南北溫度差異在燃氣供氣系統設計中的考慮

賴文光，曹翠華

1.天津市華鋇燃氣熱力工程設計有限公司，天津 300074

2.天津市化工設計院，天津 300193

1 我國的南北溫度差異

我國幅員遼闊，受地域以及地形和太陽輻射的影響，南北氣候差異明顯，如下是我國冬季和夏季的最低和最高溫度以及溫度的分布概況。

1）冬季氣溫最低的地方：漠河 零下50(-52.3℃)；

冬季氣溫最高的地方：三亞 年平均氣溫25.5℃；

2）夏季氣溫最低的地方：青藏地區 平均氣溫10℃左右；

夏季氣溫最高的地方：吐魯番盆地 (49.6℃）；

3）1月平均氣溫為0℃以上的地方為長江以南的地域，一1月平均氣溫為0℃以下的地方為長江以北的地域；7月平均氣溫28℃以上的地域主要是長江以南地區以及黑龍江東部、新疆吐魯番盆地。

2 燃氣供氣系統受溫度的影響因素

2.1 燃氣介質與溫度的關系

燃氣在冷卻或加壓時凝結成露的溫度即為露點溫度，或稱液化點溫度。不同介質的燃氣由于組成成分不同，因此露點溫度不同。在其他條件不變的情況下，C量高的液化石油氣以及輕烴燃氣等的露點溫度比較高，C含量低的天然氣露點溫度比較低。同一燃氣的露點隨壓力的升高而增大。如液化石油氣中的飽和碳氫化合物氣體，其中的組分丙烷在1個大氣壓（1.01325×105Pa）時，露點溫度為-42℃，在3.7個大氣壓時（3.74903×105Pa）下露點為-10℃，而在8大氣壓（8.106×105Pa）下的露點為20℃。而天然氣在1個大氣壓（1.01325×105Pa）下，露點溫度為-161.49℃。36個大氣壓下（36.477×105）Pa，露點溫度為-90℃。從數字上可以看出，燃氣的露點，在同一壓力的情況下是同一數值，實際上即為燃氣的飽和壓力值下的飽和溫度值。

2.2 輸送管材與溫度的關系

燃氣輸送用的管材主要有鋼管和PE管兩種，通常設計上對于不同壓力級制的輸送任務，選用不同的管材。而管材在不同的工作溫度下，會產生溫度變形以及熱應力。變形量計算公式如下：

式中：

ΔL為管道伸縮量m；

α為管材線膨脹系數 m/m℃；（鋼管管壁在20℃時為11.8×10-6 m/m℃）

t1為管道的安裝溫度℃；

t2為燃氣的溫度℃；

L為管道的長度 m。

如果將管道兩端固定，所產生的熱應力：

式中：σt為熱應力MPa；

E-彈性模數MPa，鋼取2.1×105 MPa。

3 南北氣候差異對燃氣供氣系統設計的影響以及設計中的考慮事項

1）由于燃氣供氣系統中的輸送介質受溫度的影響，在一定的設計壓力下，在低于露點溫度下運行時，會產生結露現象，增加管道阻力，使局部管段容易壓力過高發生物理性爆炸事故，因此在設計過程中，我們要做到以下幾點：

（1）確定輸送介質的種類以及相關的氣質條件；

（2）確定工程施工地段的冬季最低氣溫以及土壤冰凍線以下的最低土壤溫度等參數；

（3）針對實際情況對燃氣供氣系統的壓力級制進行選擇，并合理確定設計壓力和運行壓力；

（4）計算在設計壓力下介質的露點溫度；

（5）對管道系統進行分析，對有可能出現低于露點溫度下運行的系統采取措施進行保護（如進行保溫，或從氣源處采取混空氣提高露點溫度等措施）。

以下是丙烷和丁烷以及甲烷在不同壓力下的露點溫度值（表1）：

表1 丙烷和丁烷以及甲烷在不同壓力下的露點溫度值表

由于我國一月份平均氣溫低于20℃的地域占絕大多數，長江以南地區平均氣溫高于0℃，以北地區氣溫低于0℃。而從表1中，可以看出：

（1）液化石油氣系統：丙烷在約8個大氣壓下（丁烷在約2個大氣壓下）的露點溫度為20℃，丙烷在約4.7個大氣壓下（丁烷在約1個大氣壓下）的露點溫度為0℃，而丙烷在約2.4個大氣壓下（丁烷在約0.45個大氣壓下）的露點溫度為-20℃，由于液化石油氣的主要成分是丙烷與丁烷，因此在對液化石油氣系統進行設計時，對于北方地區的運行壓力不建議超過0.045MPa，對于南方地區的運行壓力不建議超過0.1MPa，具體的運行壓力應結合當地的氣溫及土壤溫度情況確定。對不符合條件的地區，應采取液化石油氣混空氣的辦法提高介質的露點溫度。

（2）天然氣系統：天然氣的主要成分是甲烷，甲烷在0.365MPa下運行時，露點溫度為-90℃，我國所有區域都能滿足冬季溫度高于此露點溫度，因此對于天然氣系統（干氣，不含水蒸氣），可不對露點溫度進行核算。

2）由于燃氣供氣系統中的管材在運行過程中受溫度的影響，在設計過程中，重點是要考慮管道的熱應力的補償措施，以防止管道內部的熱應力存在破壞管道。因此，可從如下方面考慮：

（1）確定施工地的管道運行最低溫度和最高溫度，對管道的變形量進行計算；

（2）對燃氣供氣系統選擇合理的補償熱變形量的措施，如選用方形補償器、波紋管補償器等；

（3）對于長江以北地區晝夜溫差大以及冬季夏季溫差大的地區，架空部分的室外金屬管道應選擇焊接的連接方式（原因是選用螺紋連接時，接口由于管道的長時間伸長縮短容易造成漏氣）；

（4）對于長江以北地區的燃氣供氣系統中的管道進行保溫；

（5）對于夏季溫度高的地區埋地PE管道降低運行壓力（由于聚乙烯管道在超過20℃時，工作壓力應依據溫度進行折減）。

4 考慮南北氣候差異的燃氣系統的安全性分析

在設計過程中考慮南北氣候差異的影響，可在管道投入使用后，有效地避免管道中析出液體出現增加管道阻力而發生爆管的危險，也有效地抵消了管道由于溫度變化產生的熱應力，對于高溫地區運行的PE系統也很好地進行了設計上的保護。可見，考慮南北氣候差異的影響，在設計上是安全可靠的，在設計過程中應予以考慮。

5 不確定性分析

由于我國南北氣候差異很大，實際的大氣溫度和土壤溫度的詳細資料應對施工地進行實測后確定，而溫度資料會出現隨年不同的不均勻性，因此在參考相關年份統計資料的基礎上，還應考慮溫度的不確定性，在設計過程中留有足夠的余量，不能滿打滿算。

6 結論

考慮南北氣候差異在燃氣供氣系統中的影響，在燃氣工程設計領域已經得到了廣泛的應用和實踐，并得到了廣泛好評，值得作為一項安全設計任務進行推廣。

[1]段常貴主編.燃氣輸配[M].3版.中國建筑工業出版社.

[2]盧煥章，等編.石油化工基礎數據手冊[M].化工出版社，1984，7.

[3]地理教學掛圖（中國一月、七月平均氣溫）.地圖出版社編制出版.