，并且根据气体供应的变化，系统内的设备可能有不同的和可能未知的设定点。如果评价的可互换性是必需的，调整气估计会有必要。替代方案可能包括平均历史组成，最小值或最大极限或组合值。这种情况可能存在的生产地区，天然气加工程度可能会有所不同，这取决于供应得到相对处理设施和在一定程度上的混合是可能的。
6.0.3 工作小组借鉴欧洲的经验，并通过发展经营的制度来定义可接受的限度的概念。这种方法需要选择解决上述的最终用途的影响的参数，例如自动点火、 燃烧不完全、 黄色倾翻、 吊装、 以及其他参数。指数如在A.G.A.36公告和韦弗指数针对特定最终用途的影响，而华白数是一个更通用的衡量标准。例如，无论是A.G.A.36公告指数还是韦弗指数定义，都是专门解决黄色倾翻的现象。
6.0.4 纯科学的方法可能导致许多应用于各个终端设备的AGA36号指数和韦弗指数应用于单一设备。然而，低排放的燃烧设备有限的试验数据表明that these indices may not consistently account for the observed combustion 这些指数可能不一致的解释所观察到的燃烧的related behavior. In addition, the Work Group was concerned about specifying 相关行为。此外，工作组考虑到特定的overly restrictive limits and sought to define a more practical approach. The 十分严格的限制，并试图定义一个更实际的方法。工作组的这种想法是建立在发展中的经营制度之上的。

图1 互换性运行方式
6.0.5 如图1所示，用于构造运行方式的基础是提出一个参数，并识别哪个终端使用影响被该参数处理，或者是指定一个最小或最大极限。沃泊数第一个被考虑的参数，因为它被认为是最坚定的单一参数。一般情况下，建立一个最大沃伯数可以解决某些燃烧现象，如黄色倾斜，不完全燃烧和潜在的NOx和CO排放量增加。设定一个最小沃泊数可以用来解决举升，爆裂，CO排放的问题。实验室试验和燃烧理论表明，简单地选择一个最大的沃泊数不足以解决气体成分范围内的不完全燃烧（尤其是具有超过1100Btu/scf热值的天然气）。然而，这种限制可以通过选择更为保守的最大沃泊数加上一个额外的参数如发热值来克服。
6.0.6“艺术”是选择附加参数来解决剩余的最终使用效果。经验表明，指定一个最大热值可以解决自动点火（或爆震）回火，燃烧动力学类问题，当加上华白数时，可解决燃烧不完全，积炭等问题。另外，工作组发现碳氢化合物特定部分的最大值，如丁烷可以解决这些相同的参数。
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