蔡黎 周代兵 謝羽 周理 唐蒙

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國(guó)石油天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

由于天然氣供給和需求的不統(tǒng)一，各種非常規(guī)天然氣和天然氣代用品已進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)階段以彌補(bǔ)天然氣的供需缺口[1-4]。煤制合成天然氣代用品(以下簡(jiǎn)稱(chēng)煤制氣)、煤層氣、頁(yè)巖氣等作為天然氣的重要補(bǔ)充，已經(jīng)加快了開(kāi)發(fā)的步伐。天然氣生產(chǎn)、貿(mào)易交接呈現(xiàn)氣質(zhì)復(fù)雜化特點(diǎn)，所以進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的天然氣既有不同國(guó)家的進(jìn)口管輸天然氣、液化天然氣，又有國(guó)產(chǎn)的氣田氣、油田伴生氣、煤層氣、頁(yè)巖氣和煤制氣等。這些氣體均通過(guò)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行輸送，急需統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)定其質(zhì)量，確保長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行[5-8]。

不同來(lái)源的天然氣和天然氣代用品氣質(zhì)不同，其密度、壓縮因子等可能對(duì)管輸和計(jì)量產(chǎn)生影響的指標(biāo)以及某些可能會(huì)對(duì)管輸產(chǎn)生影響的重要組分也不同[9-10]?！哆M(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道氣體質(zhì)量要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂較為充分地結(jié)合了各種氣源的氣質(zhì)特性，綜合考慮其可能對(duì)管輸產(chǎn)生影響的指標(biāo)，并對(duì)此類(lèi)關(guān)系管輸氣質(zhì)量和管道安全運(yùn)行的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，可以有效地保障管道的安全運(yùn)行，并且在保證氣體質(zhì)量指標(biāo)的同時(shí)，有利于長(zhǎng)輸管道中天然氣計(jì)量所需物性的準(zhǔn)確計(jì)算，保證順利交接[11-12]。本文只在討論該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的較為重要技術(shù)指標(biāo)的制訂原因及使用要點(diǎn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)重要內(nèi)容探討

1.1 范圍

《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道氣體質(zhì)量要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)界定的使用范圍為進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的“常規(guī)天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣及煤制氣”的氣體質(zhì)量要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。從現(xiàn)階段天然氣長(zhǎng)輸管道的入口來(lái)說(shuō)，本標(biāo)準(zhǔn)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)有可能進(jìn)入長(zhǎng)輸管道輸送的氣體的全覆蓋。在將來(lái)，如有新的天然氣種類(lèi)或天然氣代用品進(jìn)入管道時(shí)，本標(biāo)準(zhǔn)也將進(jìn)行相應(yīng)的修訂。

1.2 天然氣長(zhǎng)輸管道定義

長(zhǎng)久以來(lái)，天然氣長(zhǎng)輸管道通常是一個(gè)定性的習(xí)慣性稱(chēng)謂，并無(wú)具體確定的指標(biāo)或定義來(lái)明確其內(nèi)涵。在標(biāo)準(zhǔn)制訂初期，標(biāo)準(zhǔn)并未定義天然氣長(zhǎng)輸管道。隨著制訂過(guò)程的深入，標(biāo)準(zhǔn)各相關(guān)方均要求對(duì)其進(jìn)行定義以使得標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍更為明確。本標(biāo)準(zhǔn)借用長(zhǎng)輸管道的習(xí)慣用法對(duì)其進(jìn)行了定性的定義。此次的定性定義，在具體如管輸長(zhǎng)度、管輸壓力等方面均未涉及。在未來(lái)，國(guó)家對(duì)管輸企業(yè)的定位進(jìn)一步明確后，本標(biāo)準(zhǔn)修訂過(guò)程中，該定義應(yīng)根據(jù)國(guó)家政策法規(guī)的變化來(lái)重新確定。

1.3 氣體質(zhì)量要求

1.3.1概述

表1給出了本標(biāo)準(zhǔn)中的具體質(zhì)量指標(biāo)要求。相對(duì)于GB 17820-2012《天然氣》[13]，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)更多，包括了CO、H2、O2等指標(biāo)要求，這些都是影響管輸效率和安全的指標(biāo)。

表1 《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道氣體質(zhì)量要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical requirement in Quality Requirements for Gases Entering Long-distance Transportation Gas Pipeline項(xiàng)目指標(biāo)高位發(fā)熱量①② /(MJ·m-3)≥34.0ρ(總硫),以硫計(jì)①/(mg·m-3)≤20ρ(H2S)①/(mg·m-3)≤6y(CO2)/%≤3.0y(CO)/%≤0.1y(H2)/%≤3.0y(O2)/%≤0.1水露點(diǎn)③④/℃≤水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃ 注:①本標(biāo)準(zhǔn)中氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為101.325 kPa,20 ℃;② 高位發(fā)熱量以干基計(jì);③在輸送條件下,當(dāng)管道管頂埋地溫度為0 ℃時(shí),水露點(diǎn)應(yīng)不高于-5 ℃;④進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體,水露點(diǎn)的壓力應(yīng)是進(jìn)氣處的管道設(shè)計(jì)最高輸送壓力。

表1所列為《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道氣體質(zhì)量要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)熱量、總硫、H2S、CO2的指標(biāo)要求，這些指標(biāo)均與GB 17820-2018中的一類(lèi)氣指標(biāo)相一致，即滿足GB 17820-2018一類(lèi)氣的指標(biāo)，才能進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道。這樣的要求，進(jìn)一步保證了長(zhǎng)輸管道下游用戶的利益。

1.3.2CO要求

表1中還列出了CO含量要求。CO主要在煤制氣中存在，原因在于煤制氣最終使用CO和H2作為原料合成。在正常工藝產(chǎn)出的煤制氣中，CO含量通常在0.01%(y)數(shù)量級(jí)[5,14-15]，為避免非正常工藝產(chǎn)出的煤制氣進(jìn)入長(zhǎng)輸管道，最終確定CO的指標(biāo)要求為不高于0.1%(y)。

1.3.3H2要求

H2的存在同樣是基于規(guī)范煤制氣氣質(zhì)需要制定的。煤制氣由于在最終合成的步驟中，H2與CO的比例通常超過(guò)3∶1，通入過(guò)量H2以保證CO盡可能反應(yīng)完全，但使得最終煤制氣產(chǎn)品中通常含常量的H2。為規(guī)范進(jìn)入長(zhǎng)輸管道的煤制氣質(zhì)量，本文討論的標(biāo)準(zhǔn)沿用NB/T 12003-2016《煤制天然氣》的規(guī)定[16]，H2含量不高于3%(y)。對(duì)于部分管道來(lái)說(shuō)，其管道建設(shè)所用的鋼材可能對(duì)于H2有特殊要求[17-18]，對(duì)于這部分管道來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)管道的要求來(lái)確定H2含量。

1.3.4O2要求

顯然，第二種教學(xué)設(shè)計(jì)效果更好。但第二種教學(xué)設(shè)計(jì)中到底是哪個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)起到了關(guān)鍵性作用？我認(rèn)為課后作業(yè)有很大的功勞。這個(gè)環(huán)節(jié)幫助孩子們積累了更多可用這個(gè)詞的語(yǔ)境，孩子們?cè)谏钪?、學(xué)習(xí)中常常用到這個(gè)詞，他們遺忘這個(gè)詞的概率就變小了。我想這樣的理解才是真正的深層次的理解。

O2為常規(guī)天然氣中不含有的組分，為保證在管輸過(guò)程中無(wú)空氣等雜質(zhì)混入而影響天然氣質(zhì)量，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)O2含量進(jìn)行了規(guī)定。我國(guó)天然氣的氣質(zhì)情況以及分析方法的檢測(cè)限，同時(shí)結(jié)合與國(guó)際先進(jìn)水平的規(guī)定，最終確定O2含量的規(guī)定指標(biāo)為摩爾分?jǐn)?shù)不大于0.1%(1000×10-6)。這樣的規(guī)定，既可以保證管輸安全，也能夠較為準(zhǔn)確地使用離線方法測(cè)試，確保在天然氣中無(wú)O2(空氣)的混入。

1.3.5水露點(diǎn)要求

水露點(diǎn)是確保管道輸送能力的重要指標(biāo)。在本標(biāo)準(zhǔn)制訂前，水露點(diǎn)的指標(biāo)規(guī)定通常為在交接壓力下，水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃。但實(shí)際運(yùn)行中，管道的實(shí)際設(shè)計(jì)和輸送最高壓力可能高于交接壓力，使得幾乎沒(méi)有天然氣處理能力的長(zhǎng)輸管道中可能由于輸送壓力的升高而出現(xiàn)液態(tài)水的凝結(jié)。所以，本標(biāo)準(zhǔn)確定的水露點(diǎn)壓力為管道設(shè)計(jì)最高輸送壓力。

1.3.6其他要求

另外，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于天然氣中的液烴和液態(tài)水也進(jìn)行了定性規(guī)定以避免其對(duì)管輸能力的影響。固體顆粒物等由于測(cè)試方法及影響評(píng)估還不夠成熟，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了貿(mào)易交接處應(yīng)按GB/T 27893-2011《天然氣中顆粒物含量的測(cè)定 稱(chēng)量法》要求對(duì)顆粒物分離效果進(jìn)行評(píng)估，以豐富顆粒物測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)而評(píng)估顆粒物對(duì)管輸?shù)挠绊憽Ｔ诜e累的數(shù)據(jù)成熟后，進(jìn)一步對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化。

1.4 檢驗(yàn)規(guī)則

本標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)以往執(zhí)行的天然氣標(biāo)準(zhǔn)，其總硫等關(guān)鍵指標(biāo)的規(guī)定極為嚴(yán)苛，幾乎需要對(duì)整個(gè)天然氣處理工藝進(jìn)行較大改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)，并且由于此指標(biāo)幾乎使得處理工藝在接近極限的狀態(tài)下運(yùn)行，總硫含量等對(duì)于工藝的輕微影響均反應(yīng)靈敏(如裝置冷啟動(dòng)，或處理單元參數(shù)調(diào)整時(shí))。所以，本標(biāo)準(zhǔn)引入瞬時(shí)值控制概念。在短期以?xún)?nèi)，部分指標(biāo)的實(shí)際值可以超過(guò)表1中的規(guī)定而不超過(guò)規(guī)定的瞬時(shí)值，24 h內(nèi)的平均值不應(yīng)超過(guò)表1中的規(guī)定。表2給出了不同參數(shù)的瞬時(shí)值要求和平均值要求對(duì)比情況。

表2 不同指標(biāo)的瞬時(shí)值和平均值要求對(duì)比Table 2 Comparison between average and instantaneous requirement項(xiàng)目平均值要求瞬時(shí)值要求ρ(總硫),以硫計(jì)①/(mg·m-3)≤2030ρ(H2S)①/(mg·m-3)≤610y(H2)/%≤3.05.0 注:① 本標(biāo)準(zhǔn)中氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為101.325 kPa,20 ℃。

除提出瞬時(shí)值外，為提高指標(biāo)的檢測(cè)效率，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定對(duì)于特定的氣體，有明確證據(jù)證明不含有或不會(huì)高于表1指標(biāo)要求的，可以不予檢測(cè)。具體特點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)的資料性附錄A中進(jìn)行了歸納。比如，常規(guī)天然氣中H2不可能高于3%，煤制氣中總硫含量幾乎為零。由于這些指標(biāo)幾乎沒(méi)有超出表1規(guī)定的可能，再單獨(dú)對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，是對(duì)分析測(cè)試儀器和人力資源的浪費(fèi)，所以標(biāo)準(zhǔn)給出了相應(yīng)的規(guī)定。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過(guò)渡期

表3 過(guò)渡期的天然氣質(zhì)量要求Table 3 Technical requirement of natural gas during the transitional period 項(xiàng)目指標(biāo)高位發(fā)熱量①/(MJ·m-3) ≥31.4ρ(總硫),以硫計(jì)①/(mg·m-3)≤200ρ(H2S)①/(mg·m-3)≤20y(CO2)/%≤3.0水露點(diǎn)②③/℃≤在交接點(diǎn)壓力下,水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃ 注:①本標(biāo)準(zhǔn)中氣體體積的標(biāo)準(zhǔn)參比條件為101.325 kPa,20 ℃;② 在輸送條件下,當(dāng)管道管頂埋地溫度為0 ℃時(shí),水露點(diǎn)應(yīng)不高于-5 ℃;③ 進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的天然氣,水露點(diǎn)的壓力應(yīng)是最高輸送壓力。

2 標(biāo)準(zhǔn)制訂和執(zhí)行過(guò)程中的影響

2.1 推進(jìn)指標(biāo)與國(guó)際接軌

天然氣中總硫的技術(shù)要求由GB 17820-2012規(guī)定的200 mg/m3提升至不大于20 mg/m3，提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的改變，在執(zhí)行后，會(huì)大幅降低由于天然氣中含硫而造成燃燒后的SO2排放。另外，此總硫含量要求也達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，與歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 16726-2016《燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施 氣體質(zhì)量 H組》對(duì)總硫含量規(guī)定一致，高于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AGA 4A-2009《天然氣合同 計(jì)量和質(zhì)量條款》總硫質(zhì)量濃度不大于11.5～460.0 mg/m3和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 5524-2014《工業(yè)和公共生活用可燃天然氣》硫醇加H2S質(zhì)量濃度不大于56 mg/m3的技術(shù)要求。與國(guó)際上其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水平的一致性，使我國(guó)天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際接軌，將有效減小我國(guó)在國(guó)際天然氣貿(mào)易中遇到技術(shù)壁壘的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步規(guī)范我國(guó)的天然氣國(guó)際貿(mào)易，同時(shí)提高我國(guó)進(jìn)口天然氣品質(zhì)。

2.2 推進(jìn)天然氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)深度變革

新標(biāo)準(zhǔn)極大地提高了總硫含量指標(biāo)，同時(shí)還提高了天然氣的發(fā)熱量、H2S等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。這樣的提高有利于拉開(kāi)天然氣質(zhì)量區(qū)分度，從而促進(jìn)天然氣優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的改革，也對(duì)我國(guó)天然氣上游產(chǎn)業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)。新標(biāo)準(zhǔn)的順利實(shí)施，需要在天然氣質(zhì)量控制和在線檢測(cè)新技術(shù)、有機(jī)硫深度脫出技術(shù)、羰基硫水解技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、發(fā)熱量不合格天然氣氣質(zhì)達(dá)標(biāo)技術(shù)研究等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破才能保證。這些技術(shù)突破和新技術(shù)的使用將較大程度地提高天然氣凈化成本，促進(jìn)凈化裝置和工藝進(jìn)行改造，推動(dòng)天然氣分析檢測(cè)技術(shù)革新。

2.3 多外語(yǔ)版本出版推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化進(jìn)程

本標(biāo)準(zhǔn)的制訂，將同時(shí)出版中文版、英文版和俄文版。這些外文版本標(biāo)準(zhǔn)的同步出版，將有利于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”戰(zhàn)略，也促進(jìn)我國(guó)在天然氣國(guó)際貿(mào)易中提高信息溝通效率，推進(jìn)我國(guó)的天然氣進(jìn)口。

3 結(jié)論

(1) 《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步推進(jìn)天然氣工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，并突出天然氣清潔能源的潔凈優(yōu)勢(shì)。

(2) 本標(biāo)準(zhǔn)調(diào)和了天然氣上游開(kāi)發(fā)和中游管輸之間的沖突，具有可操作性。但部分指標(biāo)對(duì)于上游開(kāi)發(fā)較為苛刻，將對(duì)開(kāi)發(fā)成本產(chǎn)生影響。

(3) 本標(biāo)準(zhǔn)與GB 17820《天然氣》協(xié)調(diào)一致，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同將規(guī)范整個(gè)天然氣及相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)于天然氣行業(yè)的有序發(fā)展起到標(biāo)準(zhǔn)保障作用。