2005年3月．美国20多年来首座新建的LNG接收站在墨西哥湾投产。2005年。美国进口LNG折合天然气184．7亿m³．仅占天然气消费总量的2．86％．但正在建设和已获批准的11个LNG接收站项目合计进口能力已达到每年2 160亿m³天然气．此外还有更多的项目处在计划阶段。根据美国国家石油理事会(NPC)2003年的预测，进口LNG在国内天然气消费总量中所占比例将于2025年提高到14％。

气化后的LNG与美国管网天然气相比．组分和热值存在较大差别(见表1)，主要表现在LNG中含有较高比例的乙烷、丙烷和丁烷组分，基本不含氮气或CO₂等惰性气体。在用燃气利用设备转换为使用LNG后，可能存在性能、安全、排放方面的问题。LNG一旦大规模引进．与管道天然气的“可互换性”将成为美国的一个全国性问题。

根据美国联邦能源管理委员会(FERC)的倡议，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。于2005年2月发布了《天然气可互换性及非燃烧应用白皮书》。

NGC+对燃气“可互换性”的定义是：在不明显改变运行安全、效率和性能，或者不会明显增加空气污染物排放量的情况下．在燃烧设施中采用一种燃气替代另外一种燃气的能力。这一定义与传统定义有所不同。传统定义主要关注燃烧性能是否受到影响。

表1  美国国内天然气与进口LNG气源的气质差异

1燃气组分变化可能对燃气设备造成的影响

    目前在用的燃气燃烧设备大致可以分为两类：传统的燃气燃烧设备采用理想空燃比．通常对燃气组分的变化具有较强的忍耐力：低排放燃烧设备采用了各种精密的控制系统和尾气处理技术(例如“稀薄预混燃烧”技术)，有助于降低排放和提高效率．但对燃气组分变化的敏感程度有所增加。

NGC+将燃气利用设备进行了如下分类：

(1)一般燃气燃烧设施：

    (2)工业锅炉、窑炉和工艺加热装置：

(3)往复式发动机(包括天然气汽车)；

（4）燃气轮机；

    (5)非燃烧类利用装置，包括城市天然气液化调峰设施(如我国上海的液化天然气事故调峰站)、化工生产设施。

    燃气组分变化可能产生的影响表现在燃烧现象和排放特性两个方面。

    燃烧现象方面的影响包括：

    (1)自燃(发动机的敲缸)；

    (2)燃烧动力特性(压力波动和脉动)：

    (3)回火；

   （4)脱焰；

    (5)吹灭；

    (6)不完全燃烧(产生CO)；

   （7)黄焰。

    排放特性方面的影响包括：

    (1)氮氧化物(NOx)；

    (2)未燃烧的碳氢化合物；

   （3）一氧化碳

    (4)排放控制技术的反应。

上述影响最终表现出的问题是：天然气燃烧设备的燃烧工况恶化，燃烧效率降低，污染物排放增加，燃烧设备寿命缩短，引燃火熄灭导致故障停车，往复式发动机敲缸等。

2  燃气可互换性的衡量指标

燃气可互换性可以通过一系列根据试验结果制定的量化的经验参数衡量。衡量燃气可互换性的指标包括单一指数(华白数)和多重指数两类：

    (1)华白数；华白数是使用最为广泛的单一指数．用于衡量燃气设备单位时间内的能量输入．计算公式为W=H／S0．5。其中H代表燃气的高热值．S为燃气的相对密度。

    (2)多重指数，最常用的包括美国燃气协会36号公告(AGA Bulletin 36)指数和韦弗(Weaver)指数两个系列。AGA指数系列包括脱焰指数、回火指数和黄焰指数；韦弗指数系列包括脱焰指数、回火指数、黄焰指数、热负荷指数和不完全燃烧指数。多重指数主要描述基本的燃烧现象。

    华白数是最通用和最有效的衡量指标．但缺乏对燃烧现象的描述；AGA指数和韦弗指数描述了燃烧现象，但它们是基于特定的燃烧器．需要采用每种燃烧器的基准气(燃气设备开发过程中所采用的试验气体)和置换气(实际使用中拟采用的燃气)组分数据进行计算，根据指数是否落在规定区域内判断两种燃气是否可以互换．

    两种指数方法配合使用的效果最好。但多重指数法需要对每种燃气设施进行计算和试验．工作量很大。为此，NGC+采用了更为实用的“工作区间”概念(如图1所示)。建立工作区间的基础是找到一个主要参数并确定该参数在最低和最高限时对最终使用效果的影响。华白数是最合理的选择．华白数高限用于解决黄焰、不完全燃烧、NO，和CO排放等燃烧问题，华白数低限用于解决脱焰、吹灭和CO排放等问题。

    鉴于各种燃气的组分差别可能很大．仅采用华白数还不能完全解决不完全燃烧问题．特别是对于热值超过40．98MJ／m3的燃气。这可以通过采用一个相对保守的华白数高限、同时规定热值高限的方法来解决。实验表明，通过规定一个热值高限．可以解决自燃（敲缸)、回火、燃烧动态特性问题，同时与华自数相配合，可以解决不完全燃烧和黑烟问题．或

者，也可以通过规定特定烃类组分的高限方法(例如丁烷)解决上述问题。

 3不同组分燃气实现可互换的措施

  根据实施地点的不同，实现LNG和管道天然气

图1天然气可互换性工作区间

可互换的方法可以分为以下三类：

3．1在LNG产地

    LNG液化工厂会对天然气进行预处理，分离戊烷、己烷和更重的烃类组分，以避免这些组分在液化工艺中发生冰堵。LNG液化工厂可以增加设备分离乙烷、丙烷和丁烷，但大多数工厂没有这么做。这主要是由于以下原因：(1)日本、韩国和台湾是主要的LNG市场．这些国家根据LNG热值制定城市燃气质量标准。基本不存在可互换性问题；(2)大多数LNG产地远离天然气凝析液市场，也缺乏凝析液的储运设施；(3)LNG采用热值计量，在LNG中保留一定重烃组分对生产商来说有利可图。事实上，不同LNG工厂对于重烃组分的分离程度有所不同，从表1中可以看出。特立尼达LNG的重烃组分所占比例明显低于其它LNG气源。

3．2在LNG接收站

    （1）分离重烃组分。建设重烃组分分离设施的可行性取决于经济因素和凝析液市场因素。凝析液也可以作为接收站的发电燃料，但凝析液产量通常远远高于发电需求。美国在用的5座LNG接收站中，只有在墨西哥湾沿岸的接收站建设了小规模的凝析液分离设施，处理一部分重新气化的LNG。2006年1月．印度ONGC和壳牌公司宣布，双方将考虑在位于印度古杰尔邦的LNG接收站建设乙烷分离厂。

    （2）在LNG中注入氮气、空气或废气这三种气体。注入1％的氮气或空气可以将天然气的华白数降低大约1．3％。

    掺混空气与注氮相比价格要低得多。但注入3％的空气就会将天然气中的氧含量提高到0．6％，这会超过管道公司对进入管道天然气的气质要求(管道安全性问题)，还会对储气库、化工企业以及城市天然气液化调峰设施的运行造成不利影响。

    选择注入废气方案需要在LNG接收站附近具备废气气源条件。废气中的C02和水分可能会导致管道腐蚀，特别是对于储气库上游等天然气中水分含量较高的管道。

    （3）不同气源的掺混。在LNG接收站内进行两种LNG的掺混。或者由管道公司进行LNG和国内各种气源的掺混看似经济可行的选择，但通常会碰到运行方面的困难，例如管道公司每天运输的天然气中各种气源所占的比例都会发生变化，很难做到精确配比使其保持固定的华白数。

    综上所述。在北美洲的LNG接收站，惰性气体掺混是研究和实施最多的控制LNG可互换性的方法：凝析液分离在特定条件下也可以采用。无论哪种方式．都会增加天然气的供应成本。

3．3在最终使用场所

   （1）落基山地区的城市燃气公司在城市门站采用注入空气的方法将该地区天然气的华白数从49．54MJ／m3调减到44．70MJ，m3，这在美国城市燃气领域是个特例。在法国，一些大型工业用户(例如玻璃生产企业)也采用空混设备控制燃气质量。

   （2）对燃气燃烧设备进行检测，在必要时进行调节。这种方法需要由专业人员对大部分在用设备进行检测和调整。时间周期很长，投资巨大，但却是解决问题的有效方法。

   （3）向燃气设备生产商提供更明晰的信息，请他们协助制定北美洲天然气可互换性标准。例如，由于各地区的天然气组分存在差异，生产商可以调整产品设计所采用的基准气，生产为特定市场定制的产品(特别是对于低排放燃烧设备)；设备生产商和行业协会制定产品安装规范，并对燃气组分变化情况下的设备调整提出指导意见；借鉴欧盟经验，规定试验基准气的组分变化区间，使燃气燃烧设备可以适用于一定的气质变化范围。

4主要研究结论和建议

    美国燃气行业的协会组织、科研机构和企业已经在燃气可互换性方面开展了大量研究工作，但目前在各地区燃气气质特性、各种终端利用设备对气质组分变化的忍耐程度等方面，数据还很缺乏。为此．NGC+建议设定一个过渡区间，以收集和分析更多的数据，进行更多的试验，使业界在制定气质可互换性标准方面达成共识。最终目标是规定一个气质变化的弹性区间，使最终用气设备能够安全、有效、环保地运行。这一过渡区间大约需要2年一3年。

    NGC+根据已有的国内天然气气质数据，提出了过渡区间内天然气可互换性限定区间的指导意见。这些历史数据来自GRI于1992年报道的美国26个大城市的天然气组分和特性，NGC+将这些天然气的组分的平均值作为考虑可互换性时的“基准气”，其华白数和热值为50．10M．I／m³和38．55 MJ／m³。在此基础上．NGC发布了过渡区间的燃气可互换性指

标：

   （1）华白数的变化范围是所在区域”当地燃气的历史平均值”或”基准气或目标气”的华白数的正负4％以内。并且：

    华白数最高限定值为52．15 M．I／m³；

    热值最高限定值为40．98 MJ，m³。

  （2）其它组分的最高限定值：

    丁烷及以上组分：1．5％(摩尔百分比)；

    惰性气体合计组分：4％(摩尔百分比)。

    (3)例外情况：如果某些地区在使用华白数、重烃组分和惰性气体组分超过上述限定值的气源方面已有实践经验．并且这些经验是建立在对最终利用设备的试验和监测基础上，则这些地区可以继续使用该等气源．只要最终利用设备不会由此发生安全和利用率方面的问题。

    实践表明．在本指导意见所规定华白数±4％范围和燃气组分限定条件下，燃气的华白数通常高于44.71 MJ／m³。上述热值是指在标准状态下的高热值。

5对我国的启示

    在我国大规模引进13qG后，也会面临着全国性的天然气“可互换性”问题。但不同地区所面临的形势又会有所不同：广东和福建等地当前基本没有利用天然气．今后将采用LNG单一气源，因此主要问题是燃气设备如何适应LNG气源特性的问题；北京、江苏等地今后将采用LNG和管网气双气源，一个用户如果使用两种气源混合后的天然气，就需要保持稳定的、可接受的可互换性参数指标，情况要复杂得多。

    美国当前对燃气可互换性的研究仅仅是开始，还远未结束。我国则需尽快开展这方面的工作。建议由政府部门倡导、支持和资助，相关行业协会牵头，联合石油天然气、城市燃气、燃气设备生产、发电、化工等行业的企业和科研机构，尽快收集各地区燃气气质、燃气设备设计“基准气”方面的数据，开展天然气燃烧设备的试验，深入开展燃气可互换性方面的

研究。同时，进一步了解全球各LNG气源的气质数据．针对国内不同市场研究适用的天然气“可互换性”控制方案。

 本文数据和观点主要来自NGC+可互换性工作组2005年2月28日发布的《天然气可互换性和非燃烧最终利用白皮书》