周 理，郭开华，龚 腾 ，许文晓 ，皇甫立霞

1.中山大学工学院 （广东 广州 510006）

2.中国石油西南油气田公司天然气研究院 （四川 成都 610213）

1 我国天然气分类的现状

我国在天然气产品技术要求和分类方面的标准主要有2个：GB 17820-2012《天然气》和GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》。此外还有与之相关联的天然气组成测试和物性计算标准：GB/T 11062-1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》、GB/T 13610-2003《天然气的组成分析 气相色谱法》。

GB 17820-2012《天然气》规定了天然气的技术要求、试验方法和检验规则，适用于经过处理的通过管道输送的商品天然气，共限定5项气质指标：高位发热量、总硫、硫化氢、二氧化碳含量和水露点[1]。GB 17820-2012根据高位发热量、硫含量和二氧化碳含量将我国商品天然气分为三类，同时要求民用天然气应符合一类和二类的技术指标，三类可作为工业燃料。1999版的标准规定了高位发热量下限值为31.4MJ/m3，低于GB/T 13611-2006的12T天然气脱火限（EN437-1994《试验气、试验压力和器具分类》G23试验气的发热量）[2-3]。主要是考虑了当时我国天然气生产状况制定的。考虑到天然气是矿产资源的特殊属性，在满足国家有关安全卫生等标准的前提下，对于3个类别之外的天然气，供需双方可用合同或协议来确定其具体要求。

根据处理后我国天然气气质现状，2012年最新修定的标准中将一类气的指标全面提升，高位发热量下限值从31.4MJ/m3上调至36.0MJ/m3、总硫含量从100mg/m3下调至60mg/m3、二氧化碳含量从3%下调至2%，见表1。

表1 GB 17820-2012天然气技术指标

当然，新版标准与发达国家的气质标准还有一些差距，特别是与EASEE-gas提出的天然气气质指标来看 （表2），GB 17820-2012缺乏对硫醇、烃露点、粉尘、氧、沃泊指数和臭味强度的定量控制要求。这也与我国天然气气质本身的状况以及我国天然气产业发展的现状密切相关，从标准的层面也不可能短时间与国际发达国家接轨。但总体上都遵循了ISO 13686的原则，即对与经济利益密切相关的各类参数、与安全环境卫生密切相关的参数、涉及管道安全运行的参数必须加以严格的控制。

表2 EASEE-gas提出的天然气气质指标及其范围

GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》的燃气分类是借用了欧洲对燃具适用类别的分类标准(EN 437:1994《试验气、试验压力和器具分类》和EN 30-1-1:1999《家用燃气灶具》)，给出了适用于不同燃气种类燃具的基准和各种极限条件下测试的试验气（15℃，101.325kPa，干），与 EN437 的规定相一致[2-3]。然而EN 437只是针对燃具分类测试而言，并非真正意义上的燃气分类和互换性标准。该标准按照燃气类别及燃烧特性指标（沃泊指数W和燃烧势CP）分类，并应控制其波动范围，其中天然气作为燃气分成了 5 类：3T、4T、6T、10T、12T，具体分类情况见表3。

表3 GB/T 13611-2006城镇燃气分类 (15℃，101.325kPa，干)

对于常规天然气 （除大量掺混空气和氮气的天然气外），包括绝大部分气化LNG，均可归类于12T天然气。对于用12T的基准气（纯甲烷）作为天然气互换性的基准，将其沃泊指数的上下限作为天然气互换性的范围，这种简单化做法可能导致问题，是不妥当的[4]。因此从真正意义上来讲，我国缺乏天然气互换性标准。

2 国际相关天然气分类及互换性标准及研究动态

国际上这方面研究具代表性的是美国、英国和欧洲。美国天然气的应用历史很长,关于互换性的研究也很深入。美国的互换性标准问题主要是指管道气和LNG的互换性，由于美国天然气市场各行业之间自由竞争激烈且势均力敌，若有利益冲突，则很难调和。由此美国联邦能源管理委员会(FERC)倡议，由美国国家天然气委员会(NGC)牵头，联合LNG、天然气管道、城市燃气、发电、化工、燃气设备生产、天然气处理等行业的近百家企业以及部分政府和科研机构组成工作组(简称NGC+)，开展了燃气可互换性的研究，评估范围包括美国26个城市、16个天然气管输公司、7 000多个气样，于2005年2月发布了《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》，作为2～3年过渡期内暂行天然气标准指导原则。白皮书对美国近几年天然气行业对气质规格及互换性要求起到了很好指导作用，但还需要进一步论证，特别是对各类燃具天然气组分波动适应性充分数据的掌握。白皮书发表后，美国的权威燃气研究机构（如GTI、BRNL、NETL、ENVIRON）、燃烧设备协会 （如AHRI）、动力设备和发动机公司（如 SDGE、Siemens）和天然气及 LNG 公司 （如 SoCal、WGL、NWP、BP、ChevronTexaco）又持续地进行了大量测试和评估。

英国著名燃气研究机构Advantica公司对英国的燃气及燃具做了大量的试验和测定 （主要依据欧洲燃具测试标准和达顿图），并对燃气轮机和内燃发动机的燃气质量波动的适应性进行了评估，对英国燃气安全管理规范（GS(M)R）根据国内天然气管输系统制定标准提供依据，在英国乃至欧洲标准的制定中起到了非常重要的作用。

美国和英国的研究和实践经验表明，沃泊指数仍然是表征互换性的最佳判据。CO排放是限制高沃泊指数的主要因素，美国和英国标准都是据此提出对沃泊指数的上限要求。同时指出对高沃泊指数燃气中掺混2%～4%的氮气可有效地降低和控制燃烧的CO排放量。对于一般燃具（家用和商用燃具、大部分工业燃烧器、老式燃气轮机和内燃机）对燃气规格 （天然气组分）波动不敏感 （允许沃泊指数波动±10%）。低排放燃烧设备（如DLN燃气轮机和高效精控工业燃烧器）厂商技术指标对沃泊指数或修正沃泊指数有较严格的要求，但从技术角度看DLN燃气轮机和各种低NOx燃烧器都应能实现对沃泊指数波动具有较大适应性（如±5%）。

欧洲地区天然气管网之间气质规格有较大差异，欧洲燃具分类测试标准EN437为进一步研究制定燃气规格及互换性标准提供了基础。欧洲天然气行业发展要求跨境联网，欧洲合理能源交易协会(EASEE-gas)，以协调各方利益，促进天然气贸易和交接的和谐化为出发点，基于已有的天然气管网和进口LNG情况，于2005年提出能够为欧洲各国接受的较宽泛的CBP2005-001/01《气体质量公共商务准则》。

值得一提的是美国白皮书和欧洲质量标准都是过渡性的，试行期2～3年，并非严格意义上的标准，然而迄今都在指导实践。2008年EASEE-gas经微小修订，继续认可实施《气体质量公共商务准则》。美国白皮书迄今也没有得到任何实质性的修订，仍是美国天然气管网和LNG接收站运营以及相互间交易的基本依据。

实际上正常运营的管网气质波动范围都远远小于控制域的范围，地方燃气用户希望能维持原有的低波动性，往往坚持严格的互换性指数要求，而国际天然气和LNG供应商则希望能对大多数产品兼容，指出历史上许多管网都经历较大波动而并未造成应用问题，这样构成了博弈的双方。虽然美国的互换性标准已经极大程度的考虑了美国各个行业的利益，但还是遭到各方质疑，博弈仍在进行之中。

3 中国天然气应用分类及互换性标准建立原则

我国天然气产业发展迅速，市场巨大，气源范围广，类似欧洲，应借鉴国际的研究经验，建立适应我国的天然气应用分类及互换性标准。建立的基本原则应充分考虑当前和未来天然气市场发展的需求和产业预期，以及气质波动的范围和速度对终端用户燃具可能产生的影响，确定天然气质量规格及互换性要求，保证商品天然气应用安全[5]。

中国石油西南油气田分公司天然气研究院牵头承担的国家质量监督检验总局2012～2013年度标准科研项目“天然气互换性技术和标准研究”。通过现场取样、实验室分析测试以及发函调研等形式对我国的天然气气质现状进行大量的计算统计，基本掌握了我国天然气气质的现状。

国内天然气供应已经形成多气源、多种类供应的环境（图1、图2）。从气源方面看，既有我国塔里木盆地，准噶尔盆地，柴达木盆地，四川盆地，鄂尔多斯盆地，东海盆地以及松辽盆地等地区的国产气田气（陆上油气田和海上油气田），也有来自中亚（土库曼斯坦）的进口天然气，还有从世界各国进口的液化天然气，同时俄罗斯、缅甸等国天然气也将成为我国天然气供应的来源。从天然气种类看，我国已经形成国产常规气田气、非常规的煤层气、煤制气、页岩气以及进口天然气和液化天然气的多种类天然气混输的环境。

图1 我国天然气主要气区分布

图2 我国主要天然气气田分布

从气源互换盒子图可看出，国内整体天然气相对稳定,主要差异是由海上天然气引起,常规天然气、进口管道天然气、进口LNG、国产LNG以及非常规天然气基本稳定在国际互换盒子,对比巴西、印度、西班牙、英国、欧洲以及NGC+，我国天然气沃泊指数以及高位发热量基本落在欧洲互换盒子里(图3)。

图3 我国天然气气源互换盒子分布

从进入我国长输管线互换盒子图来看，虽然我国天然气长输管道众多，但整体进入管网混输后的气质还是比较稳定，变化幅度不大（图4）。

造成气源互换盒子与长输管线互换盒子差异的原因主要有3点：首先我国长输管线的主力气源气质本身比较稳定（“西一线”、“西二线”尤为稳定），气质变化较大的川渝环线沃泊指数为47.36～51.01MJ/m3，高位发热量为 36.2～39.9MJ/m3，WI波动范围也只有3%左右，远低于国际普遍规定的10%；其次气源中HHV、WI较高的进口LNG主要用于调峰，并非长输管线的主力气源，HHV、WI较低的国产LNG量少、且基本不进入长输管线，销售方式比较灵活分散。最后互换盒子中差异最大的为海上气，但这部分气基本都是就近进入当地的城市管网，所以对我国的长输管网没有影响。

图4 我国长输管线互换盒子分布

4 探讨

中国天然气分类及互换性研究到底是依据不同类型的燃气具对气质的适应性来规定我国天然气的气质规格和分类，还是根据我国天然气气质的实际状况以及未来的发展趋势来分类从而指导燃气具生产商对于燃气具气质适应性的调整呢？

假设按照第一种情况分类，笔者认为可以将我国的天然气分为5大类：①一般民用天然气；②工业用天然气；③特殊用天然气；④天然气发电用天然气；⑤内燃机用天然气。

一般民用天然气主要包括家用灶具、热水器，这些燃气具对天然气气质适应性强，中国石油天然气研究院委托国家燃气具质量监督检验中心对家用燃气具进行了互换性的测试，根据国家标准GB/T 13611规定，及严格的燃气互换性测试实验验证，确定一般民用用户的气质互换性技术条件为：沃泊指数允许波动范围不大于10%。工业用天然气主要包括工业用大锅炉、大灶具等用天然气,虽然对气质要求不高，但也应给出一定的互换性区域，第三类为特殊用户，如玻璃、陶瓷等精细化工用天然气，对天然气气质要求高、气质波动敏感性强，互换性要求最高；天然气发电用大型燃气轮机也属于对天然气气质高敏感度的燃气具，但由于不同厂家设计不同，对气质的要求也不一样，见表4。内燃机用天然气主要包括：天然气汽车、天然气用增压机，这类设备对天然气气质的要求主要是出于安全的考虑，一般天然气汽车要求甲烷含量大于80%，而我国的天然气增压机大部分要求甲烷含量大于93%。

然而中国天然气的供气格局已经从最早的单一国内气田气区域供应转变成目前的多气源联网整体调度供应，同时从长输管道供应的天然气在进入城市管网时还可能会与城市自主开发的各类天然气及天然气代用品进行混输，最终输送到城市终端的天然气气质波动情况较上游输送时要大。如图5、6所示，西一线终端出现了波动较大的情况，沃泊指数最大波动为9.2%，高位发热量最大波动为12.7%。这样大幅度的气质波动不能满足部分终端用户，比如：天然气发电用燃气轮机、精细化工用燃烧器等对天然气气质的适应性。

表4 燃气轮机组对气质的要求

图5 西一线终端某公司（上海）沃泊指数波动图

图6 西一线终端某公司（上海）高位发热量波动图

假设根据我国天然气目前的气质现状来分类，笔者设想是否可以参考国际燃气联盟(IGU）的分类方法,将天然气按照沃伯指数的不同来分类，见表5。

表5 国际煤联（IGU）燃气分类表

按照该方法，我国天然气应该分为几类，各自沃伯指数的范围是多少？从图7～图10沃泊指数与高位发热量以及相对密度构成的互换性区域可以看出，国内整体天然气相对稳定，主要差异是由于海上天然气引起，常规天然气、进口管道天然气、进口LNG、国产LNG以及非常规天然气基本稳定在国际互换盒子，对比巴西、印度、西班牙、英国、欧洲以及NGC+，我国天然气沃泊指数基本落在欧洲互换盒子里。从密度修正碳氢比-沃泊指数图可以更加直观的看出，我国天然气气源气质整体数据呈现出上下两大部分的差异，可以把国内整体天然气分为两大类：一类是沃泊指数为46.5～51.5MJ/Nm3，密度修正碳氢比为0.324～0.337，另一部类是沃泊指数48.2～50.9MJ/Nm3，密度修正碳氢比为0.295～0.309。同样，也可以由燃烧势与沃泊指数构成的区域将我国的天然气分为两大类：一类是沃泊指数为46.5～51.5MJ/Nm3，燃烧势为 38.4～41.9，另一类是沃泊指数 48.2～50.9MJ/Nm3，燃烧势为 36.1～37.5。

图7 国内天然气管网密度修正碳氢比-沃泊指数

图8 国内不同气源天然气密度修正碳氢比-沃泊指数

图9 国内天然气管网密度修正碳氢比-沃泊指数

图10 国内天然气管网沃泊指数-燃烧势

5 结论

1）按照不同燃气设备对气质的适应性不同对天然气进行分类，虽然针对性很强，但很明显，作为天然气长输管道的供气方很难根据不同燃气具的用户要求针对性的供气，可操作性不高，然而不排除未来天然气供应方式多样化、小型化后，可以避开天然气管道直接供气，而是通过压缩天然气储罐、液化天然气储罐进行针对性的供气，从而满足对不同燃气设备的要求。

2）按照国际燃气联盟(IGU）的分类方法对我国天然气分类，结合我国天然气气质的实际情况看，可以将我国天然气分为两类，但分类的技术参数除了沃伯指数外还需增加一个参数（燃烧势或密度修正碳氢比）才能完成分类和限定。

3）如果只考虑沃伯指数，我国天然气现有气源的沃伯指数整体的变化范围是42.8～53.6MJ/m3，目前天然气长输管线内天然气沃伯指数的现状为46.5～51.5MJ/m3。总体来看，我国上游天然气的气质波动不大（除部分海上气和石油伴生气），而且品质较高。

[1]GB 17820-2012天然气[S].

[2]GB/T 13611-2006城市燃气分类和基本特性[S].

[3]BS EN 437-2003+A1-2009 Test Gases—Test Pressure—Appliance Categories[S].

[4]李猷嘉,正确处理天然气质量中的燃气互换性问题[J].城市燃气,2008(3):6-10.

[5]郭开华,王冠培,皇甫立霞.中国天然气气质规格及互换性标准问题[J].天然气工业,2011,31(3):97-101.