常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣以及煤制氣對長輸管道的影響分析

       近年來，我國天然氣消費(fèi)快速增長，天然氣工業(yè)高速發(fā)展，使天然氣生產(chǎn)和貿(mào)易量都迅猛上升。天然氣的輸送主要由天然氣管道完成，根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2012年我國的天然氣管道總長為342751km，各大長輸管網(wǎng)均擔(dān)任著各地區(qū)之間油氣調(diào)配管理任務(wù)，并承擔(dān)著保障國家能源供給安全戰(zhàn)略順利實(shí)施的重大責(zé)任和使命。

       進(jìn)入長輸管網(wǎng)的天然氣既有不同國家的進(jìn)口管輸天然氣、液化天然氣，又有國產(chǎn)的氣田氣、油田伴生氣、煤層氣、頁巖氣和煤制氣等。不同氣源間可能存在的不同氣質(zhì)會對天然氣的貿(mào)易交接和安全生產(chǎn)造成影響。管道的安全輸送及天然氣的準(zhǔn)確計量都對進(jìn)入管道，尤其是長輸管道的天然氣氣質(zhì)提出要求。

       天然氣的指標(biāo)包括水露點(diǎn)/水含量、H2S、凝析烴、顆粒物等，均會對長輸管道的運(yùn)行產(chǎn)生影響。比如，常規(guī)天然氣中過高含量的H2、He會對在線分析系統(tǒng)提出新的要求，而煤制氣中新出現(xiàn)的常量H2和微量CO也需要通過研究確定其對天然氣管道運(yùn)行的影響。本文側(cè)重于探討常規(guī)氣田氣、油田氣及非常規(guī)天然氣氣質(zhì)，并通過這些氣體對天然氣交接和安全輸送方面可能產(chǎn)生的影響來探討管輸對氣質(zhì)的要求，并盡可能為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制、修訂提供依據(jù)。

       1、氣質(zhì)情況概述

       現(xiàn)階段，我國可能進(jìn)入長輸管道中的管輸天然氣按照來源可以分為常規(guī)天然氣（氣田氣、油田伴生氣等）、頁巖氣、煤層氣以及煤制氣等。進(jìn)入長輸管道的氣質(zhì)要求主要靠兩個方面進(jìn)行規(guī)定：

       ①貿(mào)易交接中，交接壓力下，要將天然氣體積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積進(jìn)行計量，需要保證天然氣工況下壓縮因子的準(zhǔn)確計算；

       ②需保證不同種類的天然氣的不同組成不會對管輸安全造成影響。

       1.1常規(guī)天然氣

       表是我國典型的常規(guī)天然氣氣質(zhì)組成范圍。由表可以看到，常規(guī)天然氣通常含有十多個組分，管輸氣大多滿足GB17820－2012枟天然氣枠的二類氣以上質(zhì)量要求。在進(jìn)行天然氣貿(mào)易交接過程中的計量時，現(xiàn)場通常需要先進(jìn)行天然氣氣質(zhì)的分析。在常規(guī)天然氣中，He以及H2都是痕量的，在計算壓縮因子時，不會對天然氣壓縮因子產(chǎn)生較大影響。當(dāng)He以及H2含量過高時，應(yīng)使用離線數(shù)據(jù)中的He與H2組成數(shù)據(jù)，對在線數(shù)據(jù)進(jìn)行完善，以作為天然氣物性計算的基礎(chǔ)組成數(shù)據(jù)。

       另外，天然氣的輸送管道是基于表中的常規(guī)天然氣氣質(zhì)進(jìn)行設(shè)計的，并且在設(shè)計過程中也進(jìn)行了充分的安全生產(chǎn)設(shè)計，在多年的實(shí)際運(yùn)行中也未見異常。所以，常規(guī)天然氣在進(jìn)入長輸管道時，不會對天然氣的貿(mào)易交接計量和安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響。

       1.2煤制氣

       煤制氣是緩和我國天然氣生產(chǎn)和消耗不平衡的重要手段。H2是煤制氣中最可能對管輸產(chǎn)生影響的組分，需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確及時的分析。表是幾個煤制氣項目的設(shè)計氣質(zhì)指標(biāo)和一個煤制氣項目的實(shí)際測量指標(biāo)。對于天然氣的貿(mào)易交接，在線分析通常無法覆蓋H2組分的分析。

       而在煤制氣中，常量的H2必然會影響天然氣工況狀態(tài)下的壓縮因子計算。壓縮因子計算結(jié)果的不確定度增大，必然影響天然氣貿(mào)易交接的公平。同時，常量的H2也可能對天然氣長輸管道的安全輸送產(chǎn)生影響。眾所周知，H2會引起長輸管道管材金屬的氫鼓泡和氫脆等現(xiàn)象，從而縮短管道的使用壽命，甚至影響長輸管道的安全輸送。

       1.3頁巖氣

       我國四川地區(qū)作為頁巖氣開發(fā)的先導(dǎo)基地，已有頁巖氣氣井進(jìn)行生產(chǎn)。表中的數(shù)據(jù)是四川地區(qū)的頁巖氣氣質(zhì)數(shù)據(jù)。從表中的數(shù)據(jù)可以看到，頁巖氣氣質(zhì)與常規(guī)天然氣相似，其CH4組分比常規(guī)天然氣高，無丙烷以外的更重的天然氣組分。頁巖氣氣質(zhì)更利于準(zhǔn)確的分析定量。痕量的He和H2在常規(guī)天然氣部分已經(jīng)說明，對天然氣的計量和安全輸送不會產(chǎn)生影響。

       1.4煤層氣

       表中數(shù)據(jù)是對山西的幾個煤層氣開發(fā)項目進(jìn)行取樣分析后獲得的煤層氣氣質(zhì)數(shù)據(jù)。很明顯，煤層氣氣質(zhì)與頁巖氣相似，CH4含量極高，伴隨少量N2、CO2以及乙烷之類的低碳數(shù)組分，分析數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，更利于計量時物性參數(shù)的準(zhǔn)確計算。同時，也基本不存在對管輸安全產(chǎn)生影響的組分。

       2、進(jìn)入長輸管道氣質(zhì)要求探討

       要制定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定進(jìn)入長輸管道的氣質(zhì)，應(yīng)明確進(jìn)入長輸管網(wǎng)氣質(zhì)質(zhì)量是標(biāo)準(zhǔn)制定的目的，是為了保證多氣源（常規(guī)天然氣、頁巖氣、煤層氣、煤制氣等）進(jìn)入管道后，長輸管道能安全運(yùn)行。為此，應(yīng)分別討論天然氣的各項指標(biāo)。進(jìn)入長輸管道的氣體首先應(yīng)滿足GB17820－2012的要求，另外還需進(jìn)一步討論可能對管道安全輸送產(chǎn)生影響的因素。

       2.1總硫

       進(jìn)入管道的總硫指標(biāo)直接關(guān)系到天然氣燃燒后形成的SO2排放量，GB17820－2012中的總硫含量在確定時，已充分考慮天然氣燃燒后排放的環(huán)保要求。進(jìn)入長輸管道氣質(zhì)總硫指標(biāo)的確定可以參照GB17820－2012指標(biāo)執(zhí)行。國家對柴油中總硫含量有所規(guī)定，按照國IV要求，柴油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10－６，折算為天然氣中總硫的質(zhì)量濃度為35mg/m3，在未來環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格的情況下，天然氣可參照此要求執(zhí)行。

       2.2H2S

       H2S作為酸性氣體，是對管道運(yùn)行產(chǎn)生腐蝕的主要?dú)怏w。石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY0515－2007枟分離器規(guī)范枠以及美國防腐工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NACE－MR0175－2002枟油田設(shè)備用抗硫化應(yīng)力裂紋的金屬材料枠中均說明，在總操作壓力低于0.45MPa或H2S分壓低于0.0003MPa時，可以不考慮H2S應(yīng)力開裂問題。

       長輸管道管輸壓力通常較高，按照現(xiàn)有最高管輸壓力13MPa計算，管道不考慮應(yīng)力開裂影響的H2S最高體積分?jǐn)?shù)為23×10－６，換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的質(zhì)量濃度為33mg/m3，在考慮一定的保險系數(shù)下，可以使用GB17820－2012中二類氣的指標(biāo)，即20mg/m3。

       2.3CO2

       CO2在管輸過程中主要是電化學(xué)腐蝕，腐蝕過程中有腐蝕電流，由于鋼鐵金屬表面不均勻形成許多微電池，引起鋼鐵腐蝕。

       其電極反應(yīng)為：

       CO2＋H2O→H2CO3

       H2CO3＋Fe→FeCO3＋H2↑

       陽極反應(yīng)：

       Fe→Fe2＋＋2e

       陰極反應(yīng)：

       H2CO3→H＋＋HCO3-

       2H＋＋2e→H2↑

       CO2腐蝕鋼材主要是CO2溶于水生成碳酸而引起電化學(xué)腐蝕所致。在影響CO2腐蝕速率的各個因素中，CO2分壓起著重要作用。CO2分壓高時，溶解于水的碳酸濃度高，從碳酸中分解出的氫離子濃度必然高，因而腐蝕被加速。參考SY/T0515－1997中按CO2的分壓來劃分腐蝕環(huán)境：CO2分壓大于0.1MPa時有明顯腐蝕、分壓為0.05～0.1MPa時應(yīng)考慮腐蝕作用、分壓小于0.05MPa一般不考慮腐蝕作用。

       按照現(xiàn)有最高管輸壓力13MPa計算，CO2的允許體積分?jǐn)?shù)為0.4％。但是，各國在制定天然氣標(biāo)準(zhǔn)時，均將CO2的體積分?jǐn)?shù)規(guī)定為2％～3％，我國的GB17820－2012也根據(jù)CO2含量分成兩檔：一類氣、二類氣（其CO2體積分?jǐn)?shù)為2％）為一檔，三類氣（其CO2體積分?jǐn)?shù)為3％）為另外一檔。

       而我國長輸管道多年在CO2體積分?jǐn)?shù)約2％的條件下運(yùn)行，未見因?yàn)?/span>CO2含量引起的管道問題。從原理上說，在CO2的腐蝕反應(yīng)中，第一步需要CO2與水形成碳酸，然后形成原電池，進(jìn)而發(fā)生管道的腐蝕，而天然氣中由于運(yùn)行安全，對水露點(diǎn)有相應(yīng)的要求，保證了極低水含量的管道輸送條件，這就是為什么在CO2體積分?jǐn)?shù)為2％甚至以上的情況下，管道也能安全運(yùn)行的原因之一。所以，進(jìn)入長輸管道的氣體中CO2含量的確定應(yīng)該同時考慮CO2腐蝕對管道產(chǎn)生腐蝕的閾值以及管道的運(yùn)行條件，并綜合長期以來長輸管道的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來確定。

       2.4CO

       常規(guī)天然氣是在地層中經(jīng)長期的高溫高壓形成的，即使存在CO，在漫長的地質(zhì)年代下也已轉(zhuǎn)化成了CO2。所以，常規(guī)天然氣甚至包括頁巖氣和煤層氣等均不含CO。進(jìn)入長輸管道可能含有CO的氣體主要是煤制氣。在前面的討論中已經(jīng)提及，僅在煤制氣的設(shè)計指標(biāo)中含有痕量的CO。

       CO在管道運(yùn)行中，主要可能產(chǎn)生的是泄漏中的毒害。長輸管道中，在保證管道不泄漏的情況下，CO化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與N2類似，不會與管道發(fā)生反應(yīng)，避免了對管道產(chǎn)生腐蝕，并且痕量的CO也不會影響壓縮因子的計算。在實(shí)際的煤制氣樣品測試結(jié)果中，未見有CO存在，說明在過量H2存在的前提下，在煤制氣合成的過程中能保證CO的完全反應(yīng)。所以，CO的指標(biāo)可以在進(jìn)入長輸管道的氣質(zhì)指標(biāo)中忽略，并注意收集數(shù)據(jù)，以便在制訂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣質(zhì)規(guī)定時提出相應(yīng)指標(biāo)。

       2.5H2

       H2是最可能影響長輸管道的組分，常量的H2在長輸管道的鋼材中可能形成氫脆和氫鼓泡等，對管輸產(chǎn)生影響。對于常規(guī)天然氣來說，H2的體積分?jǐn)?shù)為0.1％甚至更低，以至于完全不含H2。在天然氣長輸經(jīng)驗(yàn)中，也有含痕量H2的氣體進(jìn)入管道的情況，并未見安全問題。在新的多氣源條件下，可能進(jìn)入長輸管道的氣體中包含煤制氣，其中包含H2（體積分?jǐn)?shù)為2％甚至更高），這是否會對管道產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行研究后才能確定。同時，較高含量的H2進(jìn)入管道，會對管道的在線分析系統(tǒng)提出新的要求。

       現(xiàn)有的在線組成分析設(shè)備大多使用H2和He作為載氣，無法進(jìn)行H2的分析。而進(jìn)入長輸管道的煤制氣中常量H2無法分析，會導(dǎo)致最終分析結(jié)果不準(zhǔn)確，影響工況條件下的壓縮因子，進(jìn)而影響天然氣計量的準(zhǔn)確性。因此，必要調(diào)整在線分析系統(tǒng)或使用離線分析手段來補(bǔ)充、完善組成分析結(jié)果，以保證計量的準(zhǔn)確性。

       2.6O2

       天然氣在氣藏中是不含O2的，在開采和處理的過程中，避免與空氣混合是安全生產(chǎn)的基本要求。對于長輸天然氣管道，其O2含量要求應(yīng)更嚴(yán)格，例如EASEEgas的要求為O2的摩爾分?jǐn)?shù)≤0.01％。從天然氣組成檢測方法考慮，0.01％這一數(shù)值實(shí)際上是氣相色譜法檢測組分含量在0.1％以下時所允許的重復(fù)性要求。

       目前，在中國石油每年抽檢的管輸天然氣中，O2的摩爾分?jǐn)?shù)均為0.00％。換言之，如果檢測結(jié)果為0.00％，則與小于0.01％是相同的含義，因?yàn)樵试S的最小檢測值就是0.01％。我國天然氣不論是常規(guī)天然氣還是頁巖氣、煤層氣和煤制氣等，其中O2的最高摩爾分?jǐn)?shù)僅為0.05％，這主要是由于取樣等原因造成的。所以，應(yīng)以0.05％為界限，超過此O2含量，說明管道氣體存在異常，不應(yīng)進(jìn)入長輸管道。

       2.7固體顆粒物

       在長輸管道中，固體顆粒物主要可能對長輸管道運(yùn)行中的增壓機(jī)產(chǎn)生影響。要量化進(jìn)入長輸管道的固體顆粒物指標(biāo)，需要考慮長輸管道中多種增壓機(jī)的使用要求。根據(jù)GE公司氣體渦輪的氣質(zhì)要求，需要將顆粒物的質(zhì)量濃度控制到≤0.001g/m3。

       2.8水含量/水露點(diǎn)

       長輸管道中規(guī)定水含量的目的是防止液相水的產(chǎn)生。只要有游離水的存在，就會降低輸氣管道的輸送能力并使H2S、CO2對輸氣管道和其他設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。從技術(shù)上講，在整個輸氣過程的壓力、溫度下都不應(yīng)含有液態(tài)水和烴類，從輸氣管道設(shè)計的要求來看，同樣如此。

       國外一般規(guī)定了一定壓力下的水露點(diǎn)或絕對水含量，由于在一定輸氣壓力下的水露點(diǎn)與一定條件下的絕對水含量是相互對應(yīng)的，所以事實(shí)上只要規(guī)定了水露點(diǎn)和壓力，也就是規(guī)定了一定條件下的絕對水含量。由于我國地域遼闊，南方北方氣候條件相差較大，且冬、夏兩季溫差也大，造成天然氣的管輸環(huán)境條件相差極大，故如規(guī)定水分絕對含量，不易統(tǒng)一。

       GB50251－2003枟輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范枠規(guī)定的水露點(diǎn)指標(biāo)為：水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5℃。GB17820－2012采用了GB50251－2003的規(guī)定，并規(guī)定此露點(diǎn)壓力為交接點(diǎn)壓力。而進(jìn)入長輸管道的水露點(diǎn)指標(biāo)也可以參考GB17820－2012標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

       3、結(jié)論與建議

       （1）由于進(jìn)入長輸管道的天然氣氣質(zhì)日益復(fù)雜，因此制定標(biāo)準(zhǔn)，控制氣質(zhì)質(zhì)量尤其重要。進(jìn)入長輸管道的天然氣首先應(yīng)保證氣質(zhì)符合GB17820－2012的要求；特殊氣質(zhì)和條件，需進(jìn)行分析后確認(rèn)其質(zhì)量控制指標(biāo)，才能保證天然氣貿(mào)易交接中計量的公平和管輸?shù)陌踩��?/span>

       （2）在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，CO和H2等指標(biāo)因?yàn)槎鄽庠吹沫h(huán)境，與傳統(tǒng)管輸環(huán)境存在較大差異，應(yīng)特別研究安全管輸和準(zhǔn)確計量方面對這兩個組成指標(biāo)的要求。尤其是H2含量在新環(huán)境下變化最大，在天然氣管輸設(shè)計中研究較少，也極少看到針對天然氣管道發(fā)生H2腐蝕的報道。故應(yīng)在此方面開展基礎(chǔ)研究，用于指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

       （3）多氣源環(huán)境導(dǎo)致的氣體組分含量變化可能對在線分析系統(tǒng)的性能提出新的挑戰(zhàn)。雖然，短期內(nèi)可使用離線分析手段進(jìn)行補(bǔ)充和完善，但對在線分析系統(tǒng)性能的完善也應(yīng)提上日程，盡快開展研究，以直接解決在線分析系統(tǒng)中存在的問題。（其他作者為潘春鋒，李彥，羅勤，唐蒙）