混空輕烴燃氣動力黏度計算研究

梁遠橋，李遠玲，朱璟琦，劉家豪，劉 濤，宋光輝

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710000；2.寶雞文理學院，陜西 寶雞 721000）

CJ／T341-2010《混空輕烴燃氣》［1］給出了混空輕烴燃氣的定義，混空輕烴燃氣是以液相輕烴為原料，通過氣化裝置氣化后與空氣按照一定比例均勻混合得到的混合氣體燃氣。我國天然氣資源短缺，進口依賴度超過30%［2］，嚴重制約居民、商業和工業用氣，威脅我國能源戰略安全。輕烴原料可以在常溫下以液態運輸，在偏遠城鎮和鄉村等沒有條件使用天然氣管網供氣的不便地帶，建立混空輕烴燃氣點狀分布式能源供應系統可有效解決類似地區無法用氣的問題。

混空輕烴燃氣是一種新型摻混燃氣，文獻 ［3］對混空輕烴燃氣的互換性、混合比、輸氣壓力等方面和以天然氣為主流的燃氣管網做了比較，但沒有研究燃氣動力黏度對管網輸送的影響。在物性參數研究方面，文獻［4-6］對混空輕烴燃氣的密度、露點、爆炸極限等工質參數做了重要補充，尚無混空輕烴燃氣的動力黏度相關理論計算和實驗測定的研究。在燃氣輸送方面，文獻［7］針對油氣田輕烴輸送問題提出順序輸送的解決方案，研究過程并未提出混合烴類動力黏度計算方法。本工作結合混空輕烴燃氣特性，依據混合氣體動力黏度計算法則，計算出不同混合比下混空輕烴燃氣的動力黏度，對比得出混空輕烴燃氣動力黏度的計算方法，為今后相關研究提供數據參考。

1 燃氣混合比的確定

混空輕烴燃氣制備原料為石油天然氣工業的烴類副產品油，經過氣化裝置氣化后與空氣按照一定比例均勻混合得到混合燃氣。本次研究采用某公司提供的戊烷油原料，實驗室化驗后，主要為C4～C6的輕烴成分，各組分質量分數如下：正戊烷 （n-C5H12）為 44.35%，異戊烷 （i-C5H12）為54.05%，C6組分為1%，C4組分為0.6%。考慮C6、C4組分含量較少，計算時簡化為正己烷 （n-C6H14）和正丁烷 （n-C4H10）。現有研究結果表明［8］，混空輕烴燃氣相比天然氣等其它燃氣露點溫度較高，容易因局部溫度過低、濃度過高、工藝變化導致燃氣制備和輸送過程中管道產生凝液，不利于管道輸送和燃氣安全。混合比、壓力和溫度也會影響混空輕烴燃氣露點溫度，據文獻［9，10］研究結果，當空氣和氣化的輕烴燃氣體積比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1時的混空輕烴燃氣露點為 13℃、-3.3℃、-2.5℃、-7.5℃、-11.4℃。隨著壓力升高，混空輕烴燃氣的露點升高。混空輕烴燃氣的露點溫度較高是其燃氣特性，在制備和輸送過程中適合在中壓B級及以下壓力級別運行。居民樓宇燃氣壓力一般為低壓，過大的空氣和燃氣混合比會導致熱值不足，導致用戶使用燃具加熱時間過長。綜合考慮本工作采用空氣與燃氣混合體積比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1下的工況計算混空輕烴燃氣動力黏度。

2 混合氣體動力黏度計算方法

2.1 低壓燃氣黏度估算法

《燃氣工程手冊》［11］提供一種經驗公式計算混合氣體動力黏度，已知混合氣體各純組分動力黏度。混合氣體動力黏度按下式計算：

式中：μ為混合氣體在0℃時的黏度值，Pa·s；wi為混合氣體組分i的質量分數，%；μi為混合氣體組分i在0℃時的黏度值，Pa·s。

絕對壓力小于1MPa時，壓力對動力黏度的影響可以忽略不計，溫度對動力黏度的影響不能忽略，得到低壓下任意溫度混合氣體動力黏度計算式：

式中：μt為混合氣體在t℃時的黏度值，Pa·s；T為混合氣體熱力學溫度，K；C為無因次實驗系數，用混合法計算。

2.2 平方根規律法

混合氣體在壓力不高的狀態下，用平方根規律法可求得動力黏度［12］，如 （3）式：

式中：xi為混合氣體組分i的摩爾分數，%；Mi為混合氣體組分i的摩爾質量，kg／kmol。

2.3 REFPROP模型軟件計算

REFPROP（Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties）是美國NIST（National Institute of Standardsand Technology）研發的一款主要用于計算流體物性參數的軟件，該軟件使用廣泛，集合20多種工業流體狀態方程［13］，有很高的權威性和準確性，也被用作結果分析的重要對比數據庫［14］。

REFPROP計算軟件使用前，定義混合氣體組分，輸入計算工況，即可得到所求工質物性計算參數。

3 混空輕烴燃氣動力黏度計算和分析

黏度存在是引起流體產生摩擦阻力的原因，宏觀表現為影響管網輸送壓降，在管網系統動力運行時要考慮壓降對系統的功耗以及輸送性能影響。低壓對流體黏度影響較小，幾乎可以忽略［15］，高壓下流體黏度的變化規律與低壓不同，溫度對動力黏度的影響不可忽略。現有標準和規范沒有針對混空輕烴燃氣動力黏度計算的公式，作為一種碳氫類混合燃氣，混空輕烴燃氣是一種混合氣體，可以采用混合氣體的動力黏度計算方法計算其動力黏度。對混空輕烴燃氣的露點特性分析可知，燃氣在中低壓及非低溫的工況下不容易產生露點凝液，這對管網輸送是有利的。將混空輕烴燃氣用作城市庭院燃氣管網，在常溫常壓下輸送是普遍狀況，故本文計算混空輕烴燃氣在常溫常壓下 （取 101.325kPa，20℃）的動力黏度。

由公式 （1）知求混空輕烴燃氣動力黏度時，需知道燃氣各組分在0℃的黏度值，測定此時黏度值勢必引入誤差，欲求任意溫度下動力黏度引入無因次實驗系數C值又二次引入誤差，導致誤差放大，計算得到的混空輕烴燃氣動力黏度值不準確，通過比較認為平方根規律法也優于估算法，將低壓燃氣黏度估算法得到的混空輕烴燃氣動力黏度計算結果舍去。采用平方根規律法計算混空輕烴燃氣動力黏度時，是以20℃，101.325kPa為參比條件，混空輕烴燃氣動力黏度與溫度、壓力和組分有關，燃氣各組分計算溫度按表1取值［16］，并計算不同混合比混空輕烴燃氣各組分摩爾分數，列于表2。由表1和表2數據，代入公式 （3），即可求得常溫常壓下混空輕烴燃氣的動力黏度。

表1 混空輕烴燃氣各組分參數表

表2 不同混合比下混空輕烴燃氣各組分摩爾分數

REFPROP模型軟件計算操作方便，計算迅速，只需定義混合氣體組分，給定相應的計算工況，就能得出結果，將平方根規律法和REFPROP軟件計算得到的混空輕烴燃氣動力黏度值列于表3。

表3 不同混合比下混空輕烴燃氣動力黏度計算結果

由表3可知，在混合比 （體積比）為1∶1至1∶4范圍內，采用平方根規律法和REFPROP軟件計算得到的混空輕烴燃氣動力黏度接近，最大相對誤差在10%左右，在工程上運用均在允許的范圍內；混空輕烴燃氣合理的混合比 （體積比）在3～5，在空燃比 （體積比）為3∶1和4∶1時，混空輕烴燃氣動力黏度值相對誤差分別為7.069%、5.954%，誤差較小，此時的動力黏度值可作為常溫常壓下混空輕烴燃氣的動力黏度值；REFPROP軟件在模型和計算精度上優于平方根規律法，認為REFPROP軟件計算得到的混空輕烴燃氣動力黏度值比平方根規律法結果更精確，在進行混空輕烴燃氣動力黏度計算時，可采用REFPROP軟件進行快速準確求解。

4 結論

1）采用混合氣體動力黏度計算方法和REFPROP軟件計算了不同混合比下混空輕烴燃氣在常溫常壓下的動力黏度，最大相對誤差在10%左右，在工程運用允許范圍內。

2）混空輕烴燃氣在常溫常壓下的動力黏度計算數據，可以為為混空輕烴燃氣管網設計和水力計算提供數據參考。