压缩天然气调压装置的供热探讨

摘要：随着社会的发展与进步，重视压缩天然气调压装置的供热探讨具有重要的意义。本文主要探讨压缩天然气调压装置的供热的有关内容。

　　关键词压缩天然气调压装置供热

　　Abstract: Along with the development of social development and progress, and pay attention to the compressed natural gas pressure regulating device heating discusses has the vital significance. This paper mainly discusses the compressed natural gas pressure regulating device heating related content.

　　Key words compressed natural gas pressure regulating device heating

　　

　　

　　中图分类号：U473.2+4 文献标识码：A文章编号：

　　引言

　　压缩天然气（25MPa）约为标准状态下同质量天然气体积的1/250。尽管压缩天然气能储密度比液化石油气和液化天然气低，然而作为汽车替代燃料或对难觅优质民用燃料的城市而言，由于压缩天然气生产工艺、技术、设备较简单，运输装卸方便，又在环境保护方面有明显优势，因此不失为值得选择的城镇燃气气源形式之一。

　　1、压缩天然气的简介

　　压缩天然气（Compressed Natural Gas,简称CNG）是天然气加压并以气态储存在容器中。压缩天然气除了可以用油田及天然气田里的天然气外，还可以人工制造生物沼气（主要成分是甲烷）。

　　压缩天然气与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷（CH4）。CNG可作为车辆燃料使用。LNG（Liquefied Natural Gas）可以用来制作CNG，这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV（NaturalGasVehicle）。液化石油气（Liquefied Petroleum Gas,简称LPG）经常容易与LNG混淆，其实它们有明显区别。LPG的主要组分是丙烷（超过95%），还有少量的丁烷，LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，被用作民用燃料和车辆燃料。

　　1.1压缩天然气的不足

　　用CNG做为汽车燃料，虽减轻了对大气的污染，但由于天然气本身就是开采时日不多的资源加上现在城市生活的主要能源，本来就不丰富，再用在汽车上，就更加不足了。这样做还不如充分利用这匮乏的石油资源。况且现阶段石油作为汽车等的能源的现象不能改变。

　　1.2压缩天然气的优势

　　天然气每立方燃烧热值为8000大卡至8500大卡，压缩天然气的比重为2.5公斤/立方米，每立方天然气燃烧热值为20000大卡。每公斤液化气燃烧热值为11000大卡。这样可看出一立方天气燃烧热值是石油液化气的2倍。每瓶石油液化气重14.5公斤,总计燃烧热值159500大卡,相当于20立方天然气的燃烧热值。所以，天然气比石油液化气更具有经济优势。

　　2、压缩天然气调压装置的应用

　　压缩天然气(以下正文统称CNG)是指压缩到20～25MPa的天然气，其辛烷值在122～130之间。CNG(25MPa)约为标准状态下同质量天然气体积的1／300。尽管CNG能储密度比液化石油气和液化天然气低，然而作为汽车替代燃料或向难觅优质民用燃料的城镇供应燃气而言，由于CNG生产工艺、技术、设备较简单，运输装卸方便，又在环境保护方面有明显优势，因此它不失为值得选择的城镇燃气气源形式之一 CNG调压装置应用在CNG需要从高压调到低压的场合。比如城镇CNG供应站。

　　压缩天然气的应用：

　　压缩天然气是一种最理想的车用替代能源，其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。天然气加气站一般分为三个基本类型，即快速充装型，普通（慢速）充装及两者的混合型。

　　压缩天然气还应用于城市燃气事业，特别是居民生活用燃料。随着人民生活水平的提高及环保意识的增强，大部分城市对天然气的需求明显增加。天然气（管道天然气）作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。

　　3、压缩天然气调压装置中调压部分的工艺流程

　　 CNG调压装置可集成为一体化设备，进口压力一般不大于20MPa。CNG调压装置由调压器、高压切断阀、放散阀、换热器及截止阀等组成．可分为二级调压和三级调压，设备和仪表大同小异，仅在压力调节参数上有所不同。CNG调压装置的调压参数为：一级调压从20MPa减至3．0～7．5MPa，二级调压减至1．6～2．5MPa，三级调压减至0．1~0．4MPa。CNG调压装置的三级调压工艺流程如图1所示。CNG调压装置一般还包括计量和加臭部分。CNG调压装置出口温度控制在10～20℃之间。以热水作为热源供CNG在一、二级调压换热所需的热量补偿，通常进水温度取65～85℃，回水温度取60℃ 。

　　

　　4、压缩天然气调压装置供热量的计算

　　在CNG调压装置里．选用了许多阀门和调压器等节流设备，这些节流设备前后有较大的压力降，CNG流过时会发生焦耳一汤姆逊效应，即绝热节流膨胀过程。焦耳一汤姆逊对理想气体绝热节流试验表明，气流在试验区段内不作外功，节流过程是初、终态焓值相等的降压过程，温度不发生变化。但是在实际气体的节流过程中．在压力降低的情况下会出现温度变化，其大小和方向同当时气体的压力与温度有关。研究表明，大多数在常温下的高压气体进行节流降压，其温度总是降低的。因此，CNG节流膨胀时温度会下降，必须给CNG提供热量，以抵消CNG发生焦耳一汤姆逊效应引起的温降。CNG调压装置里换热器的热交换功率可以按式(1)计算：

　　

　　

　　5、CNG 绝热节流膨胀过程

　　由于在 CNG 供应系统中选用了许多阀门和调压器等节流设备，这些节流设备前后有较大的压力降， CNG 温度出现较大变化，即发生焦尔一汤姆逊效应。温度下降可能导致 CNG 气相组分结露冰塞的问题，因此需设置加热装置。

　　（一）标准依据

　　天然气经节流降压后会产生降温冷却即节流效应，也称焦尔一汤姆逊效应。《城镇燃气设计规范》GB 50028 —2006 指出“调压装置应根据燃气流量、压力降等工艺条件确定设置加热装置”。

　　（二）计算方法步骤

　　 1、计算天然气降压后的温度

　　为了确定天然气是否需要进行加热，首先要计算出天然气降压后的温度。

　　( l ）计算焦尔一汤姆逊系数

　　为了计算天然气降压后的温度，要根据天然气的成分、调压前的压力 Pl 和温度 Tl 、调压后的压力P2计算焦尔一汤姆逊系数。

　　气体在绝热节流过程中发生的温度变化，用焦尔一汤姆逊系数来衡量。气体节流膨胀其温度变化称为焦尔一汤姆逊系数，也称节流效应系数，用表示。其物理意义为单位压降下温度变化值，单位为（K. m2 ) / N ，即 K / Pa 。

　　

　　确定值的方法很多。下面介绍的图解法是根据图 8-4 来确定的。该图的纵坐标为下列视对比状态参数表示的关系式的值：




                    　　

　　

　　另外，管输天然气中，当甲烷的体积含量大于 85%时，焦耳一汤姆逊系数可按式 ( 8- 2 ）计算。

　　

　　式中：―焦耳汤姆逊系数， K / MPa；

　　Cp ― 节流前状态下天然气的定压质量比热， kJ / ( kg · K )；

　　 T －节流前天然气的温度， K 。

　　(2)计算降压后的温度

　　求得焦尔一汤姆逊系数后，即可求得调压降压后的温度T2（ K ）。

　　即

　　

　　

　　2、判断是否需要加热

　　根据计算所得调压降压后的天然气温度 t2 （T2-273 ) ，考虑是否需要加热和需要加热后的温度。

　　（1）根据进站天然气（给定压力）的水露点t1，换算出调压后压力 p2状态下的水露点。换算的方法很多，用图 8-5 换算比较简单。

　　首先依照气源（末站）资料给出的给定压力状态下的水露点在图 8-5 上查得天然气相应的水含量，然后以相同含水量查得调压后压力 p2下的饱和温度即露点。如果计算所得t2高于不需加热；如果 t2 低于则需考虑进行加热。一般加热后的天然气调压降温后温度应比水露点式高 3~5 ℃ 。

　　（2）根据门站所处的外部环境和气象条件、需要防止管外大量结冰时，当调压后的天然气温度t2低于0℃ 或更低时，需要加热。加热后的天然气调压后的温度应为 3 ~5 ℃。

　　3、计算加热量

　　（1）为了提高调压降温后的天然气温度，需在调压前对天然气进行加热。加热前的温度为 t1 ，加热后的温度为，其关系如下式：

　　

　　式中― 加热后的天然气经调压降温后需达到的温度， ℃ ；

　　t2 ― 计算所得调压降压后的天然气温度， ℃ 。

　　( 2 ）加热量q可按下式计算

　　

　　

　　天然气的流量按加热季节天然气日平均小时流量。

　　 4、根据计算所需加热量选择加热锅炉和换热器

　　（1）加热天然气的热源多选择天然气热水锅炉或蒸汽锅炉，一般不选择设备用锅炉。换热器多采用管式水-气换热和汽-气换热器。根据所需热负荷采用标准定型锅炉和换热器。

　　（2）天然气换热的换热器与不加热时的管路并联设置并设置相应的关断阀门，不加热时天然气不经换热器运行。

　　

　　

　　5、注意的问题

　　上述调压装置可以根据工程的需要引出3个不同的压力等级以满足不同的压力需要。工程中应用上述原理，也可自行设计调压装置来满足特定的工程需要。另外．由于焦耳一汤姆逊系数并不是常数。而是天然气压力和温度的函数，计算节流过程的温降应该用积分方法，如取4℃／MPa作为焦耳一汤姆逊系数，由式(1)计算得出的结果会有较大偏差，但可满足一般的工程需要，式(1)和式(2)相结合分段进行积分．可得到比较精确的数值。

　　结束语

　　随着人们生活水平的提高，对压缩天然气调压装置的供热的技术要求也越来越高，因此，我们应加强对压缩天然气调压装置的供热技术的研究，为此尽自己的一份力。

　　参考文献

　　[1] 严铭卿，廉乐明，等．天然气输配工程[M]．北京：中国建筑工业出版社。2005．

　　[2] 严铭卿．燃气工程设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社。2009．

　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。