小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置及應(yīng)用示范

摘 要

摘要：為了方便、快捷地解決燃?xì)夤芫W(wǎng)維修期間用戶的連續(xù)用氣問(wèn)題，以LNG鋼瓶組氣態(tài)天然氣作為供氣氣源。設(shè)計(jì)了一種小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置，對(duì)裝置的重要組成部分LNG鋼瓶組
摘要：為了方便、快捷地解決燃?xì)夤芫W(wǎng)維修期間用戶的連續(xù)用氣問(wèn)題，以LNG鋼瓶組氣態(tài)天然氣作為供氣氣源。設(shè)計(jì)了一種小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置，對(duì)裝置的重要組成部分LNG鋼瓶組、增熱器和調(diào)壓加臭器進(jìn)行了介紹，并對(duì)用戶用氣量、鋼瓶流量、增熱器的設(shè)置、壓力調(diào)節(jié)和加臭方式等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，總結(jié)了該裝置具有的4點(diǎn)創(chuàng)新性：①機(jī)功靈活，實(shí)用性強(qiáng)；②自由組合，操作簡(jiǎn)單；③LNG氣相外供，創(chuàng)新使用；④外形美觀，便于批量生產(chǎn)。應(yīng)用該裝置對(duì)一棟摟宇的236戶居民用戶臨時(shí)供氣，結(jié)果表明：用戶最大用氣量可達(dá)24.5m3/h，氣體最低溫度為11℃，完全滿足應(yīng)急供氣要求和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該裝置的研發(fā)和使用，填補(bǔ)了我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)在非正常工況下保障天然氣連續(xù)供應(yīng)的技術(shù)空白，獲得了中國(guó)外觀設(shè)計(jì)和實(shí)用新型技術(shù)2項(xiàng)專利，在天然氣的供氣保障體系中有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：非正常工況；臨時(shí)供氣；移動(dòng)式供氣裝置；小型；橇裝LNG增熱；調(diào)壓；加臭
 
在燃?xì)夤?yīng)過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生地下燃?xì)夤艿罁屝?、維修或管道碰口等作業(yè)，現(xiàn)在的通常做法是對(duì)受影響的片區(qū)管網(wǎng)采取停氣措施，使輸氣管道的搶維修或碰口作業(yè)在一個(gè)相對(duì)安全的無(wú)氣狀態(tài)下進(jìn)行[1]。但這種停氣作業(yè)不僅在放散過(guò)程中要向空中排放大量的天然氣，而且在恢復(fù)供氣時(shí)要對(duì)用戶的用氣末端關(guān)閉性進(jìn)行逐一確認(rèn)，致使工作量大，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響用戶的正常用氣，天然氣浪費(fèi)嚴(yán)重，甚至?xí)捎谀承┉h(huán)節(jié)的疏忽而導(dǎo)致燃?xì)馐鹿拾l(fā)生[2]。
為了保障用戶的安全、連續(xù)用氣，在借鑒橇裝LNG瓶組站工藝的前提下[3]，筆者綜合考慮了天然氣的特性以及城市建筑物燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的工藝特點(diǎn)[4]，提出以LNG鋼瓶組氣態(tài)天然氣作為供氣氣源，將小區(qū)用戶分解為各個(gè)樓棟用戶單元，采用小型移動(dòng)式的調(diào)壓加臭橇裝供氣設(shè)備來(lái)解決非正常狀況下(燃?xì)夤艿罁尵S修或碰口作業(yè)等)燃?xì)庥脩舻倪B續(xù)用氣問(wèn)題。
1 工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化
小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由LNG鋼瓶組、增熱器和調(diào)壓加臭器等部分組成。由于LNG鋼瓶為外接方式，所以圖1中虛框內(nèi)的部分為設(shè)備研制的主要內(nèi)容。設(shè)備的容量參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)包括用戶用氣量、鋼瓶的氣相出口流量、增熱器出口溫度、供氣壓力及加臭方式等。設(shè)備出口現(xiàn)場(chǎng)接駁到樓棟的上升立管供氣給用戶。

1.1 用戶用氣量的確定
天然氣的組成(以深圳地區(qū)為例)為含甲烷87.690%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，含乙烷8.192%，含丙烷3.097%，氣體密度為0.77kg/m3，氣態(tài)低熱值為41.96MJ/m3[5]。綜合考慮單個(gè)樓棟的實(shí)際情況，初步選定以1根上升立管帶50～250戶的住宅作為供氣單位，每戶的燃具按照1臺(tái)雙眼灶和1臺(tái)10L熱水器計(jì)算，參照用戶晚間高峰用氣量來(lái)確定居民用戶的用氣量。根據(jù)燃具的熱負(fù)荷及同時(shí)工作系數(shù)[6～7]，確定用戶理論用氣量為7.7～33.3m3/h。
1.2 鋼瓶流量的確定
LNG鋼瓶與液化石油氣(LPG)鋼瓶相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作要求也更高。選擇與50kgLPG鋼瓶相近規(guī)格的美國(guó)生產(chǎn)的泰來(lái)華頓XL-45型LNG鋼瓶作為應(yīng)急氣源，每瓶可供應(yīng)的氣態(tài)天然氣約為102m3，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
    XL系列容器的熱交換器是放置在真空夾層中的氣化器(見圖2)，貼在容器外膽的內(nèi)壁。當(dāng)容器輸出氣體時(shí)，需從外界吸收熱量，將液體氣化成氣體，通過(guò)排放閥控制氣體輸出量。由于小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置是直接使用LNG鋼瓶出來(lái)的氣相天然氣，因此LNG鋼瓶的氣化能力十分重要。根據(jù)XL-45LNG鋼瓶的單瓶流量工作曲線可知，隨著氣體輸出流量的增加，氣體溫度隨之下降，具體可以分為3個(gè)階段：①當(dāng)氣體流量為0～9.2m3/h時(shí)，氣體溫度為38～-17℃；②當(dāng)氣體流量為9.2～20.1m3/h時(shí)，氣體溫度為-17～-173℃；③當(dāng)氣體流量超過(guò)20.1m3/h時(shí)，氣體溫度為-173℃。
    LNG經(jīng)氣化變成氣態(tài)天然氣時(shí)其溫度不能過(guò)低，溫度太低的氣體在調(diào)壓器的內(nèi)孔經(jīng)過(guò)時(shí)(或流速過(guò)快時(shí))，孔內(nèi)容易形成干冰堵塞，導(dǎo)致設(shè)備損壞。為此，單個(gè)LNG鋼瓶?jī)?nèi)置氣化器正常輸出流量范圍為0～9.2m3/h。
    考慮鋼瓶的可更換性以及設(shè)備的移動(dòng)靈活性，設(shè)備外接的鋼瓶數(shù)不宜過(guò)多，故設(shè)計(jì)接駁鋼瓶數(shù)量為1～4瓶，即常溫下設(shè)備氣體輸出流量為9.2～36.8m3/h，即能滿足用戶的用氣量要求。
1.3 設(shè)置增熱器
    如前所述，瓶裝LNG氣化時(shí)，氣體的溫度隨著氣體流量的增加而降低。如果要求氣化盤管持續(xù)提供更大的氣化量，就應(yīng)該外接一個(gè)增熱器將氣體變暖，以避免調(diào)壓器、軟管等其他下游部件出現(xiàn)故障。以深圳為例，考慮其地處亞熱帶，全年氣溫較高(均溫為22.4℃)，高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(約有8個(gè)月的平均氣溫為30℃)，氣相天然氣經(jīng)鋼瓶使用閥輸出后，環(huán)境溫度較高，為此，無(wú)需單獨(dú)外接外形尺寸較大的增熱器，只需將增熱器設(shè)置在設(shè)計(jì)的調(diào)壓加臭橇體內(nèi)即可。增熱器借鑒空溫氣化器的直翅片式結(jié)構(gòu)，直翅片的換熱面積可根據(jù)下式確定：
    Φ=KA△t
式中Φ為氣化器的熱流量，kW；K為氣態(tài)天然氣的換熱系數(shù)，kW/(m2·K)；A為氣化器的換熱面積，m2；△t為加熱介質(zhì)與初始?xì)庀嗵烊粴獾钠骄鶞夭?，K。
    如果該設(shè)備在較寒冷的地帶使用，同樣可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁匾约疤烊粴獬隹跍囟鹊囊?，根?jù)上式確定增熱器的尺寸。以最不利條件即現(xiàn)有的調(diào)壓器等設(shè)備可耐低溫為-20℃作為設(shè)計(jì)依據(jù)，考慮一定的設(shè)計(jì)余地，加熱后氣相天然氣出口溫度可設(shè)定為-15℃，根據(jù)上式確定的增熱器經(jīng)測(cè)算同樣能滿足用戶用氣量的要求。
1.4 壓力調(diào)節(jié)
   調(diào)節(jié)LNG鋼瓶的壓力調(diào)節(jié)閥即圖2中增壓(節(jié)氣)雙調(diào)節(jié)閥或增壓閥，可以保證鋼瓶氣相的出口壓力為0.8MPa。考慮到深圳地區(qū)居民用戶燃?xì)獾娜霊魤毫σ话銥?.15～0.2MPa，設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備的調(diào)壓器也應(yīng)與此相匹配，即氣體進(jìn)口壓力為0.8MPa，氣體出口壓力為0.15～0.2MPa。氣體出口壓力可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。
1.5 加臭方式
    根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，城鎮(zhèn)燃?xì)鈶?yīng)具有可以察覺到的臭味[8]，該系統(tǒng)在調(diào)壓后設(shè)置加臭罐對(duì)天然氣進(jìn)行加臭，加臭劑選用四氫噻吩(THT)。加臭劑通過(guò)針型閥，利用管道前后壓差添加到管道中。添加的加臭劑流量可通過(guò)針型閥來(lái)調(diào)節(jié)。
2 裝置整體設(shè)計(jì)
    根據(jù)以上分析可知，由于LNG鋼瓶組為現(xiàn)成的外接設(shè)備，小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是集增熱、調(diào)壓及加臭于一體的橇裝設(shè)備的設(shè)計(jì)，這里將其定義為移動(dòng)式加臭調(diào)壓箱，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
 

經(jīng)過(guò)多次的流程優(yōu)化及設(shè)備外形的改進(jìn)，將移動(dòng)式加臭調(diào)壓箱裝配成外觀像小型發(fā)電機(jī)一樣的成品，其外觀效果如圖4所示，外觀尺寸為1000mm×700mm×500mm，體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，可以批量生產(chǎn)，箱體四周為不銹鋼面板覆蓋，側(cè)面留有通風(fēng)的百葉及氣體進(jìn)出口，正面為打開的雙扇門，頂部為可掀起的折疊蓋板，外形美觀簡(jiǎn)潔。打開箱體正門及掀起頂部蓋板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示?；旧纤械脑O(shè)備均布置在箱體內(nèi)，有管道、閥門、3組增熱翅片、調(diào)壓器、壓力表以及加臭罐等設(shè)施。該設(shè)備與LNG鋼瓶組連接后組成小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置，整體效果見圖6。

3 裝置調(diào)試
    采用小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置為5棟28層的高層樓宇供氣，每套調(diào)壓加臭箱備有4個(gè)LNG鋼瓶重瓶，表1為該裝置晚間高峰用氣時(shí)段(18：00-21：30)為其中一棟樓宇236戶居民用戶供氣情況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(每隔15min記錄1次)。

    由表1可以看出：
    1) 18：30左右為用氣高峰，燃?xì)馑矔r(shí)流量達(dá)到24.5m3/h，設(shè)備完全可以滿足樓棟居民用戶的用氣需求。峰值流量低于設(shè)計(jì)估算值，分析可能是該棟樓宇的燃?xì)庠O(shè)備同時(shí)工作系數(shù)低于設(shè)計(jì)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)值。
    2) 采取了多個(gè)鋼瓶并聯(lián)供氣，提升了供氣能力，同時(shí)LNG鋼瓶輸出的氣態(tài)天然氣經(jīng)過(guò)增熱器后，氣體溫度完全在正常的范圍內(nèi)，最小為11℃，不會(huì)由于氣溫過(guò)低造成調(diào)壓加臭箱內(nèi)的設(shè)備損害。
    3) 由于采用人工開啟和關(guān)閉加臭裝置，加臭量不好控制，加臭量偏大。
    深圳燃?xì)夤粳F(xiàn)有10余套移動(dòng)式調(diào)壓加臭箱，已多次用于燃?xì)夤艿罁尵S修和碰口作業(yè)時(shí)保障用戶的連續(xù)用氣，均取得了較好的效果。
4 裝置的創(chuàng)新性及利用前景
    確保用戶安全連續(xù)用氣是燃?xì)夤?yīng)企業(yè)的責(zé)任和義務(wù)。采用小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置解決燃?xì)夤艿罁尵S修情況下的臨時(shí)供氣問(wèn)題是一種安全、方便、快捷的有效措施。該裝置具有以下4點(diǎn)創(chuàng)新性：
   1) 機(jī)動(dòng)靈活，實(shí)用性強(qiáng)。由于采用移動(dòng)式設(shè)計(jì)，外形尺寸較小，易于運(yùn)輸和搬動(dòng)，機(jī)動(dòng)靈活。
   2) 自由組合，操作簡(jiǎn)單。系統(tǒng)為氣源(LNG鋼瓶組)和調(diào)壓加臭箱兩部分獨(dú)立組成，根據(jù)用氣量的不同可接駁不同數(shù)量的LNG鋼瓶與調(diào)壓加臭箱自由組合，還可以在1個(gè)用氣點(diǎn)安裝多套裝置以提高供氣能力。
   3) LNG氣相外供，創(chuàng)新使用。一般來(lái)說(shuō)，LNG鋼瓶的氣相排放(使用)閥是作為其自蒸發(fā)時(shí)安全排放用的，利用其在常溫時(shí)9.2m3/h的排放量，并通過(guò)在調(diào)壓加臭箱內(nèi)增設(shè)增熱器，確保了LNG鋼瓶組輸出的天然氣常溫下可外供用戶使用。
   4) 外形美觀，便于批量生產(chǎn)。移動(dòng)式調(diào)壓加臭箱采用長(zhǎng)方體箱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，外觀美觀簡(jiǎn)潔，便于批量生產(chǎn)。
   這種小型移動(dòng)式天然氣臨時(shí)供應(yīng)裝置的開發(fā)和使用，填補(bǔ)了我國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)在非正常工況下保障天然氣連續(xù)供應(yīng)的技術(shù)空白，獲得了中國(guó)外觀設(shè)計(jì)和實(shí)用新型技術(shù)2項(xiàng)專利[9～10]，現(xiàn)在已在福建福州、廣東佛山及江門等多個(gè)城市推廣使用，在天然氣的供氣保障體系中有著廣泛的應(yīng)用前景。
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(本文作者：劉建輝1,2 楊宏軍1 徐文東1 樊栓獅1 1.華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司)