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摘要：针对云南各城市面临天然气置换人工煤气的实际情况，分析比较传统的分区域置换与二次分步置换新技术的优劣，结合国内外燃气置换技术现状，建议昆明市采用二次分步置换技术进行城市燃气的置换工程，并通过理论计算初步论证了其可行性。
关键字：天然气 人工煤气 燃气置换 燃气互换性
DOI： 10.3969/j.issn.1006-5539. 2013.xx.xxx
前言
随着大型石油天然气工程“缅气入滇”建设的推进，云南各城市燃气由人工煤气向天然气的转换是各城市燃气公司面临的重要工作。
按照燃气分类[1]，[2]，人工煤气与天然气分别属于第一族和第二族，其热值、火焰传播速度、供气压力、组成等均存在较大差异，二者不具有互换性。因此，在进行城市燃气气源转换时，传统的燃气置换方式通常须同时完成输配管网、燃烧设备、计量仪器的改造。
1 国内外燃气置换技术发展现状
20世纪50年代，一些发达国家致力于开发天然气资源，并逐步实施人工煤气或液化石油气向天然气的转换工程。上世纪80年代末90年代初，国内的北京、天津、沈阳等城市开始进行小规模的天然气置换，并不断加以推广。
1.1 传统置换方法
国内外关于人工煤气置换的常规方法是分区域置换[3]，将城市燃气管网划分成若干个区间，通过添加阀门、管线等使各区间隔离，并在适当位置上通过放散方式将管道内的人工燃气置换成天然气，同时完成燃气具的更换或改造，最后将各区域依次并入天然应管网。
区域置换技术目前较为成熟，但需对燃具及现有管网进行改造，恢复用户供气的周期较长；另外，需放散大量燃气，污染环境，存在一定的安全隐患。
1.2 二次分步置换技术
针对常规置换方式的诸多不足，为实现天然气与人工煤气的快速、经济、安全置换，学者们提出了城市燃气二次分步置换法。主要是通过采用可同时满足天然气燃具和人工煤气燃具稳定燃烧的中间气体取代人工燃气作为管网的过渡气源来完成置换。期间，可在不对现有管网进行任何改造、不进行片区分割的前提下，以最快速度对整个管网的燃具进行更换或改造，待所有燃气器具全部改为天然气燃具后，再将过渡气源切换成天然气，使燃具的工作点回复到最佳状态，从而实现天然气与人工燃气的平稳过渡。
2 燃气二次分步置换技术研究现状
2.1 燃气互换性的研究现状
燃气组分的变化直接影响到燃具的工作稳定性，为避免燃气在应用中出现离焰、回火、黄焰、结碳等不稳定问题，针对当时的燃具和测试方法、判定标准逐步确立起了相应的燃气互换性判定方法 [4]，使用较为广泛的有美国的AGA法、Waver指数法和英国的Dutton法等。由于燃气在民用燃具上的燃烧涉及流体力学、化学反应动力学等，且影响其稳定性的因素较多，现阶段的互换性研究还缺乏较为完整、清晰的理论基础，在实际工程应用中通常是做近似处理[4]。
2.2 二次分步置换技术的应用现状
锦州市自1999年开始采用低压混空工艺[5]，历时六年完成了城市燃气的置换工程，是国内最早将二次分步置换技术应用于城市燃气置换工程的。低压混空工艺即利用空气稀释天然气，使混合气体的热值与人工煤气相接近，保持燃器具热负荷基本不变，从而保证燃器具的正常使用，实现快速置换人工煤气。广州在2006年采用二次分步置换技术[3]，采用天然气与油制气的过渡气源实现了城市燃气的平稳过渡。并将AGA互换性判定标准应用于过渡气与油制气、天然气的互换性确定，顺利实现城市燃气快速经济的置换。
2.3二次分步置换技术的过渡气源
过渡气源通常是由人工煤气、矿井气或液化石油气等与天然气以不同比例混合而成，其配比原理如图所示[1]。
过渡气源配比的原理图
图中的Bi 表示混合气体中天然气的比例。B=0～B2时，人工燃气燃具可稳定燃烧，B=B1～100%时，天然气燃具可稳定燃烧，B=0为人工燃气燃具基准气， B1～B2为过渡气源中的天然气比例范围，此区间的混合气体作为过渡气源可同时满足人工燃气燃具和天然气燃具的稳定燃烧。实际应用中，可将试验得出的B1～B2适当缩小，作为气源厂的生产控制指标，以确保过渡气源稳妥可靠[6]。
试验证明，两种气源很难配制华白数与燃烧势同时为指定值的过渡气源，三种及以上的气源则可大大拓宽过渡气源的适用范围[6]。
2.4二次分步置换技术的燃气参数
目前，互换性研究及气质指标管理[1]主要是应用华白数和燃烧势。
通常情况下，天然气华白数 大于人工煤气的华白数 ；而天然气的燃烧热 小于人工燃气的燃烧热 。二者与过渡气源的燃烧特性指数满足关系式（1）[2]。
≤ ≤ ； ≤ ≤ （1）
华白数是表示燃气热负荷 （1）
其中， ——燃气的高热值；
——燃气工作压力；
——燃气相对密度。
燃烧势是燃气组分的函数，计算公式如式（2）所示。
（2）
（3）
其中， ——燃气中各组分的体积百分数，%；
——燃气中氧含量的修正系数。
为保证燃气置换前后燃具热负荷稳定及火焰的稳定，应保持燃气系数 不变（ 为压力）[3]。
即： = （4）
昆明预计于2013年底接收缅甸天然气。两种燃气的组分及燃烧特性参数如表1所示。由表1可知，天然气与人工煤气的华白数和燃烧势差异较大，按二次分步置换技术的思路，须配制一种燃烧特性介于二者的中间气体作为过渡气源，计算结果如表2所示。
在选取过渡气源时，以表1中的人工煤气为基准气，以计算出的华白数和燃烧势为基数，根据燃气互换性配制公式[6]，通过计算机优选程序筛选出过渡气体，大大减少了试验工作量。 表1 燃气组分及燃烧特性参数
类别
项目 人工煤气 缅甸天然气
组分 H2 58%
CH4 25% 98.96%
CmHn 3%
C2 0.19%
C3 0.05%
C4 0.02%
C5 0.17%
CO 6.6%
CO2 2.3% 0.50%
N2 4.5% 0.12%
O2 0.6%
密度（kg/m3） 0.50 0.68
高热值 （MJ/m3）
19.00 37.84
工作压力 （Pa）
1000 2000
华白指数 （MJ/m3）
26.87 45.89
燃烧势Cp 100.99 36.05
表2 过渡气体组分及燃烧特性参数
项目 H2
% CH4% C2H4% C2H6% C3H6% C3H8% C4H8% C4H10% O2
% N2
% CO
% CO2
% 高热值MJ/m3 华白指数MJ/m3 燃烧势 相对密度kg/m3
过渡气体 13.94 66.10 0.65 4.65 0.56 2.62 0.15 1.72 0.03 1.31 5.74 2.53 30. 60 39.84 57.52 0.59
将表1、表2中的数据代入式（4），计算可知，过渡气体与人工煤气进行置换时，过渡气体的燃烧压力应在2198Pa左右，而人工煤气灶具前的燃气压力范围为750～1500Pa，可能产生黄焰现象，可通过缩小灶具喷嘴进行调整[7]；过渡气体与天然气进行置换时，过渡气体的燃烧压力应在1507Pa左右，天然气灶具前的燃气压力范围为1500～3000Pa。其中，燃气喷嘴直径大小依据式（5）进行调整，使燃气压力尽量处于更加合理的范围。
由此，利用表2中的过渡气体基本可实现燃气置换的平稳过渡[7]。
（5）
2.5验证
理论计算得出的过渡气源参数，在实际验证过程中往往会存在不能同时满足人工煤气燃具和天然气燃具的稳定燃烧问题，筛选出来的过渡气体适应性不强。为此，引用美国燃气协会（A.G.A）提出的互换性判断准则，验证表2中的过渡气体的燃气稳定性。按照该判定法，过渡气的脱火互换指数 、回火互换指数 和黄焰互换指数 必须同时符合表3中所规定的范围时，过渡气才与基准气具有互换性，计算结果如表4所示。
表3 置换气体互换极限表
互换指数 燃气
适合 勉强适合 不适合
A.G.A
综合指数 [4]
<1.0 1.0～1.12 >1.12
[4]
<1.18 1.18～1.20 >1.20
[4]
>1.0 1.0～0.7 <0.7
表4 过渡气与人工煤气燃具基准气及天然气燃具基准气互换指标计算结果
项目 与人工煤气燃具基准气的互换结果 与天然气燃具基准气互换结果
A.G.A
综合指数 [4]
0.82 1.01
[4]
0.76 1.15
[4]
0.91 3.89
互换性结论 勉强合适（有黄焰趋势） 勉强合适（有离焰趋势）
由表4可知，过渡气与人工煤气、天然气均存在一定的互换性，但由于三者之间的燃烧压力和热值均存在较大差异，在置换过渡期间应注意避免人工煤气燃具产生黄焰，天然气燃具可能会有离焰现象。置换人员可通过调节风门、喷嘴大小进行调整。
3 结论及建议
3.1二次分步置换技术可有效减少燃气放散量、输配管网改造的工程量，若顺利实现城市燃气的二次分步置换，可取得很好的经济效益、社会效益和环保效益。
3.2采用国内现有的二次分步置换技术，结合AGA互换性判断准则，可较为准确地确定出过渡气源的参数，最大限度地在供应过渡气期间提高管网内的燃具更换或改装效率。
3.3理论上说，采用二次分步置换技术可实现人工煤气与天然气的平稳过渡，但由于置换前后两种燃气的华白数和燃烧势差别太大，可能出现小部分燃具的适配性不够，建议气源厂供应过渡气源期间，入网燃具按照“天然气为基准气，过渡气为置换气”进行设计。
参考文献
[1] 罗东晓，李明.天然气与人工煤气的快速经济置换[J].天然气工业， 2005，25（11）：111～114.
[2] 严铭卿，宓亢琪，田贯三等.燃气工程设计手册[M].中国建筑工业出版社，2008：3～4，863～864.
[3] 罗东晓.城市燃气的分步置换[J].上海煤气， 2004，6（4）：15-17，22.
[4] 顾军.燃气互换性判定方法综述[J].城市公用事业， 2012，6（3）：49～55.
[5] 王勇，王鸿，刘永华等.快速接收天然气置换人工煤气的尝试与实践[C].煤气与热力，2005煤气与热力技术研讨会论文集：73～80
[6] 宓亢琪.配制城市燃气置换气的研究[J].天然气工业， 2003，9（3）：33～36，46.
[7] 余毛健.上海地区天然气置换人工煤气燃具问题的探讨[J].1994-2012中国学术杂志电子出版社：17～23.
作者简介：
段行琼（1983年生），女（汉族），四川遂宁人，助理工程师，硕士，燃气工程安全运行管理。
关键字：天然气 人工煤气 燃气置换 燃气互换性
DOI： 10.3969/j.issn.1006-5539. 2013.xx.xxx
前言
随着大型石油天然气工程“缅气入滇”建设的推进，云南各城市燃气由人工煤气向天然气的转换是各城市燃气公司面临的重要工作。
按照燃气分类[1]，[2]，人工煤气与天然气分别属于第一族和第二族，其热值、火焰传播速度、供气压力、组成等均存在较大差异，二者不具有互换性。因此，在进行城市燃气气源转换时，传统的燃气置换方式通常须同时完成输配管网、燃烧设备、计量仪器的改造。
1 国内外燃气置换技术发展现状
20世纪50年代，一些发达国家致力于开发天然气资源，并逐步实施人工煤气或液化石油气向天然气的转换工程。上世纪80年代末90年代初，国内的北京、天津、沈阳等城市开始进行小规模的天然气置换，并不断加以推广。
1.1 传统置换方法
国内外关于人工煤气置换的常规方法是分区域置换[3]，将城市燃气管网划分成若干个区间，通过添加阀门、管线等使各区间隔离，并在适当位置上通过放散方式将管道内的人工燃气置换成天然气，同时完成燃气具的更换或改造，最后将各区域依次并入天然应管网。
区域置换技术目前较为成熟，但需对燃具及现有管网进行改造，恢复用户供气的周期较长；另外，需放散大量燃气，污染环境，存在一定的安全隐患。
1.2 二次分步置换技术
针对常规置换方式的诸多不足，为实现天然气与人工煤气的快速、经济、安全置换，学者们提出了城市燃气二次分步置换法。主要是通过采用可同时满足天然气燃具和人工煤气燃具稳定燃烧的中间气体取代人工燃气作为管网的过渡气源来完成置换。期间，可在不对现有管网进行任何改造、不进行片区分割的前提下，以最快速度对整个管网的燃具进行更换或改造，待所有燃气器具全部改为天然气燃具后，再将过渡气源切换成天然气，使燃具的工作点回复到最佳状态，从而实现天然气与人工燃气的平稳过渡。
2 燃气二次分步置换技术研究现状
2.1 燃气互换性的研究现状
燃气组分的变化直接影响到燃具的工作稳定性，为避免燃气在应用中出现离焰、回火、黄焰、结碳等不稳定问题，针对当时的燃具和测试方法、判定标准逐步确立起了相应的燃气互换性判定方法 [4]，使用较为广泛的有美国的AGA法、Waver指数法和英国的Dutton法等。由于燃气在民用燃具上的燃烧涉及流体力学、化学反应动力学等，且影响其稳定性的因素较多，现阶段的互换性研究还缺乏较为完整、清晰的理论基础，在实际工程应用中通常是做近似处理[4]。
2.2 二次分步置换技术的应用现状
锦州市自1999年开始采用低压混空工艺[5]，历时六年完成了城市燃气的置换工程，是国内最早将二次分步置换技术应用于城市燃气置换工程的。低压混空工艺即利用空气稀释天然气，使混合气体的热值与人工煤气相接近，保持燃器具热负荷基本不变，从而保证燃器具的正常使用，实现快速置换人工煤气。广州在2006年采用二次分步置换技术[3]，采用天然气与油制气的过渡气源实现了城市燃气的平稳过渡。并将AGA互换性判定标准应用于过渡气与油制气、天然气的互换性确定，顺利实现城市燃气快速经济的置换。
2.3二次分步置换技术的过渡气源
过渡气源通常是由人工煤气、矿井气或液化石油气等与天然气以不同比例混合而成，其配比原理如图所示[1]。
过渡气源配比的原理图
图中的Bi 表示混合气体中天然气的比例。B=0～B2时，人工燃气燃具可稳定燃烧，B=B1～100%时，天然气燃具可稳定燃烧，B=0为人工燃气燃具基准气， B1～B2为过渡气源中的天然气比例范围，此区间的混合气体作为过渡气源可同时满足人工燃气燃具和天然气燃具的稳定燃烧。实际应用中，可将试验得出的B1～B2适当缩小，作为气源厂的生产控制指标，以确保过渡气源稳妥可靠[6]。
试验证明，两种气源很难配制华白数与燃烧势同时为指定值的过渡气源，三种及以上的气源则可大大拓宽过渡气源的适用范围[6]。
2.4二次分步置换技术的燃气参数
目前，互换性研究及气质指标管理[1]主要是应用华白数和燃烧势。
通常情况下，天然气华白数 大于人工煤气的华白数 ；而天然气的燃烧热 小于人工燃气的燃烧热 。二者与过渡气源的燃烧特性指数满足关系式（1）[2]。
≤ ≤ ； ≤ ≤ （1）
华白数是表示燃气热负荷 （1）
其中， ——燃气的高热值；
——燃气工作压力；
——燃气相对密度。
燃烧势是燃气组分的函数，计算公式如式（2）所示。
（2）
（3）
其中， ——燃气中各组分的体积百分数，%；
——燃气中氧含量的修正系数。
为保证燃气置换前后燃具热负荷稳定及火焰的稳定，应保持燃气系数 不变（ 为压力）[3]。
即： = （4）
昆明预计于2013年底接收缅甸天然气。两种燃气的组分及燃烧特性参数如表1所示。由表1可知，天然气与人工煤气的华白数和燃烧势差异较大，按二次分步置换技术的思路，须配制一种燃烧特性介于二者的中间气体作为过渡气源，计算结果如表2所示。
在选取过渡气源时，以表1中的人工煤气为基准气，以计算出的华白数和燃烧势为基数，根据燃气互换性配制公式[6]，通过计算机优选程序筛选出过渡气体，大大减少了试验工作量。 表1 燃气组分及燃烧特性参数
类别
项目 人工煤气 缅甸天然气
组分 H2 58%
CH4 25% 98.96%
CmHn 3%
C2 0.19%
C3 0.05%
C4 0.02%
C5 0.17%
CO 6.6%
CO2 2.3% 0.50%
N2 4.5% 0.12%
O2 0.6%
密度（kg/m3） 0.50 0.68
高热值 （MJ/m3）
19.00 37.84
工作压力 （Pa）
1000 2000
华白指数 （MJ/m3）
26.87 45.89
燃烧势Cp 100.99 36.05
表2 过渡气体组分及燃烧特性参数
项目 H2
% CH4% C2H4% C2H6% C3H6% C3H8% C4H8% C4H10% O2
% N2
% CO
% CO2
% 高热值MJ/m3 华白指数MJ/m3 燃烧势 相对密度kg/m3
过渡气体 13.94 66.10 0.65 4.65 0.56 2.62 0.15 1.72 0.03 1.31 5.74 2.53 30. 60 39.84 57.52 0.59
将表1、表2中的数据代入式（4），计算可知，过渡气体与人工煤气进行置换时，过渡气体的燃烧压力应在2198Pa左右，而人工煤气灶具前的燃气压力范围为750～1500Pa，可能产生黄焰现象，可通过缩小灶具喷嘴进行调整[7]；过渡气体与天然气进行置换时，过渡气体的燃烧压力应在1507Pa左右，天然气灶具前的燃气压力范围为1500～3000Pa。其中，燃气喷嘴直径大小依据式（5）进行调整，使燃气压力尽量处于更加合理的范围。
由此，利用表2中的过渡气体基本可实现燃气置换的平稳过渡[7]。
（5）
2.5验证
理论计算得出的过渡气源参数，在实际验证过程中往往会存在不能同时满足人工煤气燃具和天然气燃具的稳定燃烧问题，筛选出来的过渡气体适应性不强。为此，引用美国燃气协会（A.G.A）提出的互换性判断准则，验证表2中的过渡气体的燃气稳定性。按照该判定法，过渡气的脱火互换指数 、回火互换指数 和黄焰互换指数 必须同时符合表3中所规定的范围时，过渡气才与基准气具有互换性，计算结果如表4所示。
表3 置换气体互换极限表
互换指数 燃气
适合 勉强适合 不适合
A.G.A
综合指数 [4]
<1.0 1.0～1.12 >1.12
[4]
<1.18 1.18～1.20 >1.20
[4]
>1.0 1.0～0.7 <0.7
表4 过渡气与人工煤气燃具基准气及天然气燃具基准气互换指标计算结果
项目 与人工煤气燃具基准气的互换结果 与天然气燃具基准气互换结果
A.G.A
综合指数 [4]
0.82 1.01
[4]
0.76 1.15
[4]
0.91 3.89
互换性结论 勉强合适（有黄焰趋势） 勉强合适（有离焰趋势）
由表4可知，过渡气与人工煤气、天然气均存在一定的互换性，但由于三者之间的燃烧压力和热值均存在较大差异，在置换过渡期间应注意避免人工煤气燃具产生黄焰，天然气燃具可能会有离焰现象。置换人员可通过调节风门、喷嘴大小进行调整。
3 结论及建议
3.1二次分步置换技术可有效减少燃气放散量、输配管网改造的工程量，若顺利实现城市燃气的二次分步置换，可取得很好的经济效益、社会效益和环保效益。
3.2采用国内现有的二次分步置换技术，结合AGA互换性判断准则，可较为准确地确定出过渡气源的参数，最大限度地在供应过渡气期间提高管网内的燃具更换或改装效率。
3.3理论上说，采用二次分步置换技术可实现人工煤气与天然气的平稳过渡，但由于置换前后两种燃气的华白数和燃烧势差别太大，可能出现小部分燃具的适配性不够，建议气源厂供应过渡气源期间，入网燃具按照“天然气为基准气，过渡气为置换气”进行设计。
参考文献
[1] 罗东晓，李明.天然气与人工煤气的快速经济置换[J].天然气工业， 2005，25（11）：111～114.
[2] 严铭卿，宓亢琪，田贯三等.燃气工程设计手册[M].中国建筑工业出版社，2008：3～4，863～864.
[3] 罗东晓.城市燃气的分步置换[J].上海煤气， 2004，6（4）：15-17，22.
[4] 顾军.燃气互换性判定方法综述[J].城市公用事业， 2012，6（3）：49～55.
[5] 王勇，王鸿，刘永华等.快速接收天然气置换人工煤气的尝试与实践[C].煤气与热力，2005煤气与热力技术研讨会论文集：73～80
[6] 宓亢琪.配制城市燃气置换气的研究[J].天然气工业， 2003，9（3）：33～36，46.
[7] 余毛健.上海地区天然气置换人工煤气燃具问题的探讨[J].1994-2012中国学术杂志电子出版社：17～23.
作者简介：
段行琼（1983年生），女（汉族），四川遂宁人，助理工程师，硕士，燃气工程安全运行管理。