刍议GB 18047的修订(二)——兼论对新版ISO 15403的认识
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收稿日期：2012-09-19
作者简介：陈赓良，男，教授级高工，1961年毕业于山东大学化学系，原任中国石油西南油气田公司天然气研究院院长，现任全国天然气标准化技术委员会顾问，已发表论文170余篇, 专著8部。地址：(610213)四川省成都双流华阳天研路218号天然气研究院。E-mail:Chengengliang@ petrochina.com.cn.
摘要：根据2006年发布的新版ISO 15403及其技术报告ISO/TR 15403有关内容，对强制性国家标准GB 18047-2000《车用压缩天然气》的修订提出如下建议：①在第1章(范围)中增加阐明制定此标准的目标与目的的内容；②将水露点指标修订为水含量指标；③取消高位发热量指标；④修订5.6节对沃泊指数的表述，重新编制附录B，并更名为“沃泊指数范围”；⑤重新编制附录A，增加抗爆性能、AVL法计算甲烷值和EN 589法计算LPG辛烷值等内容。
关键词：压缩天然气 燃烧性质 沃泊指数 燃烧势 甲烷值 马达法辛烷值
Suggestions on revising national standard GB 18047 (2)——Concurrently discuss new edition of ISO 15403
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Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China
Abstract: According to new edition of ISO 15403 and ISO/TR 15403 published in 2006, a series of suggestions for revising enforced national standard Compressed natural gas as vehicle fuel(GB18047) are put forward in this article: (1) the content about purpose and target of GB18047 should simply be clarified in chapter 1 (scope); (2) the index of water dew point should be revised to that of water content; (3) the index of gross caloric value should be cancelled; (4) the expression of Wobbe index in paragraph 5.6 should be revised and renamed to Wobbe index limits, the content of Appendix B should be re-writed; (5) Appendix A should be re-writed, the antiknock properties, AVL method for calculating methane number (MN), EN 589 method for calculating octane number and so on should be added.
Key words:
compressed natural gas combustion properties Wobbe index combustion potential methane number (MN) MON
近年来，压缩天然气汽车(CNGV)已成为举世瞩目的一个新兴产业。同时，以天然气为燃料的热电联供系统和使用燃气发动机的压缩机站也都迅速发展，故作为内燃发动机燃料的天然气质量指标受到普遍重视。鉴此，国际标准化组织天然气技术委员会(ISO/TC 193)于2006年发布了新版国际标准ISO 15403-1：2006《天然气-作为车用压缩燃料的天然气第1部分：质量指标》和技术报告ISO/TR 15403-2：2006《天然气-作为车用压缩燃料的天然气第2部分：质量规范》，同时宣布撤销ISO 15403：2000。
我国的强制性国家标准GB 18047-2000《车用压缩天然气》是参考ISO 15403：2000制定的，发布至今已有12年了。在此期间，该标准对规范车用压缩天然气燃料的质量和推动CNGV产业的发展起了很好的作用。但由于当时我国的CNGV产业正处于起步阶段，缺乏工业经验，且积累的试验数据甚少，因而对此标准的适用范围、质量指标应涉及的项目，以及对某些项目指标及其检验方法的确定等方面均存在诸多不足之处[1]。与2000年版本相比，新版的这两个ISO文件无论在结构、内容和指标等各方面均作了重大修订，是大量试验结果及工业经验的总结，也是修订GB 18047的基础性参考资料。由此，本文针对上述问题提出以下认识和建议。
1 标准的范围
在ISO 15403-1：2006“范围”这一章内，至少提供了以下重要信息：
(1) 制定的目标是：向CNGV的制造厂商和操作者、加气站的设计和操作者，以及其他与CNGV产业(包括管理机构)有关人员提供所需压缩天然气(CNG)燃料质量信息，以便他们成功地开发和操作CNGV。
(2) 制定的主要目的有3个：①为CNGV及其相关设备的安全运行提供保障；②为CNGV燃料系统的所有零部件不受燃料中腐蚀性物质、有毒物质和其他固体或液体杂质的影响提供保障；③为CNGV在所有气候与驾驶条件下均具有良好的运行性能提供保障。
(3) 规定的CNG气质指标不仅仅是针对车载的储气瓶，还应包括加气过程中所有与燃料天然气接触的设备，以及CNG在使用过程中从储气瓶出口阀流出至发动机点火过程中所有与燃料天然气接触的零部件。
(4) 明确指出CNG作为车用燃料的各种性质同样也适用于固定式的(燃气)内燃发动机。
综上所述，ISO 15403-1：2006所涉及的技术指标(规范)是针对整个CNGV产业的，必须反映该产业的特点及其对燃料的要求，与规定民用商品天然气气质要求的ISO 13686：1998《天然气质量指标》有本质区别。反观GB 18047-2000的结构和内容，明显地脱胎于GB 17820-2012，故在修订GB 18047-2000时首先要注意此问题。
2 CNG车用燃料的水露点/水含量
ISO 15403-1：2006对作为车用燃料的CNG性质(质量)提出3个方面的要求，即：组成性质、燃烧性质和驾驶性质(能)。由于天然气本身是一种优质车用燃料，因而对其驾驶性质的规定较简单，仅规定：“应防止在CNGV的燃料系统中形成液相水”；但此项规定直接关系到原料天然气在加气站深度脱水的工艺指标。
ISO 15403：2000对CNG中的杂质水分规定的是水露点指标，而ISO 15403-1：2006中则改为水含量指标：“在最高操作压力为25 MPa，环境温度不低于-13 ℃的工况下，CNG中的水含量应低于30 mg/m3”；并建议“按ISO 18453：2004《天然气水含量和水露点的相关性》规定的方法来关联天然气水含量与水露点之间的关系”。此项改动意义重大，原来规定的水露点指标不仅测定比较困难，且由于GB/T 17283-1998《天然气水露点的测定冷却镜面凝析湿度计法》规定的冷却镜面法是一种测量物性的方法，不具备以标准物质进行溯源的条件，更不能作为仲裁方法使用。鉴此，建议在修订GB 18047-2000的水含量/水露点指标时，同时修订其测定方法。
天然气中水含量的测定方法甚多，GB/T 27896-2011《天然中水含量的测定电子分析法》中有较详尽说明，且也有适合现场应用的在线测定方法可供选择。从工业应用情况看，基于行业标准SY/T 7507-1997《天然中水含量的测定电解法》的电解法是目前应用颇广泛的方法，也已积累了大量工业经验[2]。
3 高位发热量
发热量和互换性(沃泊指数)是天然气最重要的2项燃烧性质，也是国际标准ISO 13686：1998中明确规定的2项指标。
目前，我国已有2项国家标准涉及车用CNG的(高位)发热量指标。GB 18047-2000规定高位发热量应不小于31.4 MJ/m3；GB/T 26127-2010《车用压缩煤层气》则列举了甲烷含量和高位发热量两项指标，并据此对车用CNG加以分类(参见表 1)。对照ISO 15403-1：2006的规定，对CNG的高位发热量指标有以下几点认识。
表 1
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表 1 车用压缩煤层气的技术指标
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(1) 众所周知，循环往复式燃气发动机的轴出功率在很大程度上取决于压缩比和以平均有效气缸压力表示的能量密度，而能量密度则又与天然气的高位发热量密切相关。
(2) 但无论老版或新版的ISO 15403均未规定高位发热量指标，其原因在于全球天然气的类型与组成极其复杂，分类方式繁多；而且CNG的能量密度又与发动机的压缩比成正比。因此，目前尚无确切的试验数据和工业经验来规定不同类型汽车发动机燃料的高位发热量(下限值)的技术指标。
(3) GB 18047-2000和GB/T 26127-2010对高位发热量指标的规定虽有不同，但实际上都规定了发热量小于31.4 MJ/m3的天然气不能(或不宜)作为车用CNG。此项规定目前并无根据，且不利于发展非常规天然气作为车用燃料。
(4) 尽管高位发热量太低的天然气或煤层气确实需经过处理才能作为车用燃料，但确定其下限值非常困难。甲烷含量指标也存在同样的问题，目前也无任何数据表明甲烷含量低于84%(体积分数)的CNG不能作为车用燃料。
(5) 综上所述并结合下文将讨论的其他燃烧性质可以得出结论：满足31.4 MJ/m3限值要求的CNG，未必一定适合作为车用燃料；而低于此限值的天然气也不一定不能作为车用燃料。因此，建议在修订GB 18047-2000时考虑删除此项指标，并设置一个资料性附录加以说明。
4 互换性与沃泊指数
天然气互换性的(传统)定义为：当以B组成的天然气替代原用的A组成天然气时，若燃具不加改动仍能保持稳定燃烧则表明天然气A和B之间具有互换性。判别燃气互换性的方法甚多，北美和西欧国家均有其习惯使用的方法，迄今并无统一的国际标准。但沃泊(Wobbe)指数法是目前国际上应用最广泛的互换性判别方法，沃泊指数(又称为华白数)是表征燃气热负荷的特性数据。不同组成的燃气若具有相同(或相近)的沃泊指数，则可以认为它们于相同的压力下在燃具中有相同的热负荷。很明显，互换性的传统定义仅着眼于燃烧性能[3]。
2005年，美国国家天然气委员会(NGC)发布了“天然气可互换性及其非燃烧应用白皮书”(以下简称白皮书)，该文件对天然气“可互换性”的定义为：“在不明显改变运行安全、效率和性能，或不明显增加空气污染物排放量的情况下，在燃烧设施中采用一种燃气替代另一种燃气的能力”[4]。按此定义的规定，天然气的互换性除考虑其燃烧性能(热负荷)外，还必须考虑其安全和环保性能。白皮书指出[5]：对往复式发动机而言，当沃泊指数超出可接受的范围时，发动机发生爆震，运行性能变差，并缩短零部件的使用寿命。由此可以看出，沃泊指数变化时，对汽车发动机的影响与民用燃具或工业锅炉完全不同。
要保证车用燃料的轴出功率和尾气排放不仅应考虑其沃泊指数(W)，还应考虑其燃烧速度指数k(或燃烧势，CP)。即使两种天然气的W值相同，但因其组成不同将导致燃烧性能有很大区别。图 1中所示的A点是甲烷特征值参考点，图 1中各线则表示甲烷中乙烷、丙烷、丁烷、氮和氢等组分体积分数增加时的W值和k值的计算结果[6]。由图 1可明显看出：天然气中乙烷、丙烷、丁烷的体积分数增加时，W值均增加；在三者的掺混量相同时，W值的增加值按乙烷、丙烷、丁烷的次序递增；当掺入氢气组分后，k值迅速增大而W值略有下降[6]。
在往复式发动机中，燃烧的天然气的氢/碳比(β)对其燃烧温度及排放尾气组成也有重要影响。假定过量空气系数为1.0、环境压力为0.1 MPa、环境温度为298 K时，用平衡浓度法计算4种不同组成天然气的绝热燃烧温度及其排放尾气组成的结果如图 2所示[6]。图 2中数据表明，β值在3.4~4.0之间变化时，绝热燃烧温度(T)的变化率约4%，CO2排放量的变化率约6%，CO的变化率约12%，而NO2的变化率则达到68%左右。
通过以上分析可以归纳出如下认识：
(1) 天然气组成直接影响其发热量及燃烧特性，沃泊指数又是通过发热量与相对密度的关系计算而得，故沃泊指数(范围)确实是CNG的一项重要指标。
(2) 发动机运行性能不仅与沃泊指数有关，也与燃气的燃烧速度指数有关，还与燃气发动机的点火角提前、配气相位等设计条件有关，诸多因素之间的互换影响非常复杂，远非单一指标所能表达。同时，有关互换性对发动机运行性能影响的研究工作，国外开展不多，国内则极少，故目前不具备标准化的条件。
(3) 由于上述原因，在讨论具体技术指标的ISO/TR 15403-2：2006中并未提及沃泊指数，而仅在ISO 15403-1：2006讨论天然气燃烧性质的第6章中简单提及“沃泊指数的变化将影响发动机的轴出功率与运行性能”。
(4) ISO 15403-1：2006第8章中进一步说明应按ISO 6976：1995《天然气热值、密度和相对密度及化合物沃泊指数的计算》的规定计算沃泊指数；并设置了(资料性)附录B，较详尽地介绍了德国国家技术规范(DVWM)260/1和欧洲标准EN 437：2003《试验气体试验压力器具分类》中对各种不同类型民用天然气的分类及其沃泊指数范围。
(5) 鉴于以上认识，对GB 18047-2000有关沃泊指数指标的具体修订建议如下：
① 5.6节的表述修订为：“沃泊指数的变化可能影响发动机的轴出功率和运行性能，其测定则应按GB/T 11062-1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》的规定。”
② 建议附录B重新编制，该附录的名称宜改为“沃泊指数范围”，因为现有国家标准中从未对CNG进行过分类。
③ 建议附录B以GB/T 13611-2006《城镇燃气分类和基本特征》为基础，较详尽地说明作为城镇燃气中的天然气分类原则、沃泊指数的计算方法和燃烧势的概念等。
④ 附录B中表B1内容过于简单，表头文字概念不清。因此，建议参照GB/T 13611-2006，将此表修订为表 2所示形式与数据。
表 2
表 2 城镇燃气中天然气的类别及其特性指标(15 ℃，101.325 kPa，干气)
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表 2 城镇燃气中天然气的类别及其特性指标(15 ℃，101.325 kPa，干气)
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5 甲烷值与辛烷值
甲烷值是评价CNG技术经济性能的重要指标，但GB 18047-2000的(资料性)附录A的内容不够全面，且只介绍了一种关联甲烷值与辛烷值的方法(GRI法)。建议在修订时，参照ISO 15043-1:2006的附录C和D，增加以下内容。
5.1 抗爆性能与甲烷值
点火式汽车发动机的爆震燃烧是指：可燃气体混合物在气缸内被点燃后，部分未燃混合气因受正常火焰焰面的压缩和热幅射作用而生成大量不稳定的过氧化物。在正常火焰焰面尚未传到之前，过氧化物就发生剧烈分解而自燃，形成一个或多个火焰中心向四面八方传播[7]。爆震燃烧对发动机的危害极大，故天然气作为发动机燃料时其抗爆性是一项重要指标。鉴此，ISO/TC 193推荐使用甲烷值(MN，methane number)指标来衡量车用压缩天然气的抗爆性，该指标目前已为世界各国普遍接受，应用非常普遍。
5.2 AVL法
以GRI法计算天然气的甲烷值主要在北美使用；而欧洲国家则经常使用ISO 15043-1:2006附录D中介绍的AVL法。此法的要点是：以通用的辛烷值评定方法(如ASTM D 2699-12《火花点火式发动机燃料研究法辛烷值标准试验方法》)，在规定条件下的CFR标准发动机中以一定比例的甲烷/氢气混合气体作为标准燃料测定其辛烷值，然后再在同样条件下测定不同组成天然气的辛烷值；当两者的抗爆性相同时，标准燃料中甲烷的体积分数值即为该组成天然气的甲烷值。以AVL法测定的各种纯气体的甲烷值如表 3所示。
表 3
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表 3 纯气体的甲烷值
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天然气的甲烷值超过100后，采用甲烷/二氧化碳混合气体作为标准燃料，并以二氧化碳在混合气体中的百分数值加上100来表示甲烷值。例如，与甲烷/二氧化碳体积比为90/10标准燃料的抗爆性相当的天然气，其甲烷值为110。天然气中常见的惰性组分氮气也会使其甲烷值有所提高，而提高的数值约为氮气体积分数值的1/3。例如，与甲烷/氮气体积比为94/6标准燃料的抗爆性相当的天然气，其甲烷值为102。表 4中示出了以AVL法测定天然气甲烷值的实例。
表 4
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表 4 AVL法测定天然气甲烷值的实例
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5.3 EN 589法
ISO 15403-1：2006附录D中介绍的EN 589《车用燃料液化石油气(LPG)要求和试验方法》实际上是一种测定液化石油气(LPG)辛烷值的方法，它利用LPG的组成分析结果计算其辛烷值。此法规定：LPG试样中每个组分的摩尔分数均超过0.1%时，应使用ISO 7941《工业丙烷和丁烷气相色谱分析法》规定的方法进行测定。
LPG中每个组分的马达法辛烷值(PM)按式(1)计算：
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式中：M为表示某组分的马达法辛烷值的经验值(参见表 5)；C为表示该组分的摩尔分数，%。
表 5
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表 5 有关组分MON的经验值(M)
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由LPG中所有组分的PM加和而求得试样的马达法辛烷值(MON)，并将结果圆整至小数点后1位。
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罗勤, 陈赓良. 天然气国家标准实施指南[M]. 北京: 中国标准出版社, 2006.
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2012, Vol. 41