CNG储配站加热量计算方法的比较_技术研究

摘要

对于CNG储配站的加热装置，总结比较2种加热量计算方法——工程经验法、查状态图法，工程经验法在高压阶段的计算结果比查状态图法低36％，差别较大；而在较低压力阶段高17％，差别有所减小。

摘　要：对于CNG储配站的加热装置，总结比较2种加热量计算方法——工程经验法、查状态图法，工程经验法在高压阶段的计算结果比查状态图法低36％，差别较大；而在较低压力阶段高17％，差别有所减小。总结比较3种温度降计算方法——工程经验法、查状态图法、严铭卿设计手册法，工程经验法的温度降最大，比查状态图法高出13％，严铭卿设计手册法次之，仅高出5％。虽然严铭卿设计手册法计算过程复杂，但可用于减小查状态图读数时的人为误差。

关键词：CNG储配站；加热量；节流效应；温度降

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储配站是指以CNG作为气源，向燃气管网供应天然气的厂站^[1]。压缩天然气通过储配站调压后以中压输送至燃气管网，压缩天然气在调压过程中由于焦耳一汤姆逊效应(节流效应)温度急剧下降，为避免天然气在调压过程中温度过低而损坏设备，在工程中一般在每一级调压前对天然气进行加热，以保证在调压后天然气温度不低于5℃。故加热装置是整个储配站正常运行不可或缺的重要设备之一，其加热效果直接影响了天然气的出口温度以及输送过程中的安全性。加热装置是储配站的主要耗能设备。故加热装置的加热量计算是储配站设备选型的基础，也是工程经济分析的重要组成部分。

2　储配站工艺流程

压缩天然气气瓶车在母站充装压缩天然气后通过公路运输进入CNG储配站，通过专用高压软管与卸气柱相连，气瓶车内的压缩天然气经调压装置调压后送入燃气管网供用户使用。具体过程为：进口压力约22MPa的压缩天然气经过装置入口高压球阀、过滤器、紧急切断阀后，在一级加热装置进行加热，加热后的压缩天然气经过一级调压设备，压力降为5.6MPa，然后进入二级加热装置，加热后的天然气再经过二级调压设备，压力降为0.1MPa，进入城镇中压管网。调压装置工艺设计参数见表1。

3　工程经验法加热量计算

CNG储配站对天然气的加热，是为了弥补气体发生焦耳-汤姆逊效应(节流效应)引起的温度降。加热装置的热流量计算公式^[2]578-580如下：

F＝qVrcp(Dpm+t2-t1) 　　　 (1)

式中F——热流量，W

qV——天然气体积流量(标准状态)，m³／s

r——标准状态天然气密度，kg／m³

cp——天然气比定压热容，J／(kg·K)

Dp——调压前后的压力差，Mpa

m——焦耳-汤姆逊系数，℃／Mpa

t2——调压后的天然气温度，℃

t1——调压前的天然气温度，℃

式(1)中，m值可以根据天然气的状态图来确定。若m为常量，则根据气体的性质和状态就可以确定加热所需热流量。故焦耳一汤姆逊系数的确定是公式法计算加热装置热流量的关键。根据焦耳-汤姆逊系数的定义条件，绝热节流过程其焓不变，已知初态压力p1、温度t1，可确定气体初态的比焓，由绝热节流过程焓不变和节流后的压力p2，可确定终态温度t2。焦耳-汤姆逊系数平均值可按下式求得：

m＝(t2-t1)/(p2-p1)　　　　(2)

在工程中常把焦耳一汤姆逊系数近似取常量，对于压缩天然气，其值约为4℃／MPa，这样根据天然气的已知参数可计算所需的加热量。

例如，储配站供气能力按2000m³／h设计，根据表1的设计参数，焦耳一汤姆逊系数取4℃／MPa，平均比定压热容cp＝2300J／(kg·K)，每级调压前后CNG的平均温度差(t2-t1)取5℃，根据公式(1)计算得：第一级加热所需热流量为64.7kW，第二级加热所需热流量为24.7kW，理论总加热热流量为89.4kW。实际应用中总加热热流量在理论计算值的基础上考虑15％～20％的裕量。

由以上的计算过程可知，工程经验法计算中我们采取了一些假设。在实际工程中，气体的比定压热容cp以及焦耳-汤姆逊系数m均不为常量，而是气体温度和压力的函数。因此，由公式(1)进行计算得出的结果会有很大的偏差。

4　查状态图法加热量计算

图1为加热调压过程天然气的压一焓图，图中p为压力，h为比焓。由图1可以看出，压缩天然气在调压过程中，先经由初始状态4等压加热至状态B(一级加热过程)。由状态8至状态C过程(一级调压过程)，由于节流效应，气体温度迅速降低。降低温度后的天然气进入二级等压加热过程，温度升高，至状态D；在二级调压过程中，气体节流膨胀，温度降低，至状态E。以表1中的参数为例，一级调压后气体压力为5.6MPa，为保证系统的正常运行，设计时一级调压后出口温度取5℃。由甲烷压-焓图^[3]查得5.6MPa、5℃时的甲烷的比焓约为513kJ／kg，由于调压过程为等焓过程，查得为保证一级调压后温度，一级调压前气体需要加热至48℃。同理，查得二级调压前气体需要加热至30℃。

由图1可见，储配站的加热量实际为两级等压加热过程需热量之和，其中一级加热量为将22.0MPa的天然气从-19℃(按照华北地区工程经验值)升温至48℃所需热流量，二级加热量为将5.6MPa的天然气从5℃升温至30℃所需热流量。

在等压加热过程中，气体吸收的热量等于气体焓的变化。热流量和比焓的关系可用下式表示：

F＝qVr(h2-h1) 　　 (3)

式中h2——气体加热后的比焓，kJ／kg

H1——气体加热前的比焓，kJ／kg

不同温度、压力下甲烷的比焓见表2。

根据公式(3)计算得：第一级加热所需热流量为101.3kW，第二级加热所需热流量为21.0kW，理论总加热热流量为122.3kW。

工程经验法与查状态图法比较，一级加热所需的热流量比查状态图法低36.6kW；而在二级加热阶段高3.7kW。可见两种方法计算结果在高压阶段有较大的差别，在较低压力阶段差别较小。

5　绝热节流温降计算

通过查状态图法查得的绝热节流过程(等焓过程)调压前后的温度是换热计算的基础，而查状态图法虽然以已知数据作为查图基础，但压一焓图中读数会因个人差异有所偏差。对于绝热节流温降，文献[2]计算方法(称为严铭卿设计手册法)如下：

式中Te——绝热节流后甲烷温度，K

Ts——绝热节流前甲烷温度，K

Rg——甲烷的气体常数，kJ／(kg·K)

cp——甲烷的比定压热容，kJ／(kg·K)

Tc——甲烷临界温度，K

A，C——甲烷压缩因子Z的Gopal表达中的系数

pc——甲烷临界压力，Mpa

pc——绝热节流前甲烷绝对压力，Mpa

ps——绝热节流后甲烷绝对压力，Mpa

由于调压前后压力、调压前温度均为已知参数，由公式(4)可以计算得出绝热节流后的温度。

以表1中参数为例，进口压力为22.0MPa，进口温度为-19℃，出口压力为5.6MPa，cp＝2.3kJ／(kg·K)，压缩天然气不经加热的情况下，计算得一级调压后温度为-79.9℃。即一级调压过程温度降低了60.9℃。

取相同的设计参数，采用工程经验法和查状态图法分别进行一级调压过程温度降计算，焦耳-汤姆逊系数取4℃／MPa，相同压力降下，工程经验法计算得到的温度降为65.6℃；查状态图法得到的温度降约58℃。与查状态图法相比，严铭卿设计手册法计算结果高2.9℃；工程经验法高7.6℃。显然严铭卿设计手册法的计算结果与查状态图法更为接近。工程经验法与查状态图法虽然有约13％的误差，但考虑实际应用中我们总是在理论计算值的基础上考虑15％～20％的裕量，所以此结果也可在工程允许范围内。