CNG儲配站加熱量計算方法的比較

摘要

對于 CNG 儲配站的加熱裝置，總結比較 2 種加熱量計算方法——工程經驗法、查狀態圖法，工程經驗法在高壓階段的計算結果比查狀態圖法低 36 ％，差別較大；而在較低壓力階段高 17 ％，差別有所減小。總結比較 3 種溫度降計算方法——工程經驗法、查狀態圖法、嚴銘卿設計手冊法，工程經驗法的溫度降最大，比查狀態圖法高出 13 ％，嚴銘卿設計手冊法次之，僅高出 5 ％。雖然嚴銘卿設計手冊法計算過程復雜，但可用于減小查狀態圖讀數時的人為誤差。

摘　要：對于CNG儲配站的加熱裝置，總結比較2種加熱量計算方法——工程經驗法、查狀態圖法，工程經驗法在高壓階段的計算結果比查狀態圖法低36％，差別較大；而在較低壓力階段高17％，差別有所減小。總結比較3種溫度降計算方法——工程經驗法、查狀態圖法、嚴銘卿設計手冊法，工程經驗法的溫度降最大，比查狀態圖法高出13％，嚴銘卿設計手冊法次之，僅高出5％。雖然嚴銘卿設計手冊法計算過程復雜，但可用于減小查狀態圖讀數時的人為誤差。

關鍵詞：CNG儲配站；加熱量；節流效應；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 temperaturedrop，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儲配站是指以CNG作為氣源，向燃氣管網供應天然氣的廠站[1]。壓縮天然氣通過儲配站調壓后以中壓輸送至燃氣管網，壓縮天然氣在調壓過程中由于焦耳一湯姆遜效應(節流效應)溫度急劇下降，為避免天然氣在調壓過程中溫度過低而損壞設備，在工程中一般在每一級調壓前對天然氣進行加熱，以保證在調壓后天然氣溫度不低于5℃。故加熱裝置是整個儲配站正常運行不可或缺的重要設備之一，其加熱效果直接影響了天然氣的出口溫度以及輸送過程中的安全性。加熱裝置是儲配站的主要耗能設備。故加熱裝置的加熱量計算是儲配站設備選型的基礎，也是工程經濟分析的重要組成部分。

2　儲配站工藝流程

壓縮天然氣氣瓶車在母站充裝壓縮天然氣后通過公路運輸進入CNG儲配站，通過專用高壓軟管與卸氣柱相連，氣瓶車內的壓縮天然氣經調壓裝置調壓后送入燃氣管網供用戶使用。具體過程為：進口壓力約22MPa的壓縮天然氣經過裝置入口高壓球閥、過濾器、緊急切斷閥后，在一級加熱裝置進行加熱，加熱后的壓縮天然氣經過一級調壓設備，壓力降為5.6MPa，然后進入二級加熱裝置，加熱后的天然氣再經過二級調壓設備，壓力降為0.1MPa，進入城鎮中壓管網。調壓裝置工藝設計參數見表1。

3　工程經驗法加熱量計算

CNG儲配站對天然氣的加熱，是為了彌補氣體發生焦耳-湯姆遜效應(節流效應)引起的溫度降。加熱裝置的熱流量計算公式[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(標準狀態)，m3／s

r——標準狀態天然氣密度，kg／m3

cp——天然氣比定壓熱容，J／(kg·K)

Dp——調壓前后的壓力差，Mpa

m——焦耳-湯姆遜系數，℃／Mpa

t2——調壓后的天然氣溫度，℃

t1——調壓前的天然氣溫度，℃

式(1)中，m值可以根據天然氣的狀態圖來確定。若m為常量，則根據氣體的性質和狀態就可以確定加熱所需熱流量。故焦耳一湯姆遜系數的確定是公式法計算加熱裝置熱流量的關鍵。根據焦耳-湯姆遜系數的定義條件，絕熱節流過程其焓不變，已知初態壓力p1、溫度t1，可確定氣體初態的比焓，由絕熱節流過程焓不變和節流后的壓力p2，可確定終態溫度t2。焦耳-湯姆遜系數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近似取常量，對于壓縮天然氣，其值約為4℃／MPa，這樣根據天然氣的已知參數可計算所需的加熱量。

例如，儲配站供氣能力按2000m3／h設計，根據表1的設計參數，焦耳一湯姆遜系數取4℃／MPa，平均比定壓熱容cp＝2300J／(kg·K)，每級調壓前后CNG的平均溫度差(t2-t1)取5℃，根據公式(1)計算得：第一級加熱所需熱流量為64.7kW，第二級加熱所需熱流量為24.7kW，理論總加熱熱流量為89.4kW。實際應用中總加熱熱流量在理論計算值的基礎上考慮15％～20％的裕量。

由以上的計算過程可知，工程經驗法計算中我們采取了一些假設。在實際工程中，氣體的比定壓熱容cp以及焦耳-湯姆遜系數m均不為常量，而是氣體溫度和壓力的函數。因此，由公式(1)進行計算得出的結果會有很大的偏差。

4　查狀態圖法加熱量計算

圖1為加熱調壓過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，壓縮天然氣在調壓過程中，先經由初始狀態4等壓加熱至狀態B(一級加熱過程)。由狀態8至狀態C過程(一級調壓過程)，由于節流效應，氣體溫度迅速降低。降低溫度后的天然氣進入二級等壓加熱過程，溫度升高，至狀態D；在二級調壓過程中，氣體節流膨脹，溫度降低，至狀態E。以表1中的參數為例，一級調壓后氣體壓力為5.6MPa，為保證系統的正常運行，設計時一級調壓后出口溫度取5℃。由甲烷壓-焓圖[3]查得5.6MPa、5℃時的甲烷的比焓約為513kJ／kg，由于調壓過程為等焓過程，查得為保證一級調壓后溫度，一級調壓前氣體需要加熱至48℃。同理，查得二級調壓前氣體需要加熱至30℃。

CNG儲配站加熱量計算方法的比較

由圖1可見，儲配站的加熱量實際為兩級等壓加熱過程需熱量之和，其中一級加熱量為將22.0MPa的天然氣從-19℃(按照華北地區工程經驗值)升溫至48℃所需熱流量，二級加熱量為將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表2。

CNG儲配站加熱量計算方法的比較

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

工程經驗法與查狀態圖法比較，一級加熱所需的熱流量比查狀態圖法低36.6kW；而在二級加熱階段高3.7kW。可見兩種方法計算結果在高壓階段有較大的差別，在較低壓力階段差別較小。

5　絕熱節流溫降計算

通過查狀態圖法查得的絕熱節流過程(等焓過程)調壓前后的溫度是換熱計算的基礎，而查狀態圖法雖然以已知數據作為查圖基礎，但壓一焓圖中讀數會因個人差異有所偏差。對于絕熱節流溫降，文獻[2]計算方法(稱為嚴銘卿設計手冊法)如下：

CNG儲配站加熱量計算方法的比較

式中Te——絕熱節流后甲烷溫度，K

Ts——絕熱節流前甲烷溫度，K

Rg——甲烷的氣體常數，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表達中的系數

pc——甲烷臨界壓力，Mpa

pc——絕熱節流前甲烷絕對壓力，Mpa

ps——絕熱節流后甲烷絕對壓力，Mpa

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

以表1中參數為例，進口壓力為22.0MPa，進口溫度為-19℃，出口壓力為5.6MPa，cp＝2.3kJ／(kg·K)，壓縮天然氣不經加熱的情況下，計算得一級調壓后溫度為-79.9℃。即一級調壓過程溫度降低了60.9℃。

取相同的設計參數，采用工程經驗法和查狀態圖法分別進行一級調壓過程溫度降計算，焦耳-湯姆遜系數取4℃／MPa，相同壓力降下，工程經驗法計算得到的溫度降為65.6℃；查狀態圖法得到的溫度降約58℃。與查狀態圖法相比，嚴銘卿設計手冊法計算結果高2.9℃；工程經驗法高7.6℃。顯然嚴銘卿設計手冊法的計算結果與查狀態圖法更為接近。工程經驗法與查狀態圖法雖然有約13％的誤差，但考慮實際應用中我們總是在理論計算值的基礎上考慮15％～20％的裕量，所以此結果也可在工程允許范圍內。