管网|湖北锐意|浅谈德国的沼气工程_热值|气体|生物|德国|甲烷|注入

天然气作为一种常规的清洁、高效的能源，在煤炭、石油之后已成为全球能源结构中最重要的能源之一，然而常规天然气是不可再生的，如何使其持续发展是当今能源领域专家们一直探讨的话题。

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沼气一直认为是最有希望替代或者部分替代天然气的可再生清洁能源。为了使沼气能够在现有的输气管网中进行混输，我们必须要求其气质符合一定的要求。在德国邻国（如瑞典、瑞士）已经有成熟的沼气混输天然气的技术经验。根据最新预测估计，沼气将在2020年至少满足德国10%的天然气需求量。下面本文将就德国沼气如何达标注入天然气管网，并实现终端用户安全使用进行介绍。
沼气注入天然气管网气质要求
【管网|湖北锐意|浅谈德国的沼气工程】沼气的组成：CH4—50%~70%；CO2—30%~40% ，还有少量的CO、H2、O2、H2S等气体。其中，除CO2以外的少量气体经一定的净化设备都可以去除，以达到城镇燃气标准。
尽管沼气和天然气的主要可燃组分都是CH4 ，但是两者在CH4、CO2、H2S含量以及热值、密度、华白数等方面均存在较大差异。因此，一些研究者便提出了“沼气+其他燃气”混合注入管网的研究，但还存在如下问题：
（1）CO2不具有热能利用价值，对燃气的热值、燃烧势等影响很大。如果沼气不脱碳（或只浅度脱碳）就注入天然气管网，需要控制其混合比例，研究沼气与天然气混合气体与管网天然气的互换性问题。
（2）目前常用的气体混合装置有文丘里混合器，比例混合阀和随动流量混合器等，但是选哪种混合装置最合适还需要进行实验研究。另外，还需要设置混合气体热值检测仪和安全连锁保护系统等，以确保产品质量和系统安全。
（3）沼气按一定比例注入天然气管网后，势必会对原有天然气的热值，燃烧势等造成影响。如何说服燃气管网经营企业接收沼气入网，重新合理地为燃气定价和说服消费者放心使用等，也需探讨。
因此，沼气能否不经过提纯注入市政天然气管网，替代天然气，还有待进一步研究。而沼气经净化提纯后得到的生物甲烷，其性能与化石燃料天然气几乎没有差异，只要达到天然气技术指标，便可直接注入天然气管网。

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天然气技术指标（GB17820—2012）
在德国，天然气的运输、储存和消费等规范主要参照DVGW（德国科学与技术协会下属的空气与水检测部门）发布的技术守则和标准，其中生物甲烷注入天然气管网主要遵守其中的G260和G262 。在整个过程中气体质量由沼气供应商负责达到H形（高热值天然气）和L形（低热值天然气）质量标准，而不同气体燃烧特性的兼容性问题由管网运行商负责。另外，当生物甲烷并入超大跨区域管网时，还必须遵守DIN（德国标准化学会）的相关标准。
德国沼气如何注入天然气管网
沼气入网设施需要根据当地天然气管网类型、天然气特性和沼气提纯程度因地制宜。在德国，首先要根据管网类型进行初步设计，管网类型主要包括局域分布式气网（低压：3~10kPa）、区域气网（中压：400~1600kPa）和跨区域气网（高压：3200~12000kPa）。然后根据标准DVGWVP265中的要求，设计所需的标准部件，主要包括：压力调整、过程控制、安全监督、气体质量监控、流量控制、热值调整、数据监控、管网连接和加臭等装置。
压缩装置需要根据管网的输送压力和进口压力进行选择，需要的压力越大，能耗便越大。需要注意的是，根据DVGWG260 ，生物甲烷不应含有油和灰尘，而压缩机使用的润滑油可能会污染生物甲烷，因此在选择时，应尽量选择不使用润滑油的压缩机，当然随之带来的机器损耗和气体损失也会随之上升。另外，也可根据初始压力、所需压力和流速来进行压缩机类型的选择。当流速较低时，可以选择螺杆式或活塞式压缩机。当生物甲烷注入高压管网时，往往需要采用两级压缩，螺杆压缩机作为一级压缩，而活塞式压缩机作为二级压缩。通常当生物甲烷注入低压气网时，还需要进行气体的压力测量和调节，从而降低入网压力的波动幅度，使其达到一个统一的低压传输压力。
要达到标准所规定的的气体质量，气体组分监控特别是燃烧特性的监控必不可少。监控的项目主要包括：CH4、CO2、O2、H2、热值、华白数、密度、水露点和烃露点等。其中用于测量气体组分的方法一般可以采用非分光红外(NDIR)气体分析技术，如湖北锐意红外气体分析仪Gasboard-3100 ，一台仪器可同时测量生物甲烷气中的CH4、CO2、O2、H2等气体浓度，并自动计算、显示其热值，替代传统的燃烧法热值仪。

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8组分红外气体分析仪内部结构图（监测组分可根据用户需求定制）
当生物甲烷注入H形气网（高热值天然气输送管网）时，需要加液化石油气调高热值；而当生物甲烷注入L形气网（低热值天然气输送管网）时，则需要加入空气以降低热值。液化石油气调节装置主要包括进料器、测量计、调节装置和液化石油储存器。空气调节装置主要包括气体混合器、空气压缩机、测量计和调节装置。通常液化石油气加入量取决于沼气中CO2的分离程度，若注入的生物甲烷比例较低，则不需要进行热值调整，直接加一个混合器注入管网即可。
根据DVGWG260和G262 ，沼气可作为补充气源或调价气源注入燃气管网，当作为补充气源时，沼气燃烧特性必须与局域分布气网基准气的燃烧特性一致，气体组分也仅允许些许差别。当作为添加气源时，沼气燃烧特性和气体组分均可以在规定的范围内与天然气存在差别。法规G685规定，客户终端的热值与规定的标准热值间最大偏差为2% 。因此，天然气管网气体流速和沼气的燃烧特性共同决定了沼气注入的量。根据DVGW相关规定，可通过以下几种方法进行气体间的互换：采用液化石油气进行热值调整；基于计算机的热值重构；以一定的热值对气网进行分区；以补充气源或添加气源形式注入。

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采用液化石油气调整生物甲烷的热值，以达到燃烧气管网入网标准，是法规DVG-WG685规定的标准方法。当然除了调整热值外，还需要调整华白数和相对密度等燃烧特性以达到管网要求。根据DIN51622标准，通常用于热值调整的液化石油气中丙烷和丁烷应该分别占95%和5% ，同时该标准还规定了硫、烯烃以及其他微量元素的含量。另外，若要应用于发动机， CH4含量也很重要，通常甲烷含量至少要高于70% 。在管网输送过程中， CO2的冷凝是一个潜在的安全隐患，因此CO2含量也是液化石油气调整过程中需要考虑的。
尽管添加液化气石油气调整热值的方法已被广泛使用，但是其成本较高，因此许多生厂商不得不另辟蹊径。基于计算机的热值重构法可降低热值调整过程中的投资成本，避免液化石油气添加带来的运行成本。基于计算机的热值重构系统是一种数学模型，它可以为整个管网系统，包括管道、闸阀、入气口等部件构建动态图像，然后根据测量点的压力、气体质量和体积等参数在管网内不同的点设计不同的气体流速、气体质量和混合度。但是，只有当重构所需参数齐全时，该方法才可行，包括整个管网注入和输出的气体体积、监测系统获得的压力参数、每个入网点的气体组分、所有闸阀的位置、减压器和压缩器的操作模式，以及管网系统的其他信息。该方法经常用于超大跨区域管网或区域管网等气体进口和出口较少的管网类型。对于低压分布式管网，由于管网连接点的反混、回流等现象很难用数学模型模拟，因此应用较困难。
在应用过程中，往往几个地区的分布式管网通过固定热值的形式形成区域管网。例如，区域管网可以以分布式管网的平均水平对并网的生物甲烷燃烧特性进行定义，只要根据DVGWG685所规定的生物甲烷热值便可算出客户终端的热值，从而无需液化石油气的添加。但是，此方法也存在缺陷，由于分布式管网中冬天和夏天流量波动较大，从而精确的模拟和计算较为困难。
当生物甲烷作为添加气源注入管网时，其燃烧特性和组分均可不同于管网基准气，但是它的注入量是非常有限的，往往由下游混合气所需燃烧特性而定。通常基准气体的体积流速越大，所允许的生物甲烷与基准气的热值偏差也越大。因此该方法常用于超大跨区域输送管网。该方法的管网连接成本和运行成本低廉，但是必须注意入网过程中产生的反混合回流。
综上所述，上述几种热值调整方法各有优劣，在选用时，应该根据管网的类型和实际情况而定。

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不同热值调整方式的优缺点比较
纵观国内，目前我国生物天然气并入天然气管网仍存在市场壁垒，虽从需求和技术角度看，生物天然气并入天然气管网已经具备条件，但因有关规章制度尚未建立，导致“并入”难以全面展开。对此，国家能源局就《关于促进生物天然气产业化发展指导意见（征求意见稿）》指出：要加快形成专业化投资建设的管理模式，建立县域生物天然气开发建设专营机制，合理确定适应资源条件的项目规模和布局，加快关键技术进步和工程现代化并培育和创新商业化模式，并推进生物天然气无障碍并入城市燃气管网及配电网，为我国生物质能产业化发展的一个新方向。
（来源：沼气圈）

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