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国标《车用压缩天然气》相关问题及修订建议
国标《车用压缩天然气》相关问题及修订建议
李永昌
(自贡市清洁能源产业协会, 四川 自贡 643000)
摘 要            本文对国标《车用压缩天然气》存在的热值要求过低、含水量要求过高的问题提出修改建议,并对该标准不采用Ⅱ类民用天然气的硫化氢限值而另设限值的做法提出商榷意见。同时还建议该标准增设润滑油限值及其检测方法的内容。此外,还对检测指标和方法的实用性提出修改建议。
关键字车用压缩天然气 热值 含水量 硫化氢 含油量
引言
我国压缩天然气(CNG)汽车从1989年开始推广到2000年之前,由于缺乏相应的气质标准而发生过多起车用和加气站用气瓶爆炸事故。GB18047-2000《车用压缩天然气》自发布和实施以来,对保障CNG气质,CNG汽车及其加气站的安全和正常运行起到了十分重要的作用。但经过近十年的实践,也显露出一些值得重视、需要修改完善的地方。
车用压缩天然气热值标准不应定得太低
1.1   车用压缩天然气的热值标准不能等同于民用天然气
GB18047中规定的压缩天然气“高位发热量>31.4MJ/m3 要求明显太低。这项规定跟GB17820?1999《天然气》的规定丝毫不差。换言之,GB18047在这个重要技术指标的确定上并没有考虑“车用”的特殊要求,而等同于一般民用天然气的要求。因为GB17820标准“适用于气田、油田采出经预处理后通过管道输送的商品天然气”。
进一步的寻根可以查明,我国天然气标准委员会成立于1985年,而于1988.7.4颁布的SY7514-88《天然气》这个我国石油工业部的部颁标准则是我国关于天然气质量的首个技术标准,它是“适用于气田、油田采出经矿场分离和(或)处理后用管线输送至用户,并按产品类别分别作民用燃料、工业原料和工业燃料的天然气”。其中A类天然气的高位发热量也规定为>31.4MJ/m3[1]。由此可见,20多年来一直不加区别的沿用这一热值标准正是问题的症结所在。
1.2   跟国外民用天然气(高热值)相比,我国车用天然气热值标准也低不少。
1)法国1997.9.16以政府令的方式规定,H型天然气的热值为38.52?40.08MJ/m3,B型天然气的热值为34.2?37.8 MJ/m3
2)美国联邦能源监管委员会规定的天然气热值为37.26 MJ/m3
3)日本推荐为46.05 MJ/m3(通过渗入液化石油天然气来提高此值)。
4)韩国为垄断供应机构,规定为43.96 MJ/m3          
5)德国二套管网分别规定为36.18?36.03 MJ/m3和40.06?39.97 MJ/m3
6)英国规定为39.8 MJ/m3.
7)利比亚规定为51.727MJ/m3
8)挪威规定为37.62 MJ/m3
1.3   热值过低,将使汽车动力性达不到相关的国家标准
天然气用作汽车燃料有诸多优点,但也有一些不足之处。其中最突出的就是动力性较燃用汽油低。为了确保二者之间的差距不致过大,国标GB/T18437.1-2001《燃气汽车改装技术要求 压缩天然气汽车》中7.3款明确规定“改装后,整车动力性能在燃气时的功率输出值不得小于改装前功率输出值的92%,扭矩值不得小于95%”。后因难度太大,GB18437.1-2009中又调整为“改装后,整车动力性能在燃气时的功率输出值不得小于改装前功率输出值的90%”,并省略了对扭矩值的考核。
众所周知,汽车发动机的功率大小是与其燃料?空气可燃混合气的热值高低成正比的[2]。换言之,在不改变发动机的压缩比、也不考虑气体燃料充气效率低的前提下,天然气?空气的混合气热值不得低于汽油?空气混合气热值的90%。查汽油?空气的理论低热值为3600KJ/m3,故天然气?空气的低热值应不低于3240 MJ/m3。而天然气和空气的理论空燃比为9.52:1。因此要求天然气的热值不低于3240KJ×10.52=34084.8KJ,可略为低热值不低于34MJ。由此可见,GB18047中规定热值实在是太低了(折合低热值仅为27.6 MJ/m3)。
1.4   车用天然气的热值标准应选用低热值
这是因为燃料的高热值里面包括了燃料中氢燃烧后生成的水蒸气凝结放出的潜热(每千克氢放出2508KJ潜热)。而实际上发动机在工作时,燃气在高温下排出,不可能利用此项潜热,从而必须予以扣除,扣除后即为低热值。因此在发动机的热效率计算中,均采用低热值Hu,而不采用高热值Hh。
Hu=Hh-9422.6KJ?h/kg
式中h为燃料中氢的重量。
由此可见,GB18047中选用高热发热量作车用天然气的技术指标是不妥的。
1.5   建议参考前苏联标准,对GB18047进行修改
前苏联是世界上最早使用天然气汽车燃料的国家之一。经过半个多世纪的使用实践后形成的国家标准ГOCT27577?87《气瓶汽车用压缩天然气》颇具参考价值。其中关于热值的规定:低热值为32.6?36.0 MJ/m3。此外前苏联另一项国家标准ГOCT5542-87《进入压缩天然气加气站的天然气》中,则规定其低热值不低于31.77 MJ/m3。略低于上述压缩天然气的低热值。这是因为天然气的进站、经过包括深度脱水的净化处理后,其热值必然会有所提高。但是反观我国的GB1780-1999《天然气》和GB18047中CNG跟进站天然气的热值是完全相同的,显然不够科学。
综上所述,为确保天然气汽车的动力性比起汽油车来不至于下降过多,建议GB18047规定车用CNG的低热值>34 MJ/m3;进入加气站的天然气的低热值>33.5 MJ/m3
1.6             我国绝大多数气田的天然气的低热值都大于34 MJ/m3 
我国主要天然气气田(地区)的部分指标如下[3]

序号
气田名称
甲烷含量(体积比)%
高热值MJ/m3
低热值MJ/m3
相对密度
1
长庆
94.7
38.2
34.47
0.5778
2
克拉2号
96.27
40.27
36.36
0.5775
3
广西北海
80.38
43.16
39.21
0.849
4
成都
96.15
38.47
34.7
0.5694
5
普光
97.00
40.18
36.27
0.5714
6
东海
84.48
40.28
36.4
0.6098
7
青岛
96.56
39.88
36.68
0.5558
8
昌邑
98.06
39.47
35.61
0.5553
9
四川
90以上
 
34.8?36.8
 
10
渤海
83.5
37.03
33.42
0.6523
11
涩北
 
 
35.11
 

需要说明的是如前所述,经过处理后的CNG低热值还将提高一些。
车用天然气含水量要求不宜过高
2.1   引用标准GB/T17283的适用范围质疑
GB18047-2000《车用压缩天然气》中的试验方法规定“天然气水露点的测定应按GB/T17283执行”。查GB/T17283-1998《天然气水露点测定冷却镜凝析湿度计法》(简称镜面法)的应用领域明确规定为“经处理的管输天然气的水露点范围一般为?25℃~5℃,在相应的气体压力下水含量范围(体积分数)为50×10-6~200×10-6,在特殊环境下,水露点的范围也可更宽”。而CNG汽车加气站现行标准对水露点的要求在20Mpa的工作压力下,折算成体积分数为8.127×10-6,显然比管输天然气的要求严格得多。
此外,我国管输天然气的压力一般都不高于10Mpa,这也和车用天然气20Mpa工作压力相去甚远。
由此可见,GB/T17283适用范围为天然气的生产和运输,却不大适用于CNG加气站高压脱水后的效果检测。
2.2   以?8℃为环境温度的固定基准,缺乏充足的科学依据
如四川省目前20多万辆CNG汽车使用地区绝大多数冬天的环境温度均在?3℃,甚至0℃以上。过去四川省地方标准DB51/5103-1996《车用压缩天然气充装站建设技术规范》以0℃为基准,确定?54℃为车用天然气水露点限值已经较稳妥,更何况夏天我国大部分地方气温均在25℃以上。前苏联的相关标准就对水露点的要求进行了冬夏之分。
GB/T17283不考虑北方(如黑龙江)和南方(如海南岛)的差异,也不区分冬夏,一律以?8℃为环境温度基准,显然是缺乏科学依据的。
2.3   要求过高的负面影响
首先是直接导致脱水装置的电能和脱水剂(分子筛)的消耗量增大,不利于节能减排。为了达标,不少加气站又盲目加大脱水装置的处理能力,例如加气站压缩机的生产能力为1000m3/h,配置的竟是处理能力为2000 m3/h的深度脱水装置,造成社会资源的浪费。
此外,依据该项过于苛求的标准,四川省曾在2009年对某市加气站天然气含水量进行检测,结果是不合格率高达53%。造成了十分不良的社会影响。但是如果按照指标相对合理的原四川省地方标准DBㄍ5103-1996来检测,则不合格率会大幅下降。
2.4   GB18047技术指标中水露点的表述需要修改。
GB18047技术指标中关于水露点的表述为“在汽车驾驶的特定地理区域内,在最高操作压力下,水露点不应高于-13℃,当最低气温低于-8℃,水露点应比最低气温低5℃”。如前所述,这种表述完全是将最低气温大于-8℃的情况一刀切,也视同-8℃处置,是很不科学合理的。即便从文字处理角度看,这也显得晦涩难懂。反不如被它取代的SY/T7546《汽车用压缩天然气》中的描述那么合理简洁:“低于最高操作压力下最低环境温度5℃”
其实最高操作压力全国早已统一为20Mpa,建议今后不妨改为“20Mpa压力下低于当时当地最低环境温度5℃”,至于各地冬、夏季的具体最低环境温度可由各省质监管理部门来确定。
2.5   制定标准时应考虑露点仪与微量水分析仪的“接轨”问题
GB18047要求的露点仪(镜面法)适用范围为天然气的生产和运输,且检测较烦琐,仪器价格也昂贵;全国上千座加气站尚未见配置的报道,而目前加气站普遍采用的是微量水分析仪,不仅价格便宜,还可实现在线检测,也易定期标定。问题出在后者是经减压后大都在0.5Mpa以下的低压下进行。而露点测量仪在是在20Mpa的压力下操作的。经换算后二者差距不少。如前者测量结果为10ppm,后者结果仅为6ppm。按标准前者应判不合格,后者却应判合格。如何来处理好两种检测方法的“接轨”问题,笔者认为这是GB18047修改者应当面对的。因为只有解决好执行标准的方法和手段,修改完善好的技术标准才能真正达到对车用CNG质量的规范和保证作用。
硫化氢限量指标值的商榷
GB 18047-2000《车用压缩天然气》中关于硫化氢的限量规定为15mg/m3。另一个国标GB 50156-2002《汽车加油加气站设计与施工规范》中则规定了进站天然气质量应符合GB 17820-1999《天然气》的II类气质标准。该标准规定硫化氢的限量为20mg/m3。由此可见,CNG汽车加气站的进出站天然气关于硫化氢的限量规定之间仅相差5 mg/m3。正是为了这点差异,酿成一个大问题。
3.1   众多加气站自建脱硫塔设施实在是一种浪费行为
行业标准CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》中明确规定进站天然气硫化氢超过规定时“站内必须设置天然气脱硫装置”。GB 50156也用了强制性标识规定“进站天然气需脱硫处理时,脱硫装置应设在室外”。还规定脱硫装置应设双塔。
因为硫化氢含量高低是直接影响CNG汽车上高压气瓶安全的重要因素,所以为了确保天然气中的硫化氢符合上述GB 18047标准,国内多达近千座的加气站便只好自建脱硫设施。实际运行中加气站还要增加倒塔、更换脱硫剂等工作。这样一来,自然就会增加加气站的建站投资和运行成本。诚如CJJ84-2000标准的条文说明所言“由各加气站内自建燃气净化装置是不经济的”。严格说来,应当是一个很大的浪费。
此外,更换脱硫剂时,还会对环保造成负面影响。
商品气的净化在国外一般都是由供应商统一进行处理的。为了5毫克的人为指标设置而由各加气站进行再次脱硫,确实是我国所独具的一种不合理现象。
3.2   20 mg/m3的限量已可保障安全,似无必要再降至15 mg/m3。
前苏联国家标准ГOCT27577-87《气瓶汽车用压缩天然气》中关于硫化氢限量规定就跟其《进入压缩天然气加气站的天然气》(ГOCT5542-87)的限量值完全一样,即进出加气站的硫化氢均不大于20 mg/m3。换言之,加气站内无需再设脱硫装置。据笔者手中资料表明,前苏联从上世纪五十年代到今天的俄罗斯、乌克兰、亚美尼亚等国家仍然在采用这一硫化氢限量指标。这些国家几十年来也从未发生过因气质问题导致的安全事故。由此可见,该项限量指标是科学合理的,值的借鉴。
3.3   需要配套注意的事项
一是要确保进站天然气达到II类气的质量要求,包括硫化氢含量≤20mg/m3。这个要求在上世纪九十年代的国内一些地方尚难达到。本世纪自从GB 17820-1999《天然气》标准颁布并被供气单位严格执行以来,基本已不成其问题。
二是为了以防万一,各加气站仍可配置一套硫化氢在线检测仪具,作为一种监测防范手段。万一出现逼近限值情况,可及时提醒供气部门采取措施。
三是必须严格控制好CNG中微量水的含量。因为如无水与硫化氢会合,便不致形成腐蚀液,而微量硫化氢也可作为可燃气体进入发动机气功内参与燃烧作功。
综上所述,建议标准修改者仔细斟酌,确定硫化氢的合理指标,在确保安全的前提下兼顾经济效益和社会效益。
技术指标中应增设油份限值
4.1   问题的提出
在不少CNG汽车加气站的运行实践中,尤其是在天然气微量水含量不达标的原因分析中,往往涉及从压缩机漏出的润滑油窜入CNG中,毒化了深度脱水装置中的分子筛,使其在高温下变成黄褐色的碳化物,严重影响了深度脱水装置和分子筛的使用寿命,进而增大了运行成本。此外,在CNG,汽车运行和维修中,也,常常发现减压阀、混合器等专用装置中窜入润滑油,导致膜片动作的灵敏度下降,对汽车车的正常运行和能耗均带来负面的影响。
最直接的证据往往在气瓶检测时出现,从气瓶中可倒出数量不等的润滑油,见下图所示。
4.2   油份的来源
据资料介绍,除了加气站压缩机润滑油可窜入天然气外,有的输气管线中天然气自身就带有杂质的;有的则是由上游的加气站压缩机泄漏后进入管输天然气中。另据一些公司的研究结果表明“天然气在经过某些压缩机后,其中含油量至少会增加200?400ppm”,“从0.4Mpa加压至20Mpa时,油份的凝集程度会增大60倍以上”。因此汽车加气站出来的压缩天然气大多数都含有一定数量的油份。尽管GB18047《车用压缩天然气》中规定有“压缩天然气中不应存在液态烃”,但却未规定相应的限值及其检测方法。
4.3   相关标准均未对天然气中的油份含量做出约束规定
查GB17820?1999《天然气》的技术指标中,仅涉及发热量、硫化氢、总硫、水露点和二氧化碳等。GB18047?2000《车用压缩天然气》中的技术指标,比以上标准多了一个氧气限量,以及对液态烃和固体颗粒直径的限制。GB/T10298?2001《汽车加气站用天然气压缩机》中则仅涉及润滑油总耗量和排出天然气温度限量的规定。总而言之,以上三个标准均未提及CNG中油份限量问题。
4.4   建议GB18047中增设关于CNG中油份含量限量指标和检测方法
鉴于CNG中油份普遍存在的客观事实和其不容忽视的严重危害性,为了进一步提高我国CNG的气质水平、确保CNG加气站和CNG汽车的安全、正常、经济运行,特建议修标单位认真考虑以上建议。尤其注意,检测方法要具有可操作性,使得一般加气站均可自己实施。
4.5   只要技术措施得当,油份含量不难达标
实践表明,需要经常检查压缩机天然气进端前面的油水分离器是否处于正常有效的工作状态,同时在压缩机出气端应安装一个或两个(串联)冷凝器,使油气蒸汽转变成液体,以便排掉。还要注意经常排除积液。如能安装一套自动除液系统就更好了。此外,最先进的配套措施是在加气站深度脱水装置跟储气设施之间的高压天然气管道上设置一台油份含量的在线检测仪具。
技术指标的检测方法应切实可行
GB18047?2000《车用压缩天然气》中规定了若干重要的技术指标限值及其配套的检测方法。但存在着有的指标及检测方法缺失和有的在一般加气站难于实施的问题。
5.1   指标及检测方法缺失问题
1)液态烃
GB18047中规定,“在操作压力和温度下,压缩天然气不应存在液态烃”。但未说明具体操作压力究竟是25Mpa(加气站)还是20Mpa(CNG汽车)。液态烃很难做到绝对为零,需要设定一个限值。如何检测,也缺少方法和手段的规定。
2)固体颗粒
GB18047中虽然规定了“压缩天然气中固体颗粒直径应小于5μm”。但却没有明确相应的检测方法和手段。
3)油份
GB18047中未涉及(详见修改意见之四)
5.2、检测方法难以实施的问题
1)硫化氢含量
GB18047中规定,“天然气硫化氢含量的检测应按GB/T11060.1执行”。查GB/T11060.1-1998为“碘量法”。绝大多数加气站因较费时费力均未用此法。而普遍采用的是电解法或色阶对比法。如何解决这合标准但麻烦费事,方便省事又不合标准的问题已经成了不容躲避的矛盾。
2)水露点
GB18047中规定“天然气水露点的检测方法应按GB/T17283执行”。查GB/T17283-1998为“冷却镜面凝析湿度计法”。由于该露点仪价格昂贵,一般加气站均未配置采用。而目前加气站普遍采用的是电解法原理的微量水分析仪。但此法又不符合GB/T17283,如何解决此问题急待明确。
3)解决思路
有人曾提出,加气站每天或在线进行的微量水及硫化氢检测按现行的简易方法执行,但须相关标准允许;而“碘量法”和“镜面法”可作为质监部门定期抽检时采用,并对简易法的检测结果进行对比,应当以后者为准。
5.3   虽有规定,但一般并未执行的问题
1)总硫
GB18047中规定,总硫含量≤200mg/m3,也明确了检测方法按GB/T11061?1997“氧化微库伦法”执行。但国内各加气站实际上均未对此进行检测,该规定形同虚设。
2)二氧化碳
GB18047中规定天然气二氧化碳的含量≤3.0%,并明确了检测方法按GB/T13610“气相色谱法”执行,国内各加气站实际上也均未对二氧化碳进行检测,形同虚设。
3)氧气
GB18047中规定了天然气氧含量≤0.5%,并明确了检测方法按GB/T13610“气相色谱法” 执行。国内各加气站实际上也均未对氧含量进行检测,因此也形同虚设。
结论和建议
6.1   GB18047中CNG热值要求过低,不利于用作汽车燃料。建议改为:车用压缩天然气的低热值大于34MJ
6.2   GB18047中水含量要求过高,不利于节能和降低加气站运行成本。建议改为:在20MPa下车用压缩天然气的水露点低于当地当时最低环境温度5Co
6.3   鉴于CNG和2类民用气的硫化氢限值之间相差较小,建议前者划一于后者。
6.4   建议GB18047中增加油份的限值要求和相应的检测方法。
参考文献
[1]   李公藩编著 《燃气工程便携手册》       机械工业出版社   2002年版
[2]   吉林工大 《内燃机理论》 机械工业出版社   1975年版
[3]   赖元楷  天然气转换的热值标准选择 《油气杂志》 2006年第3期
作者简介:李永昌(1946-)教授级高级工程师,从事天然气汽车技术研发工作。E-mial:lyc1946cn@yahoo.com.cn