天然氣調(diào)壓器出口溫度及溫度降的計算方法探討

王 芳

(合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230075)

0 引 言

調(diào)壓器作為一種壓力調(diào)節(jié)裝置，是燃?xì)忾T站、各種場站的主要核心部件，也是天然氣管網(wǎng)輸配運(yùn)行過程中的核心調(diào)壓設(shè)備，它的作用是將上游較高的壓力調(diào)節(jié)至下游所需要的較低的壓力，并保持出口壓力為某一恒定值。調(diào)壓器是否能安全可靠地對天然氣管網(wǎng)向用戶供氣的能力與安全穩(wěn)定性有著直接影響[1]。當(dāng)調(diào)壓器進(jìn)出口壓差較大時，調(diào)壓后的天然氣溫度會急劇下降，尤其是在環(huán)境溫度較低的情況下，調(diào)壓器出口管段極易結(jié)霜、結(jié)露，甚至引起調(diào)壓器引壓管發(fā)生冰堵，嚴(yán)重時影響設(shè)備正常運(yùn)行[1-4]。本文對調(diào)壓器進(jìn)行溫度降的計算，為調(diào)壓器工藝設(shè)計提供依據(jù)。

1 調(diào)壓器工作原理

自力式的調(diào)壓器是應(yīng)用較廣的一種調(diào)壓器，是依靠介質(zhì)本身出口壓力變化自動完成出口壓力調(diào)節(jié)的調(diào)壓器[1]。自力式調(diào)壓器無須外加驅(qū)動能源，僅依靠被調(diào)介質(zhì)自身的壓力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，在流量和進(jìn)口壓力發(fā)生變化時，保持出口壓力的恒定[3]。調(diào)壓器由指揮器、穩(wěn)壓器和主閥組成，示意圖如圖1所示。

圖1 調(diào)壓器示意圖

圖1中節(jié)流孔實(shí)際上是在指揮器的內(nèi)部，但為了說明原理將它畫在了指揮器的外部。天然氣從左邊進(jìn)，右邊出；壓力為P1的天然氣除了通向主閥進(jìn)口外，還通向穩(wěn)壓器進(jìn)口，穩(wěn)壓器出口與指揮器進(jìn)口連接，指揮器出口輸出壓力為P3的天然氣，一部分進(jìn)入調(diào)壓器的驅(qū)動器腔里，另一部分經(jīng)節(jié)流孔壓力降為P2后進(jìn)入調(diào)壓器出口管道，同時向穩(wěn)壓器和指揮器反饋P2壓力信息，以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓器正常工作[5]。

2 節(jié)流孔工作原理

控制壓力最直接和最有效的方法就是設(shè)計合理的節(jié)流孔。目前，節(jié)流孔大致分為薄壁孔、短孔和細(xì)長孔三種類型，如圖2所示[6]，圖中l(wèi)為壁厚(即孔長)，d為孔徑。

圖2 節(jié)流孔形式

通過改變節(jié)流孔的通流面積或長度，就可以調(diào)節(jié)流經(jīng)節(jié)流孔的流量和瞬態(tài)壓力，從而達(dá)到控制壓力的目的。天然氣節(jié)流降壓過程會導(dǎo)致溫度的降低。

3 調(diào)壓器溫度降的計算

3.1 計算體系

將指揮器、穩(wěn)壓器和主閥所構(gòu)成的調(diào)壓器作為一個整體，以調(diào)壓器為計算對象,如圖3所示。

圖3 計算對象

3.2 不同條件下天然氣(甲烷)焦耳-湯姆遜系數(shù)

天然氣經(jīng)過節(jié)流孔時，溫度隨壓力的變化稱為焦耳-湯姆遜系數(shù)[7]，表達(dá)式如下：

董正遠(yuǎn)等[8]使用BWRS狀態(tài)方程，推導(dǎo)出了計算焦耳-湯姆遜系數(shù)的完整公式，并計算出了不同條件下天然氣(甲烷)的焦耳-湯姆遜系數(shù),見表1。

表1 不同條件下天然氣(甲烷)焦耳-湯姆遜系數(shù)

3.3 天然氣不同調(diào)壓范圍焦耳-湯姆遜系數(shù)

我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊慈細(xì)庠O(shè)計壓力(表壓)分為七級[9]，分別是：①高壓燃?xì)夤艿繟級，壓力為2.5

表2 不同等級壓力平均值下的天然氣(甲烷)焦耳-湯姆遜系數(shù)

3.4 不同等級壓力天然氣經(jīng)過調(diào)壓器后的溫度與溫度降

在天然氣輸送過程中，每一級壓力的轉(zhuǎn)換都是由調(diào)壓器來完成的，天然氣經(jīng)過調(diào)壓器發(fā)生節(jié)流過程，降低了壓力，也降低了溫度。但溫度過低時易結(jié)霜、結(jié)露等影響設(shè)備有效運(yùn)行。因此，關(guān)注天然氣經(jīng)過調(diào)壓器以后的溫度十分重要。

根據(jù)焦耳-湯姆遜系數(shù)可得：

ΔT=T2-T1=μJ×Δp=μJ×(p2-p1)

T2=μJ×(p2-p1)+T1

因此，可以根據(jù)焦耳-湯姆遜系數(shù)和壓力變化值來計算調(diào)壓器出口天然氣溫度和溫度降。不同溫度下天然氣流過調(diào)壓器后的溫度和溫度降計算結(jié)果見表3～表5。

表3 25℃下不同等級壓力轉(zhuǎn)換時調(diào)壓器出口天然氣溫度和溫度降

表4 10℃下不同等級壓力轉(zhuǎn)換時調(diào)壓器出口天然氣溫度和溫度降

表5 0℃下不同等級壓力轉(zhuǎn)換時調(diào)壓器出口天然氣溫度和溫度降

4 結(jié) 論

計算結(jié)果表明，常溫下天然氣經(jīng)過調(diào)壓器后的溫度都遠(yuǎn)高于0℃；當(dāng)溫度低于10℃時，從高壓A級向次高壓A級及以下壓力等級調(diào)壓時，調(diào)壓器出口溫度降到0℃以下；而在冬天，當(dāng)氣溫在0℃左右時，從較高壓力向較低壓力調(diào)壓時，調(diào)壓器出口溫度甚至降到-10℃以下，極易導(dǎo)致結(jié)霜、結(jié)露。因此，冬季應(yīng)加大對調(diào)壓器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的頻次，多做調(diào)壓器測試，及時維修或更換測試不合格的調(diào)壓器。在氣溫更低的北方地區(qū)，必要時要在調(diào)壓器前增設(shè)加熱器。