本文旨在论述将天然气燃烧特性作为重要质量指标的必要性，进而分析我国天然气质量规范的沿革，在参考国际上对城市天然气质量提出的各种指标的基础上，提出现阶段我国城市天然气质量指标的建议方案，供有关方面参考。
一、燃烧特性是城市天然气质量的重要指标
天然气是一种以甲烷为主要可燃成分的可燃性气体。在通常情况下，只要它具有可以燃烧的性能就可作为气体燃料进入市场，资源得到了合理和充分的使用。但是，“城市天然气”已经不是上述广义上理解的天然气，它作为气体燃料进入城市时，应满足城市各类用户对气体燃料的各种要求。在城市天然气质量方面，除了从输配、计量、用具、环保和安全方面提出的质量要求外，更重要的是从必须保持燃烧的稳定性而提出的燃烧特性指标。燃烧特性指标应包括热负荷、火焰稳定、完全燃烧以及可靠的点火等内容。为此，要控制天然气发热量和组成的变化范围，使其不产生黄焰、回火、离焰、结炭等不正常燃烧，并使用具的热负荷变化处在允许的范围内。由于城市天然气用户少则几万户、几十万户，多则可达几百万户，我们不可能要求如此众多的用户去调节用具来适应天然气气质的变化，更不可能要求用户去改动或更换用具。对于天然气用户来说，唯一可能做的是要求气源质量的变化必须保证在可以安全可靠使用的范围。显然，这种做法不同于将天然气简单地用作燃料，并非所有开采出的天然气都能向城市天然气管网输送。
由于天然气的成因和地质条件的不同，不同地域开采的天然气它们的发热量和组分的差异较大。至今还没有一种类型的燃具，不经改动或调整就可适用所有种类的天然气并能保持正常的燃烧。目前国际上惯用的方法是首先将可利用的天然气按发热量和燃烧特性指标进行分类，并提出每一种类别天然气不产生黄焰、回火、离焰和结炭等不正常燃烧的界限指标。同一类别的天然气之间具有互换性。每一种类的天然气，应使用与之相适应的一种类别的用具，从而保证用户对燃烧稳定的要求。对于刚开始使用天然气的城市来说，首先要确定所供的天然气属于哪一种类别，然后按这种类别去选择适用的用具，从而保证用户对稳定燃烧的要求。此后，要求所供天然气气源的变化限定在这种类别天然气的界限指标内。对于已经供气的城市，在使用天然气的替代气源（如SNG）或者发展新的气源时，则必须要求它们属于同一种类别的气源。此外，在跨市跨省的大型天然气主干管网发展时，只有使用同种类别的天然气，它们的管网才能连通。简而言之，一张管网只能用同一种类别的天然气。对于一个城市来说，一张管网是经济的、合理的。 各国采用的城市天然气燃烧特性的指标是不完全相同的。例如法国，采用德尔布（Dellourg）法，用华白数和燃烧势进行分类并界定稳定燃烧的变动范围。在美国，则采用韦弗（Weaver）指数法，它考虑了脱火指数、回火指数、黄焰指数、热负荷因数、引射因数和CO生成指数等因素。在英国则有二维判别法和三维判别法。我国在GB/T 13611-92中，参考了法国德尔布的方法，采用了华白数和燃烧势两种指数。不管采用何种方法或何种指标，都是用来确定天然气的类别，并界定该类别天然气在与之适应的用具上保持稳定燃烧和热负荷的变化范围。在我国人工制气供气的多年实践中，已按GB/T 13611-92中的分类标准执行，积累了丰富的经验。
二、我国天然气质量规范的沿革
（一）SY7514-88《天然气》
1988年7月4日颁布的SY 7514-88《天然气》是属于我国石油工业部的部颁标准。它是“适用于气田、油田采出经矿场分离和（或）处理后用管线送至用户，并按产品类别分别作为民用燃料、工业原料和工业燃料的天然气。”在SY 7514-88中提出对天然气的技术要求见下表：
SY 7514-88将天然气按高位发热量的不同分成A组和B组。按此标准，只要天然气的发热量大于14.65 MJ/m3（3500Kcal/m3）就可视作为发热量合格的天然气，这样的分类虽然太于宽松，但至少已认识到发热量相差很大的天然气是不属于同类型的天然气。天然气进一步细分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类的依据是它们的总硫、硫化氢和二氧化碳的含量。很明显，它是主要按天然气的输送要求而划分的，同时也兼顾了对人体的危害。用机械分离和目测的方法来标明是否夹带游离水是一种不够严格的做法，它也未考虑在输送和使用过程中因环境温度变化可能产生的冷凝水和烃类物质。总之，该标准是在天然气尚未大规模地进入城市以及用户尚未对天然气提出严格的要求时制订的，它没有考虑到对城市天然气燃烧特性的要求。
（二）GB 17820—1999
在SY 7514—88执行了十年后，总结了实践经验，由中国石油天然气集团提出经四川石油管理局天然气研究院起草制定了新的天然气国家标准GB 17820—1999，它是“参考ISO13686：1998《天然气质量指标》和国外有关天然气的的管输规范，按硫和二氧化硫含量对天然气进行分类，提出了天然气的技术要求，以保证输气管道的安全运行和天然气的安全使用，有利于提高环境质量，适应我国天然气工业的发展要求。”它提出的技术指标如下表：
该标准“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”。它对天然气的提法要比SY 7514—88泛指的天然气严格，是“商品天然气”。既然明确是“商品”，它必须有稳定的质量指标来满足市场的要求，否则商品天然气的市场就没有保证。
同SY 7514—1988相比，该标准作了许多修改和提高。： 1、取消按高位发热量分为A组和B组的分类。显然，由于B组的发热量（3500~7500Kcal/m3）太低，不适宜作为城市天然气使用。 2、在按硫和二氧化碳含量的分类中，取消了原来的第四类，即硫含量大于480 mg/m3。由于它的含量过高，因此不能作为“商品天然气”。 3、对总硫的含量要求比以前严格： Ⅰ类气从≤150 mg/m3改为≤100mg/m3 Ⅱ类气从≤270 mg/m3改为≤200mg/m3 Ⅲ类气从≤480 mg/m3改为≤460mg/m3 4、对硫化氢含量Ⅰ类气和Ⅱ类气的要求稍有变化，从<6 mg/m3和<20mg/m3改为≤6mg/m3和≤20mg/m3；Ⅲ类气则从实测改为≤460mg/m3。 5、水分从“无游离水”的要求改为用水露点作为指标，提出了“在天然气交接点的压力和温度下，水露点比最低环境温度低5°C”的要求。 6、在第五条“输送、储存和使用”中，提出了“在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气中应不存在液态烃”、“天然气中固体颗粒含量应不影响天然气的输送和利用”。但是它尚未用烃露点作指标来防止因环境温度变化时烃类物的析出，同时也未提出天然气中限制天然气中固体颗粒含量的指标。
虽然上述改进比SY 7514—88有很大提高，但从城市天然气质量要求来看，仍存在根本性的不足： 1、对天然气的分类应按它的发热量和燃烧特性指标（例如华白指数和燃烧势）来分类，属同一类的天然气之间具有互换性。多气源供气时，必须是要供同一类的天然气，已供的天然气发生质量变化时，不能超出同一类天然气的界限。GB 17820—1999按硫和二氧化碳含量的分类不能满足城市天然气对稳定燃烧的要求，更没有考虑将天然气的燃烧特性列作质量的重要指标。该标准的主要起草人在1999年“天然气工业”上发表的《天然气互换性及其标准化》文章中指出：“随着天然气资源多样化，用户不断增加，用途日益广泛，其组成变化时对燃烧性质的影响已经受到普遍关注，故应尽快对天然气的互换性进行标准化”；“ISO 13868、GB/T 13611等均可作为商品天然气分类的参考”；“应开展对天然气燃烧势的分析研究，从而为我国天然气的分类和互换性的标准化奠定基础”。 2、GB 17820中提出的技术指标不够完善，没有提出烃露点、不饱和烃含量、碳五及碳五以上高烃含量、氧含量及一氧化碳含量、固体颗粒含量等重要指标。当然作为互换性判别指标如华白指数和燃烧势，也应纳入分类的技术指标。 3、GB 17820提出的标准参比条件为101.325Kpa，20°C，在我国的天然气工业系统中执行该参比条件，但是在城市天然气系统中并不都执行此参比条件。例如上海东海天然气的商品贸易中执行的是101.3 Kpa，15.5°C；香港地区执行的是101.325 Kpa，15°C；GB/T 13611—92和GB 13612—92中的参比条件为“干气，0°C，101.3 Kpa”。在国际上，ISO 13443—1996《标准天然气参比条件》中采用101.325 Kpa，288.15K（即15°C）。在ISO统计的一些国家中，天然气标准参比条件的压力均选用101.325Kpa，而温度的选用都有很大的不同。采用0°C的有以法国、德国、奥地利、比利时、丹麦、匈牙利、印度、印度尼西亚、意大利、日本、荷兰、西班牙、瑞士、和南斯拉夫、巴西等十五个国家，采用15°C的有英国、美国、阿根廷、澳大利亚、加拿大、埃及、芬兰、伊朗、新西兰、挪威、巴基斯坦、爱尔兰等十二个国家。俄罗斯和捷克则采用20°C和0°C，罗马尼亚采用15°C和0°C。GB 17820的要求同香港中华煤气公司进口南海天然气时提出的质量标准相去甚远，它已不适应天然气市场的现状。
（三）、GB/T13611—92《城市燃气分类》
由于我国城市气体燃料使用已有一百多年的历史，在对城市气体燃料使用的燃烧特性要求方面积累了长期的经验。该标准是由建设部提出，由中国市政工程华北院起草的按表示气体燃烧特性的指标——华白数和燃烧势进行分类的国家标准。其中关于天然气的分类如下表：
上述分类及其燃烧特性指标已考虑了在燃烧时防止产生黄焰及不完全燃烧、回火和脱火的界限条件。（分类中的“4T”是指矿井气，“6T”是指液化石油气混空气，不宜包括在城市天然气的分类指标中）三、国际标准化组织（ISO）颁布的天然气质量指标 国际标准化组织的“ISO/TC 193天然气技术委员会”于1993年7月15日发出“ISO/CD13868《天然气质量指标》”文件，作为草案在ISO各成员之间传阅并要求返回意见。当时的四川石油管理局天然气研究所作为“ISO/TC 193天然气技术委员会”在我国的技术归口单位，对该草案表示了赞成意见。按ISO的规定，在至少75%的成员投赞成票后才可予以公布。1998年5月1日，正式公布了由ISO/TC 193天然气技术委员会制定的ISO 13868《天然气质量指标》标准。该标准给出了天然气质量的各种参数、计量单位及ISO相关的分析试验标准。除了正文外，还附录了一些国家天然气质量规范实例、互换性判断方法、冷凝曲线、加臭等参考资料。其质量指标的具体内容如下： 1、质量指标的参比条件： 压力 101.325 Kpa（1 atm） 温度 288.15K（15°C） 2、质量参数：（1）天然气组成 a. 主要组成：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷类、戊烷类、已烷加，氮气、二氧化碳。 b. 少量组成：氢气、不饱和烃、氧气、一氧化碳、氦气。 c. 微量组成：硫化氢、硫醇、二烷基硫醚、羰基硫、总硫、水。（2）天然气性质 a. 物理性质：发热量、华白指数、密度、相对密度、压缩因子、水露点、烃露点。 b. 其它性质：从技术上讲，天然气不应含有液态形式的水和烃类物、不应含有影响输送和使用的固体颗粒物以及不应含有影响输送和使用的其它气体。四、现阶段我国城市天然气质量指标的建议方案 根据我国SY 7514—88、GB 17820—1999、GB/T 13611—92和GB 13612—92多年实践的经验，参考已正式公布的ISO 13443、ISO 13686文件及其所附欧洲、英、美、法、德有关城市天然气质量指标的资料，考虑到现阶段我国城市天然气工业的现状，建议我国“城市天然气质量指标”的方案如下：
关于建议方案的说明如下： 1、本方案参照GB/T 13611—92，对天然气进行分类。GB/T 13611—92中的4T是用于矿井气，6T是用于液化石油气混空气。由于它们的发热量较低，因此不宜列入城市天然气的范围。“液化石油气混空气”的发热量也可以配得较高而成为代用天然气（SNG），此时可按它的华白数和燃烧势来归入上述的类别。 2、英、法、德等欧洲国家将天然气分为发热量较高的H类和发热量较低的L类。
其中的L类同GB/T 13611—92中的10T类相接近，H类则同12T、13T相接近。由于12T和13T的华白数和CP变化的部分范围中有重叠，因此是否可以将12T和13T合成一类，要进行专题研究。目前仍宜参照GB/T 13611—92进行分类，建议有关方面立题对此进行研究。
3、方案中华白数W和燃烧势CP的计算方法采用GB/T 13611—92中规定的方法，今后在正式编制城市天然气质量国家标准时应作正文纳入。本方案未规定天然气的发热量及其变化范围，因为发热量已在分类用的华白数的计算中体现出来。同样，本方案对天然气的组分和密度及其变化范围也未作规定，因为它也在分类用的华白数和燃烧势的计算中体现出来。当然，为了明了一些，也可以规定一个天然气的发热量及其变化范围，例如35.6~46.0 MJ/m3。
4、为了充分利用天然气的资源，对于发热量稍低于35.6 MJ/m3的天然气，可以考虑再列一个如“9T”之类的规定，使其得到利用。当然，对此也应立题进行研究。主要是取决于我国该类天然气的数量和产地。
5、本方案对天然气组分中重烃（C4及C4以上）、不饱和烃和芳香烃的含量未作规定。它们的含量以及同时含有的氢、氧和二氧化碳对燃烧会产生一些不利的影响。国外对此有所研究，有些国家对此也有要求。从我国现状出发，只要控制了烃露点，重烃问题可以暂不考虑。至于对燃烧和点火产生的影响，留待专题研究。
6、本方案对硫化氢含量的规定是采纳GB 13611—92中的规定，对总硫（以硫计）含量的规定是采纳GB 17820—1999中的规定。
7、本方案中二氧化碳的含量采纳GB 17820—1999中的规定，氧气含量的采纳GB 13612—92中的规定。它们的存在，在高压天然气中会产生腐蚀现象，因此必须作为指标加以控制。如果考虑到我国的实际情况而用户对此并不十分介意时，也可适当放宽，在方案的指标前可加一个“宜”字，留有灵活执行的余地。
8、本方案对于氮气未作含量的规定，它同二氧化碳和氧带来的对发热量和重度的影响都在华白数和燃烧势中得到体现，至于对点火和燃烧的影响则暂不考虑。
9、本方案的水露点和注2、注3均采纳GB 17820—1999中的规定。对于烃露点的规定主要考虑在输配过程中避免因环境温度的变化而导致烃类物质的冷凝析出。
10、本方案的注1采纳了GB/T 13611—92和GB 13612—92中的规定。这主要是因为在一百多年的城市煤气工业中均采纳了该标准，我国的技术资料（教科书、专业技术书和文献）中的论述和计算都采纳该标准。如果要采纳以20°C作标准则需换算，引起不必要的麻烦或误解。
11、虽然在GB 13612—92中对焦油和灰尘提出应小于10mg/m3的指标，但是只要满足在注3中提出的固体颗粒的大小和含量不影响输送和利用，本方案就不再另作规定。
结 论
1、天然气的燃烧特性应作为城市天然气质量的重要指标。现有的质量指标中尚需增加烃露点和氧含量等指标。
2、为了适应城市天然气的大发展，有必要不失时机地制订较完善的新的国家标准。
3、根据现行的有关天然气质量的标准，并参考国际上的有关资料，本文提出了我国现阶段“城市天然气质量标准”的建议方案，仅供有关方面参考。
（ 来自 上海天然气管网有限公司 作者：张宝隆 ）
