摘　要：對(duì)于CNG儲(chǔ)配站的加熱裝置，總結(jié)比較2種加熱量計(jì)算方法——工程經(jīng)驗(yàn)法、查狀態(tài)圖法，工程經(jīng)驗(yàn)法在高壓階段的計(jì)算結(jié)果比查狀態(tài)圖法低36％，差別較大；而在較低壓力階段高17％，差別有所減小?？偨Y(jié)比較3種溫度降計(jì)算方法——工程經(jīng)驗(yàn)法、查狀態(tài)圖法、嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法，工程經(jīng)驗(yàn)法的溫度降最大，比查狀態(tài)圖法高出13％，嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法次之，僅高出5％。雖然嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，但可用于減小查狀態(tài)圖讀數(shù)時(shí)的人為誤差。

關(guān)鍵詞：CNG儲(chǔ)配站；  加熱量；  節(jié)流效應(yīng)；  溫度降

Comparison of Calculation Methods of Heating Quantity in CNG Storage and Distribution Station

Abstract：Two kinds of calculation methods of heating quantity of heating devices in CNG storage and distribution station，including engineering experience method and state diagram method are summarized and compared．The calculation result of the engineering experience method is 36％in high pressure stage lower than the state diagram method，show i ng significant difference and l7％in low pressure stage higher than the state diagram method，showing reduced difference．Three kinds of calculation methods of temperature drop，including engineering experience method，state diagram method and YAN Mingqing design manual method are summarized and compared．The temperature drop in the engineering experience method is maximum，13％higher than the state diagram method．followed by YAN Mingqing design manual method，only 5％higher than the state diagram method．Although the calculation process of YAN Mingqing design manual method is complex，it can be used to reduce the human error of reading a state diagram．

Keywords：CNG storage and distribution station；heating quantity；throttling effect；temperature drop

1　概述

CNG儲(chǔ)配站是指以CNG作為氣源，向燃?xì)夤芫W(wǎng)供應(yīng)天然氣的廠站^[1]。壓縮天然氣通過(guò)儲(chǔ)配站調(diào)壓后以中壓輸送至燃?xì)夤芫W(wǎng)，壓縮天然氣在調(diào)壓過(guò)程中由于焦耳一湯姆遜效應(yīng)(節(jié)流效應(yīng))溫度急劇下降，為避免天然氣在調(diào)壓過(guò)程中溫度過(guò)低而損壞設(shè)備，在工程中一般在每一級(jí)調(diào)壓前對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，以保證在調(diào)壓后天然氣溫度不低于5℃。故加熱裝置是整個(gè)儲(chǔ)配站正常運(yùn)行不可或缺的重要設(shè)備之一，其加熱效果直接影響了天然氣的出口溫度以及輸送過(guò)程中的安全性。加熱裝置是儲(chǔ)配站的主要耗能設(shè)備。故加熱裝置的加熱量計(jì)算是儲(chǔ)配站設(shè)備選型的基礎(chǔ)，也是工程經(jīng)濟(jì)分析的重要組成部分。

2　儲(chǔ)配站工藝流程

壓縮天然氣氣瓶車在母站充裝壓縮天然氣后通過(guò)公路運(yùn)輸進(jìn)入CNG儲(chǔ)配站，通過(guò)專用高壓軟管與卸氣柱相連，氣瓶車內(nèi)的壓縮天然氣經(jīng)調(diào)壓裝置調(diào)壓后送入燃?xì)夤芫W(wǎng)供用戶使用。具體過(guò)程為：進(jìn)口壓力約22MPa的壓縮天然氣經(jīng)過(guò)裝置入口高壓球閥、過(guò)濾器、緊急切斷閥后，在一級(jí)加熱裝置進(jìn)行加熱，加熱后的壓縮天然氣經(jīng)過(guò)一級(jí)調(diào)壓設(shè)備，壓力降為5.6MPa，然后進(jìn)入二級(jí)加熱裝置，加熱后的天然氣再經(jīng)過(guò)二級(jí)調(diào)壓設(shè)備，壓力降為0.1MPa，進(jìn)入城鎮(zhèn)中壓管網(wǎng)。調(diào)壓裝置工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

3　工程經(jīng)驗(yàn)法加熱量計(jì)算

CNG儲(chǔ)配站對(duì)天然氣的加熱，是為了彌補(bǔ)氣體發(fā)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)(節(jié)流效應(yīng))引起的溫度降。加熱裝置的熱流量計(jì)算公式^[2]578-580如下：

F＝qVrcp(Dpm+t2-t1) 　　　   (1)

式中F——熱流量，W

qV——天然氣體積流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，m³／s

r——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)天然氣密度，kg／m³

cp——天然氣比定壓熱容，J／(kg·K)

Dp——調(diào)壓前后的壓力差，Mpa

m——焦耳-湯姆遜系數(shù)，℃／Mpa

t2——調(diào)壓后的天然氣溫度，℃

t1——調(diào)壓前的天然氣溫度，℃

式(1)中，m值可以根據(jù)天然氣的狀態(tài)圖來(lái)確定。若m為常量，則根據(jù)氣體的性質(zhì)和狀態(tài)就可以確定加熱所需熱流量。故焦耳一湯姆遜系數(shù)的確定是公式法計(jì)算加熱裝置熱流量的關(guān)鍵。根據(jù)焦耳-湯姆遜系數(shù)的定義條件，絕熱節(jié)流過(guò)程其焓不變，已知初態(tài)壓力p1、溫度t1，可確定氣體初態(tài)的比焓，由絕熱節(jié)流過(guò)程焓不變和節(jié)流后的壓力p2，可確定終態(tài)溫度t2。焦耳-湯姆遜系數(shù)平均值可按下式求得：

m＝(t2-t1)/(p2-p1)　　　　(2)

在工程中常把焦耳一湯姆遜系數(shù)近似取常量，對(duì)于壓縮天然氣，其值約為4℃／MPa，這樣根據(jù)天然氣的已知參數(shù)可計(jì)算所需的加熱量。

例如，儲(chǔ)配站供氣能力按2000m³／h設(shè)計(jì)，根據(jù)表1的設(shè)計(jì)參數(shù)，焦耳一湯姆遜系數(shù)取4℃／MPa，平均比定壓熱容cp＝2300J／(kg·K)，每級(jí)調(diào)壓前后CNG的平均溫度差(t2-t1)取5℃，根據(jù)公式(1)計(jì)算得：第一級(jí)加熱所需熱流量為64.7kW，第二級(jí)加熱所需熱流量為24.7kW，理論總加熱熱流量為89.4kW。實(shí)際應(yīng)用中總加熱熱流量在理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上考慮15％～20％的裕量。

由以上的計(jì)算過(guò)程可知，工程經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算中我們采取了一些假設(shè)。在實(shí)際工程中，氣體的比定壓熱容cp以及焦耳-湯姆遜系數(shù)m均不為常量，而是氣體溫度和壓力的函數(shù)。因此，由公式(1)進(jìn)行計(jì)算得出的結(jié)果會(huì)有很大的偏差。

4　查狀態(tài)圖法加熱量計(jì)算

圖1為加熱調(diào)壓過(guò)程天然氣的壓一焓圖，圖中p為壓力，h為比焓。由圖1可以看出，壓縮天然氣在調(diào)壓過(guò)程中，先經(jīng)由初始狀態(tài)4等壓加熱至狀態(tài)B(一級(jí)加熱過(guò)程)。由狀態(tài)8至狀態(tài)C過(guò)程(一級(jí)調(diào)壓過(guò)程)，由于節(jié)流效應(yīng)，氣體溫度迅速降低。降低溫度后的天然氣進(jìn)入二級(jí)等壓加熱過(guò)程，溫度升高，至狀態(tài)D；在二級(jí)調(diào)壓過(guò)程中，氣體節(jié)流膨脹，溫度降低，至狀態(tài)E。以表1中的參數(shù)為例，一級(jí)調(diào)壓后氣體壓力為5.6MPa，為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)一級(jí)調(diào)壓后出口溫度取5℃。由甲烷壓-焓圖^[3]查得5.6MPa、5℃時(shí)的甲烷的比焓約為513kJ／kg，由于調(diào)壓過(guò)程為等焓過(guò)程，查得為保證一級(jí)調(diào)壓后溫度，一級(jí)調(diào)壓前氣體需要加熱至48℃。同理，查得二級(jí)調(diào)壓前氣體需要加熱至30℃。

由圖1可見(jiàn)，儲(chǔ)配站的加熱量實(shí)際為兩級(jí)等壓加熱過(guò)程需熱量之和，其中一級(jí)加熱量為將22.0MPa的天然氣從-19℃(按照華北地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)值)升溫至48℃所需熱流量，二級(jí)加熱量為將5.6MPa的天然氣從5℃升溫至30℃所需熱流量。

在等壓加熱過(guò)程中，氣體吸收的熱量等于氣體焓的變化。熱流量和比焓的關(guān)系可用下式表示：

F＝qVr(h2-h1) 　   　   (3)

式中h2——氣體加熱后的比焓，kJ／kg

H1——氣體加熱前的比焓，kJ／kg

不同溫度、壓力下甲烷的比焓見(jiàn)表2。

根據(jù)公式(3)計(jì)算得：第一級(jí)加熱所需熱流量為101.3kW，第二級(jí)加熱所需熱流量為21.0kW，理論總加熱熱流量為122.3kW。

工程經(jīng)驗(yàn)法與查狀態(tài)圖法比較，一級(jí)加熱所需的熱流量比查狀態(tài)圖法低36.6kW；而在二級(jí)加熱階段高3.7kW?？梢?jiàn)兩種方法計(jì)算結(jié)果在高壓階段有較大的差別，在較低壓力階段差別較小。

5　絕熱節(jié)流溫降計(jì)算

通過(guò)查狀態(tài)圖法查得的絕熱節(jié)流過(guò)程(等焓過(guò)程)調(diào)壓前后的溫度是換熱計(jì)算的基礎(chǔ)，而查狀態(tài)圖法雖然以已知數(shù)據(jù)作為查圖基礎(chǔ)，但壓一焓圖中讀數(shù)會(huì)因個(gè)人差異有所偏差。對(duì)于絕熱節(jié)流溫降，文獻(xiàn)[2]計(jì)算方法(稱為嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法)如下：

式中Te——絕熱節(jié)流后甲烷溫度，K

Ts——絕熱節(jié)流前甲烷溫度，K

Rg——甲烷的氣體常數(shù)，kJ／(kg·K)

cp——甲烷的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

Tc——甲烷臨界溫度，K

A，C——甲烷壓縮因子Z的Gopal表達(dá)中的系數(shù)

pc——甲烷臨界壓力，Mpa

pc——絕熱節(jié)流前甲烷絕對(duì)壓力，Mpa

ps——絕熱節(jié)流后甲烷絕對(duì)壓力，Mpa

由于調(diào)壓前后壓力、調(diào)壓前溫度均為已知參數(shù)，由公式(4)可以計(jì)算得出絕熱節(jié)流后的溫度。

以表1中參數(shù)為例，進(jìn)口壓力為22.0MPa，進(jìn)口溫度為-19℃，出口壓力為5.6MPa，cp＝2.3kJ／(kg·K)，壓縮天然氣不經(jīng)加熱的情況下，計(jì)算得一級(jí)調(diào)壓后溫度為-79.9℃。即一級(jí)調(diào)壓過(guò)程溫度降低了60.9℃。

取相同的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用工程經(jīng)驗(yàn)法和查狀態(tài)圖法分別進(jìn)行一級(jí)調(diào)壓過(guò)程溫度降計(jì)算，焦耳-湯姆遜系數(shù)取4℃／MPa，相同壓力降下，工程經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算得到的溫度降為65.6℃；查狀態(tài)圖法得到的溫度降約58℃。與查狀態(tài)圖法相比，嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法計(jì)算結(jié)果高2.9℃；工程經(jīng)驗(yàn)法高7.6℃。顯然嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法的計(jì)算結(jié)果與查狀態(tài)圖法更為接近。工程經(jīng)驗(yàn)法與查狀態(tài)圖法雖然有約13％的誤差，但考慮實(shí)際應(yīng)用中我們總是在理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上考慮15％～20％的裕量，所以此結(jié)果也可在工程允許范圍內(nèi)。

由嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法同樣可計(jì)算二級(jí)減壓后的溫度，與其他方法計(jì)算結(jié)果相差不大。

6　結(jié)論與建議

6．1　結(jié)論

①熱流量的計(jì)算，工程經(jīng)驗(yàn)法在高壓階段的計(jì)算結(jié)果比查狀態(tài)圖法低36％，差別較大；而在較低壓力階段高17％，差別有所減小。

②溫度降的計(jì)算，工程經(jīng)驗(yàn)法最大，比查狀態(tài)圖法高出13％，嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法次之，僅高出5％。雖然嚴(yán)銘卿設(shè)計(jì)手冊(cè)法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，但可用于減小查圖讀數(shù)時(shí)的人為誤差。

6．2　建議

由于CNG調(diào)壓裝置均由設(shè)備廠商成套提供，工程設(shè)計(jì)過(guò)程中只需滿足加熱裝置的熱源保證，建議工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)備廠商提供的熱負(fù)荷基礎(chǔ)上通過(guò)查狀態(tài)圖法進(jìn)一步核算，并考慮一定的余量。

但作為設(shè)備廠商加熱裝置的制造依據(jù)，工程經(jīng)驗(yàn)法顯然誤差較大，尤其一級(jí)加熱過(guò)程，其計(jì)算的加熱量偏小會(huì)造成一級(jí)換熱器設(shè)計(jì)不合理，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。建議在設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中細(xì)化計(jì)算過(guò)程，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善計(jì)算過(guò)程，以確保加熱裝置為儲(chǔ)配站的正常運(yùn)行提供有力保障，降低造價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗燕，張寶慶，鄭琪．區(qū)域壓縮天然氣儲(chǔ)配站設(shè)計(jì)分析[J]．煤氣與熱力，2013，33(7)：A38-A40．

[2]嚴(yán)銘卿．燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

[3]《煤氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組．煤氣設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1983：70．

本文作者：李曼  李強(qiáng)  路尚怡

作者單位：中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司天津分院