一、天然氣熱值調(diào)控的必要性

目前，國(guó)際天然氣貿(mào)易多采用熱值計(jì)價(jià)方式，以美元/百萬英熱（$/MMBtu）為計(jì)量單位；而我國(guó)天然氣終端用戶結(jié)算則多采用體積計(jì)價(jià)方式，以元/立方米（RMB/m3）為單位。在這種情況下，當(dāng)進(jìn)口的液化天然氣（LNG）或管道天然氣的熱值高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)熱值時(shí)，若仍以體積計(jì)量且不采取合適的熱值調(diào)控措施，就會(huì)導(dǎo)致燃?xì)夤具M(jìn)口天然氣的成本價(jià)格高，而銷售天然氣的價(jià)格相對(duì)較低，從而增加企業(yè)成本，不利于公司的長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)和發(fā)展。

如果組分和熱值差異較大的天然氣同時(shí)進(jìn)入管網(wǎng)，可能會(huì)引發(fā)一系列問題。首先，不同方位的用戶燃具由于所用氣源不同，實(shí)際熱負(fù)荷會(huì)存在差異；其次，管網(wǎng)內(nèi)氣源的“分界面"動(dòng)態(tài)變化，會(huì)使部分用戶使用的氣源種類頻繁切換，導(dǎo)致燃具燃燒不穩(wěn)定。此外，盡管用戶同網(wǎng)同價(jià)，但由于天然氣熱值不同，結(jié)算會(huì)變得不準(zhǔn)確，部分消費(fèi)者的利益可能受到損害。對(duì)于陶瓷、玻璃及顯像管生產(chǎn)等行業(yè)等對(duì)溫度穩(wěn)定性要求高的特殊用戶來說，熱值變化的氣源還會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，要求進(jìn)入管網(wǎng)的天然氣具有相同的熱值和燃燒特性，采用合理工藝對(duì)熱值進(jìn)行調(diào)控是十分必要且重要的。

2024年7月，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施分會(huì)立項(xiàng)，北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司牽頭編制的《城鎮(zhèn)燃?xì)鉄嶂倒芾砜刂乒こ碳夹g(shù)規(guī)程》（T/CAS 893-2024）獲批發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)提出通過按照一定配比混合高、低熱值或無熱值氣體進(jìn)行摻混調(diào)控，以使城鎮(zhèn)燃?xì)鉄嶂捣€(wěn)定在符合規(guī)范及用戶需求范圍內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摻混后的天然氣熱值至關(guān)重要，以便為前端摻混調(diào)控提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈸交斓木珳?zhǔn)控制。

二、天然氣熱值調(diào)控方法

天然氣熱值調(diào)控是通過按一定比例混合高、低熱值或無熱值氣體，將天然氣熱值調(diào)整至目標(biāo)值。具體而言，若要升高天然氣熱值，可向其中摻入液化石油氣（LPG）、輕烴氣體等高熱值氣體；若要降低天然氣熱值，則可摻入氮?dú)?、空氣或其他低熱值氣體（如混煤制氣、沼氣等）；此外還可采用輕烴分離法，分離出天然氣中的乙烷、丙烷等高熱值組分，從而降低熱值，但該方法在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。目前，高壓氮?dú)庾⑷敕ㄔ谔烊粴庑袠I(yè)內(nèi)較為常見，其工藝流程大致為：空分氮?dú)饨?jīng)壓縮后進(jìn)入靜態(tài)混合器，與LNG氣化天然氣或管道天然氣混合，經(jīng)熱值調(diào)控后的混合天然氣最終輸送給用戶。

降低熱值工藝流程圖

該工藝在靜態(tài)混合器出口處安裝熱值分析儀，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)混合氣的組成成分及熱值?？刂破鲿?huì)自動(dòng)采集混合天然氣的熱值數(shù)據(jù)，并判斷其是否符合調(diào)控要求。若不符合，控制器便會(huì)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開度，進(jìn)而調(diào)整進(jìn)入靜態(tài)混合器的氮?dú)饬髁?，以此來調(diào)整混合天然氣的熱值，確保熱值達(dá)到穩(wěn)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，再將其輸送給終端用戶。

三、熱值測(cè)量挑戰(zhàn)

天然氣熱值調(diào)控工藝中，熱值測(cè)量是核心環(huán)節(jié)，直接決定調(diào)控的準(zhǔn)確性和后續(xù)工藝的穩(wěn)定性。然而，實(shí)際應(yīng)用中面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)，涉及氣源成分復(fù)雜性、熱值動(dòng)態(tài)波動(dòng)、熱值調(diào)控速度、現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜等多方面。以下是熱值測(cè)量的主要挑戰(zhàn)及分析：

氣源成分復(fù)雜多變：天然氣來源多樣，包括常規(guī)氣田、頁巖氣、煤層氣、LNG等，成分差異大，主要包含甲烷、乙烷、丙烷、惰性氣體等，這使得熱值發(fā)生變化；此外，部分氣源還含有雜質(zhì)，如二氧化碳、氮?dú)狻⒘蚧瘹涞?，可能干擾熱值測(cè)量。

熱值動(dòng)態(tài)波動(dòng)頻繁：由于不同氣源在調(diào)控過程中相互混合，熱值會(huì)隨時(shí)間快速變化，同時(shí)用戶端負(fù)荷波動(dòng)也會(huì)引發(fā)熱值需求的動(dòng)態(tài)調(diào)整。而傳統(tǒng)間歇式測(cè)量方式（如每日抽樣）無法捕捉實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致調(diào)整滯后，因此需要采用在線式監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱值數(shù)據(jù)。

熱值調(diào)控速度：由于不同氣源在調(diào)控過程中相互混合，熱值會(huì)隨時(shí)間快速變化，因此熱值儀的響應(yīng)速度將直接影響到熱值的控制，響應(yīng)速度越快，越及時(shí)對(duì)熱值控制就越容易，調(diào)質(zhì)出的天然氣的熱值精確度就越高。

現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜：環(huán)境條件變化頻繁，包括溫度、壓力、濕度的波動(dòng)，設(shè)備容易受到外界干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移或誤報(bào)。為此，熱值監(jiān)測(cè)設(shè)備需具備強(qiáng)大的抗干擾能力，能夠在惡劣條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并定期進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

四、燃?xì)鉄嶂嫡{(diào)控綜合解決方案

四方光電（武漢）儀器有限公司依托其先進(jìn)的核心氣體傳感器技術(shù)和豐富的熱值在線監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，推出了一套專業(yè)的燃?xì)鉄嶂嫡{(diào)控解決方案。該方案運(yùn)用熱值儀及超聲波流量計(jì)，并結(jié)合激光拉曼光譜（LRD）、非分光紅外（NDIR）、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）、超聲波等多種技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)摻混燃?xì)獬煞?、熱值及流量的同步監(jiān)測(cè)。助力燃?xì)夤揪_控制工藝流程，提升生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)過程的安全性，并為前端摻混調(diào)控提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈸交斓木珳?zhǔn)控制。

燃?xì)鉄嶂嫡{(diào)控綜合解決方案

四方儀器的熱值儀產(chǎn)品系列豐富多樣，能夠滿足不同客戶的多樣化應(yīng)用需求。其中，高配版本的熱值儀采用了先進(jìn)的激光拉曼光譜技術(shù)，可同時(shí)在線測(cè)量多組分氣體，預(yù)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，無需載氣、色譜柱等輔材，且具備秒級(jí)的快速響應(yīng)能力，可以替代在線色譜儀。而中低配版本的熱值儀則運(yùn)用了TDLAS和NDIR技術(shù)，對(duì)于CH4、CnHm等氣體的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確無誤，響應(yīng)速度快，足以滿足絕大部分現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際需求。

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產(chǎn)品亮點(diǎn)

五、應(yīng)用案例

5.1 海南某燃?xì)夤咎烊粴庹{(diào)控?zé)嶂当O(jiān)測(cè)項(xiàng)目

本項(xiàng)目合作方為海南一家擁有多座天然氣站的燃?xì)夤?，其上游供?yīng)的天然氣包括沼氣、液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG）等；由于曾因燃?xì)鉄嶂挡▌?dòng)大導(dǎo)致大型用戶投訴，該公司決定在燃?xì)庹緦?shí)施摻混調(diào)控并精確監(jiān)測(cè)混合后管道中的天然氣組分濃度和熱值，在對(duì)比評(píng)估進(jìn)口燃燒式熱值儀的高昂成本后，最終選擇了四方儀器的Gasboard-3500紅外氣體分析儀（防爆型），該設(shè)備不僅滿足熱值測(cè)量和響應(yīng)速度的高標(biāo)準(zhǔn)要求，還顯著降低了采購(gòu)和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了成本控制與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

現(xiàn)場(chǎng)圖片