壓縮天然氣調(diào)壓裝置的供熱

潘能智

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530003）

1 壓縮天然氣調(diào)壓裝置應(yīng)用的場(chǎng)合

壓縮天然氣（以下正文統(tǒng)稱CNG）是指壓縮到20～25MPa的天然氣，其辛烷值在122～130之間。CNG（25MPa）約為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下同質(zhì)量天然氣體積的1／300。盡管CNG能儲(chǔ)密度比液化石油氣和液化天然氣低，然而作為汽車替代燃料或向難覓優(yōu)質(zhì)民用燃料的城鎮(zhèn)供應(yīng)燃?xì)舛裕捎贑NG生產(chǎn)工藝、技術(shù)、設(shè)備較簡(jiǎn)單，運(yùn)輸裝卸方便，又在環(huán)境保護(hù)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，因此它不失為值得選擇的城鎮(zhèn)燃?xì)鈿庠葱问街弧NG調(diào)壓裝置應(yīng)用在CNG需要從高壓調(diào)到低壓的場(chǎng)合，比如城鎮(zhèn)CNG供應(yīng)站。

2 壓縮天然氣調(diào)壓裝置中調(diào)壓部分的工藝流程

CNG調(diào)壓裝置可集成為一體化設(shè)備，進(jìn)口壓力一般不大于20MPa。CNG調(diào)壓裝置由調(diào)壓器、高壓切斷閥、放散閥、換熱器及截止閥等組成，可分為二級(jí)調(diào)壓和三級(jí)調(diào)壓，設(shè)備和儀表大同小異，僅在壓力調(diào)節(jié)參數(shù)上有所不同。CNG調(diào)壓裝置的調(diào)壓參數(shù)為：一級(jí)調(diào)壓從20MPa減至3.0～7.5MPa，二級(jí)調(diào)壓減至 1.6～2.5MPa，三級(jí)調(diào)壓減至 0.1～0.4MPa。 CNG 調(diào)壓裝置的三級(jí)調(diào)壓工藝流程如圖1所示。

CNG調(diào)壓裝置一般還包括計(jì)量和加臭部分。CNG調(diào)壓裝置出口溫度控制在10～20℃之間，以熱水作為熱源供CNG在一、二級(jí)調(diào)壓換熱所需的熱量補(bǔ)償，通常進(jìn)水溫度取65～85℃，回水溫度取60℃。

圖1 CNG調(diào)壓裝置（三級(jí)）流程圖

3 壓縮天然氣調(diào)壓裝置供熱量的計(jì)算

在CNG調(diào)壓裝置里，選用了許多閥門和調(diào)壓器等節(jié)流設(shè)備，這些節(jié)流設(shè)備前后有較大的壓力降，CNG流過時(shí)會(huì)發(fā)生焦耳－湯姆遜效應(yīng)，即絕熱節(jié)流膨脹過程。

焦耳－湯姆遜對(duì)理想氣體絕熱節(jié)流試驗(yàn)表明，氣流在試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)不作外功，節(jié)流過程是初、終態(tài)焓值相等的降壓過程，溫度不發(fā)生變化。但是在實(shí)際氣體的節(jié)流過程中，在壓力降低的情況下會(huì)出現(xiàn)溫度變化，其大小和方向同當(dāng)時(shí)氣體的壓力與溫度有關(guān)。研究表明，大多數(shù)在常溫下的高壓氣體進(jìn)行節(jié)流降壓，其溫度總是降低的。因此，CNG節(jié)流膨脹時(shí)溫度會(huì)下降，必須給CNG提供熱量，以抵消CNG發(fā)生焦耳－湯姆遜效應(yīng)引起的溫降。

CNG調(diào)壓裝置里換熱器的熱交換功率可以按式（1）計(jì)算：

式中：Q——熱功率，kJ·h－1；

qn——標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3·h－1：

Cp——?dú)怏w定壓比熱，kJ·（m3·℃）－1；

Δt——通過調(diào)壓設(shè)備的溫差，℃；

ΔP——降壓前后的降力差，MPa；

d t／d p——焦耳-湯姆遜效應(yīng)，℃·MPa－1，對(duì)于天然氣，工程上一般取 4℃·MPa－1。

天然氣（甲烷）絕熱節(jié)流溫降可按式（2）計(jì)算（由于Z的Gopal表達(dá)式中的系數(shù)是分段給出的，所以絕熱節(jié)流溫降也需分段計(jì)算）：

式中：Pe，Te——絕熱節(jié)流后甲烷壓力，MPa，溫度，K；

Ps，Ts——絕熱節(jié)流前甲烷壓力，MPa，溫度，K；

Pc——甲烷臨界壓力，MPa；

Tc——甲烷臨界溫度，K；

R——甲烷的氣體常數(shù)，kJ·（kg·K）－1；

cp——甲烷的定壓比熱，kJ·（kg·K）－1；

A，C——甲烷壓縮因子Z的Gopal表達(dá)式中的系數(shù)。可查相關(guān)表格。

4 注意的問題

上述調(diào)壓裝置可以根據(jù)工程的需要引出3個(gè)不同的壓力等級(jí)以滿足不同的壓力需要。工程中應(yīng)用上述原理，也可自行設(shè)計(jì)調(diào)壓裝置來滿足特定的工程需要。

另外，由于焦耳－湯姆遜系數(shù)并不是常數(shù)，而是天然氣壓力和溫度的函數(shù)，計(jì)算節(jié)流過程的溫降應(yīng)該用積分方法，如取4℃／MPa作為焦耳－湯姆遜系數(shù)，由式（1）計(jì)算得出的結(jié)果會(huì)有較大偏差，但可滿足一般的工程需要，式（1）和式（2）相結(jié)合分段進(jìn)行積分，可得到比較精確的數(shù)值。

［1］ 嚴(yán)銘卿，廉樂明，等.天然氣輸配工程［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［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，2009.