天然气供应系统概论

天然气供应系统概论--东风设计研究院有限公司建筑设计院刘佑中

摘要：分析天然气的性质、使用现况及贮存、供应系统的若干技术问题。关键词：天然气供应概论

1、引言

人们常称19世纪是煤气时代，20世纪是油气时代，21世纪是天然气时代。二十世纪八十年代以后，我国天然气的开发利用开始有了较快的发展。20__年天然气消费总量250亿立方米，在一次能源消费结构中比例2.1,但是远远低于世界23，亚洲8.8的平均水平。世界人均用气400多立方米，我国人均用气量仅为18立方米。在气体燃料发展的历史上，比起发达的国家美国、欧洲、日本，中国整整落后了40年。

随着中国经济持续稳定的增长，可以预见的是：在未来十到二十年，天然气将是中国需求增长最快的能源，中国将是全世界天然气需求增长最快的国家。中国天然气发展战略为：立足国内，利用海外，西气东输，北气南下，海气登陆，就近供应。本文试图对天然气供应系统进行一些探讨。

2、天然气的性质

天然气是指直接从自然界得到的气体燃料，即基本上只经开采和收集的燃气。天然气主要有三种：

（1）气井气气井气是埋藏在地下深处（20__～3000m或更深）的气体燃料，在地层压力作用下燃气压力多达到1.0～10.0MPa。其主要成分是甲烷，体积分数约为95％左右，还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮以及氩、氖等气体。在标态下密度为0.5～0.7Kg/mup3;，高发热量为37000KJ/mup3;。气井气的燃烧速度（即火焰传播速度）属于常用燃气中最低的几种之一。

（2）油田伴生气伴生气是石油开采过程中自原油析出的气体，在分离器中由于压力降低而进一步析出。其主要成分也是甲烷（体积分数约占80％左右），另外还含有一些其他烃类。伴生气的发热量稍高于气井气，标态下密度约为0.6～0.8Kg/mup3;，但燃烧速度与气井气差不多。此外，还有埋藏很浅的浅层燃气，其主要成分也是甲烷。

（3）矿井气矿井气是从煤矿矿井中抽出的燃气。在新开凿的矿井中充满着“矿井瓦斯”的气体。这种气体含有大量甲烷，除了有爆炸危险外，还对人体有窒息性。矿井气中甲烷含量约占一半，其他主要成分是空气和氮。矿井气的发热量较低，标态下一般不超过21000KJ/mup3;。

天然气的主要物理性质如下：

a)临界温度为－82.3℃，临界压力为4.49MPa。

b)沸点为-161.5℃，熔点为-182℃，着火点为650℃。

c)液态密度为0.425T/m3，气态密度约为0.7kg/Nm3。

d)气态热值约37000KJ/m3，液态热值约50000KJ/kg。

e)爆炸范围：上限为15，下限为5。

f)华白指数(W)：44.94MJ/Nm3。

g)燃烧势(CP)：45.18。

3、压缩天然气（CNG）

随着世界能源危机和环保问题日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。一方面，石油资源短缺，汽车是油耗大户，且目前内燃机的热效率较低，燃料燃烧产生的热能大约只有35-40用于实际汽车行驶，节节攀升的汽车保有量加剧了这一矛盾；另一方面，汽车的大量使用加剧了环境污染，城市大气中CO的82、NOx的48、HC的58和微粒的8来自汽车尾气，此外，汽车排放的大量CO2加剧了温室效应，汽车噪声是环境噪声污染的主要内容之一。我国作为石油进口国和第二大石油消费大国，污染严重，世行认定的20个污染最严重的城市有16个在中国。国内汽车产品水平与国外差距很大，平均油耗高出10-30，排放约为15-20倍，汽车工业面临的压力更大。

天然气汽车又被称为“蓝色动力”汽车，主要以压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、吸附天然气(ANG)为燃料，常见的是压缩天然气汽车(CNGV)。CNG是理想的点燃式发动机燃料之一，燃气成分单一、纯度高，与空气混合均匀，燃烧完全，CO和微粒的排放量较低，燃烧温度低因而NOx排放较少，稀燃特性优越，低温起动及低温运转性能好。康明斯与美国能源部正合作开发名为“先进往复式发动机系统(ARES)”的新一代天然气发动机，根据开发目标，该发动机热效率达50(热电联产时达到80以上)，NOx排放量低于0.1g／km，维护费用低于0.01美元／kwh，在满足这些目标的同时，发动机具有较高的可靠性。

CNG加气站主要工艺流程如下：

计量调压系统

净化脱硫系统

压缩机

脱水装置

车辆

售气机

顺序控制盘

子站拖车

储气系统

从天然气管网进气，经计量调压装置后进入脱硫系统，再进入压缩机组，压缩到25MPa，然后经过高压脱水装置进行处理。此时可直接将压缩天然气注入车载气瓶给汽车加气，或注入CNG拖车的气瓶运往子站，此即慢速加气。另外，也可将压缩天然气储存在储气瓶组内，通过顺序控制盘再给汽车加气，此即快速加气。

4、液化天然气（LNG）

由于天然气资源分布的非均匀性，以及中国经济高速发展孕育的强大能源需求，特别是能源紧缺的沿海发达地区对环保的高质量追求，随着用气量的逐步提高、峰谷用量差距的加大以及长输管道的安全性，特别是用气量较大的浙江、上海、江苏、山东、北京、天津、河北等沿海省市，都需要第二气源进行战略调峰和用气安全保证。中国的液化天然气(LNG)产业将充分发挥其长距离、非管输的特点，近几年将会获得高速、不可阻挡的跨越式发展，继而演变成为中国不可或缺的重要能源支柱。

液化天然气(LNG)是天然气经过净化之后，通过压缩升温，在混合致冷剂N2、C1、C2、C3、C4的作用下，冷却移走热量，再节流膨胀而得到-162℃的以液态形式存在的LNG，体积缩小了近600倍。

城市燃气主要有以下几种方式将LNG予以应用：LNG城市调峰站；LNG汽车加气站；LNG气化站；LNG小区瓶组站；LNG临时供气站。LNG城市调峰站、LNG临时供气站用于战略调峰和用气安全保证。

LNG汽车加气站系统工艺设备包括：卸车系统、LNG贮存系统、增压气化系统、LNG卸车和充装泵、LNG加气机、自控系统、报警系统等。

LNG气化站工艺在国外是十分成熟，而且已有30多年的历史。LNG由低温槽车运至气化站，在卸车台利用槽车自带的增压器对槽车储罐加压，利用压差将LNG送入LNG储罐储存。气化时通过储罐增压器将LNG增压，然后自流进入空浴式气化器，LNG发生相变，成为气态天然气，夏季直接去管网，冬季经水浴式加热，再去管网。其主要系统工艺设备包括：卸车系统/LNG贮存系统、气化系统、增压系统、BOG复热系统、EAG复热及放空系统、调压加臭及计量系统、自控系统等。

LNG小区瓶组站专门为中小规模用气客户提供LNG贮存及气化供气系统。系统工艺设备包括：LNG低温绝热气瓶、气化系统、BOG复热系统、EAG复热及放空系统、调压加臭及计量系统、自控系统等。可将调压、加臭、计量BOG复热系统制作成撬装模块提供，方便用户对其进行 移动和搬迁。

5、吸附天然气（ANG）

由于天然气在吸附剂上吸附后，其吸附相的密度(3.5MPa时ANG约0.13g/cm3，25MPa时CNG为0.15g/cm3，LNG为0.42g/cm3)比气相密度(常温、常压下约为7×10-4g/cm3)高几个数量级，所以在储存容器中加入吸附剂后，虽然吸附剂本身要占据部分储存空间，但因吸附相天然气的高密度，总体效果是吸附储存将显著提高天然气的体积能量密度。ANG技术的最大优点就在于低压下可获得较高的吸附相密度，并接近或达到高压CNG的储气能力。天然气吸附剂制备原料多选用石油焦和果壳，制备工艺一般为：原料粉碎炭化浸渍活化洗涤干燥成型。目前，通过改进后的吸附剂ANGV测试已达到153v/v的储气量。

(1)ANG用于汽车燃料。国内外均已作了行车试验研究，证明ANG技术作汽车燃料完全可行，特别是ANG的释放速度完全可满足汽车行驶时的供气速度或供气量的要求，存在的关键问题是一次充气行车距离较短。但是对于城市固定线路的公交车、出租车等市内运输车辆采用ANG是完全可行的。

（2）用于城市天然气网络的调峰。目前使用的天然气储气库采用低压（1.0～1.5MPa）储气，单位体积储气库的储气量小，若使用固定式ANG储气装置，可提高单位体积储气库的天然气储存量。英国的研究表明，在1.72MPa下，Calgon碳的储气量可达61.4v/v，约为相同压力下压缩储存的4倍。

（3）天然气/煤层气吸附储存无管网运输。利用ANG技术储存天然气和煤层气，实现天然气的异地转运，为城市郊区市县居民和油气田附近未铺管网的城市使用天然气提供方便。此外，ANG技术还可为小型天然气发电机提供紧急燃料，并可用于垃圾场分离提纯甲烷的储存。基于ANG储存技术开发的吸附剂在气体的分离与提纯、炼厂轻烃的吸附回收、环保应用、声波吸收等方面已显示了较好的应用前景。

6、高－高压、高－中压调压站

高－高压、高－中压调压站适用于天然气长输管线的分输站用于首站的下游或城市中压管网的上游，作为城市门站、燃气管网配气站、CNG站等高－高压、高－中压燃气管网的调压和稳压。具有净化、计量、调压、分配、安全保护等功能。可根据需求配置燃气报警系统、自控系统、加嗅装置，亦可选装RTU单元和通讯单元。城市门站是天然气长输管线进入城市燃气管网的关键调压设备，通常具有调压、计量、加嗅、伴热、分配和远程监测等功能。

FL系列调压器允许最高进口压力：100bar,进口压力范围：1～100bar，压力设定范围：0.5～80bar，调压精度：≤±1，关闭压力：≤ 5，最高流量（天然气）：Qmax：≤600,000Nm3/h。切断精度：≤±1，反应时间：≤1sec。

7、中、低压天然气调压装置

城镇天然气经管道中压输送至用户后，用户须对其进行调压后使用。

中、低压天然气调压装置是将中压燃气压力调整至用户所需的中压B级或低压压力，由调压器、过滤器、阀门、补偿器（波纹管）、安全放散阀、压力记录仪表等设备组成。

调压器分类：

结构型式

类型

使用场所

主要功能

直接作用式

RTZ

锅炉、直燃机

将天然气由进口压力0.4MPa调到中压B级或更低

TRZFQ

楼栋、工业用户

间接作用式

RTJ-活塞式调压器

调压站内

将天然气由进口压力0.1～0.4

MPa调到中压B级或更低

HRJ-衡量式调压器

调压站或调压箱内

RTJ-雷诺式调压器

调压站内

大用量小区供气用

轴流式调压器

地下调压箱

注：R-燃气；T-调压；Z-直接作用式；J-间接作用式；F-法兰；Q-切断；H-衡量式。

调压器主要技术性能参数如下：

性能参数

直接作用式

间接作用式

民用

锅炉专用

流量范围（mup3;/h）

25～50

100～2500

300～17000

进口压力（MPa）

0.02～0.4

0.02～0.4

0.02～0.4

出口压力（MPa）

1～5

1.5～30

5～30

稳定精度（％）

±15

±10

±10

切断精度（％）

10

5

使用环境温度（ºC）

－20～50

－20～80

净重（kg/台）

15、20

21～45

38～150

产品标准

GB16802－1997《城镇燃气调压器》

注：表内数据基于国产衡量式调压器。

调压柜典型工艺流程图如下：

调压柜工艺流程与用户使用要求相适应，其流量应按用气量的1.2倍计算。

8、燃气管道

城镇天然气系统由城市门站、城市高压管网、高—中压调压站、中压主干管网、中压次干管网及庭院管网组成。

高压管网大管径采用螺旋焊缝钢管，材质为A3钢或A3F钢。中压管网中管径在DN200到DN300的管道采用无缝钢管，DN200以下的中压管道和庭院管网一般采用PE管，在PE管的应用中应避免在同一小区内钢塑混合使用。

高压管网的防腐除进行外绝缘防腐外，另设牺牲阳极防腐，以提高管道的使用寿命和供气的安全可靠性。中压管道的钢管防腐采用外绝缘防腐，防腐方法采用冷缠型防腐胶带SR-92，FF-92型。

推广用户自动收费系统的应用，大力发展IC卡，方便用户的用气需要和燃气经营部门的管理。燃气设备的不断发展和完善，家用燃气空调将走入家庭，燃气集中空调已开始使用，应能够满足这部分用户的用气需求。

9、小结

本文在撰写就天然气的性质、使用现状及贮存、供应系统的若干技术问题进行了粗线条的论述。在本文写作中，有关专家提供了相关资料并作出必要指导，在此谨表谢意。

参考文献：

1、燃油燃气锅炉房设计手册编写组，燃油燃气锅炉房设计手册，机械工业出版社，1998年6月

2、卢永昌、朱富荣，燃气设备与燃气用具手册，中国建筑工业出版社，1996年1月

3、中华人民共和国建设部，城镇燃气设计规范，GB50028－93（20__版），中国计划出版社，20__年

作者简介：刘佑中，男，1973年7月出生，现工作于东风设计研究院有限公司建筑设计院，工程师，从事动力专业设计。曾获机械工业优秀勘查设计二等奖、三等奖各一次。