小型移動式天然氣臨時供應裝置及應用示范

摘 要

摘要：為了方便、快捷地解決燃氣管網維修期間用戶的連續用氣問題，以LNG鋼瓶組氣態天然氣作為供氣氣源。設計了一種小型移動式天然氣臨時供應裝置，對裝置的重要組成部分LNG鋼瓶組
摘要：為了方便、快捷地解決燃氣管網維修期間用戶的連續用氣問題，以LNG鋼瓶組氣態天然氣作為供氣氣源。設計了一種小型移動式天然氣臨時供應裝置，對裝置的重要組成部分LNG鋼瓶組、增熱器和調壓加臭器進行了介紹，并對用戶用氣量、鋼瓶流量、增熱器的設置、壓力調節和加臭方式等進行了優化設計，總結了該裝置具有的4點創新性：①機功靈活，實用性強；②自由組合，操作簡單；③LNG氣相外供，創新使用；④外形美觀，便于批量生產。應用該裝置對一棟摟宇的236戶居民用戶臨時供氣，結果表明：用戶最大用氣量可達24.5m3/h，氣體最低溫度為11℃，完全滿足應急供氣要求和相關國家標準。該裝置的研發和使用，填補了我國燃氣行業在非正常工況下保障天然氣連續供應的技術空白，獲得了中國外觀設計和實用新型技術2項專利，在天然氣的供氣保障體系中有著廣泛的應用前景。
關鍵詞：非正常工況；臨時供氣；移動式供氣裝置；小型；橇裝LNG增熱；調壓；加臭
 
在燃氣供應過程中不可避免地會發生地下燃氣管道搶修、維修或管道碰口等作業，現在的通常做法是對受影響的片區管網采取停氣措施，使輸氣管道的搶維修或碰口作業在一個相對安全的無氣狀態下進行[1]。但這種停氣作業不僅在放散過程中要向空中排放大量的天然氣，而且在恢復供氣時要對用戶的用氣末端關閉性進行逐一確認，致使工作量大，作業時間長，嚴重影響用戶的正常用氣，天然氣浪費嚴重，甚至會由于某些環節的疏忽而導致燃氣事故發生[2]。
為了保障用戶的安全、連續用氣，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氣管道系統的工藝特點[4]，提出以LNG鋼瓶組氣態天然氣作為供氣氣源，將小區用戶分解為各個樓棟用戶單元，采用小型移動式的調壓加臭橇裝供氣設備來解決非正常狀況下(燃氣管道搶維修或碰口作業等)燃氣用戶的連續用氣問題。
1 工藝設計和優化
小型移動式天然氣臨時供應裝置結構如圖1所示，該系統由LNG鋼瓶組、增熱器和調壓加臭器等部分組成。由于LNG鋼瓶為外接方式，所以圖1中虛框內的部分為設備研制的主要內容。設備的容量參數設計依據包括用戶用氣量、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。設備出口現場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(以深圳地區為例)為含甲烷87.690%(體積分數，下同)，含乙烷8.192%，含丙烷3.097%，氣體密度為0.77kg/m3，氣態低熱值為41.96MJ/m3[5]。綜合考慮單個樓棟的實際情況，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臺雙眼灶和1臺10L熱水器計算，參照用戶晚間高峰用氣量來確定居民用戶的用氣量。根據燃具的熱負荷及同時工作系數[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，結構復雜，操作要求也更高。選擇與50kgLPG鋼瓶相近規格的美國生產的泰來華頓XL-45型LNG鋼瓶作為應急氣源，每瓶可供應的氣態天然氣約為102m3，其結構如圖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)，貼在容器外膽的內壁。當容器輸出氣體時，需從外界吸收熱量，將液體氣化成氣體，通過排放閥控制氣體輸出量。由于小型移動式天然氣臨時供應裝置是直接使用LNG鋼瓶出來的氣相天然氣，因此LNG鋼瓶的氣化能力十分重要。根據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個階段：①當氣體流量為0～9.2m3/h時，氣體溫度為38～-17℃；②當氣體流量為9.2～20.1m3/h時，氣體溫度為-17～-173℃；③當氣體流量超過20.1m3/h時，氣體溫度為-173℃。
    LNG經氣化變成氣態天然氣時其溫度不能過低，溫度太低的氣體在調壓器的內孔經過時(或流速過快時)，孔內容易形成干冰堵塞，導致設備損壞。為此，單個LNG鋼瓶內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備的移動靈活性，設備外接的鋼瓶數不宜過多，故設計接駁鋼瓶數量為1～4瓶，即常溫下設備氣體輸出流量為9.2～36.8m3/h，即能滿足用戶的用氣量要求。
1.3 設置增熱器
    如前所述，瓶裝LNG氣化時，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提供更大的氣化量，就應該外接一個增熱器將氣體變暖，以避免調壓器、軟管等其他下游部件出現故障。以深圳為例，考慮其地處亞熱帶，全年氣溫較高(均溫為22.4℃)，高溫持續時間較長(約有8個月的平均氣溫為30℃)，氣相天然氣經鋼瓶使用閥輸出后，環境溫度較高，為此，無需單獨外接外形尺寸較大的增熱器，只需將增熱器設置在設計的調壓加臭橇體內即可。增熱器借鑒空溫氣化器的直翅片式結構，直翅片的換熱面積可根據下式確定：
    Φ=KA△t
式中Φ為氣化器的熱流量，kW；K為氣態天然氣的換熱系數，kW/(m2·K)；A為氣化器的換熱面積，m2；△t為加熱介質與初始氣相天然氣的平均溫差，K。
    如果該設備在較寒冷的地帶使用，同樣可以結合當地的平均氣溫以及天然氣出口溫度的要求，根據上式確定增熱器的尺寸。以最不利條件即現有的調壓器等設備可耐低溫為-20℃作為設計依據，考慮一定的設計余地，加熱后氣相天然氣出口溫度可設定為-15℃，根據上式確定的增熱器經測算同樣能滿足用戶用氣量的要求。
1.4 壓力調節
   調節LNG鋼瓶的壓力調節閥即圖2中增壓(節氣)雙調節閥或增壓閥，可以保證鋼瓶氣相的出口壓力為0.8MPa。考慮到深圳地區居民用戶燃氣的入戶壓力一般為0.15～0.2MPa，設計時，設備的調壓器也應與此相匹配，即氣體進口壓力為0.8MPa，氣體出口壓力為0.15～0.2MPa。氣體出口壓力可以手動調節。
1.5 加臭方式
    根據國家標準的要求，城鎮燃氣應具有可以察覺到的臭味[8]，該系統在調壓后設置加臭罐對天然氣進行加臭，加臭劑選用四氫噻吩(THT)。加臭劑通過針型閥，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針型閥來調節。
2 裝置整體設計
    根據以上分析可知，由于LNG鋼瓶組為現成的外接設備，小型移動式天然氣臨時供應裝置的設計關鍵就是集增熱、調壓及加臭于一體的橇裝設備的設計，這里將其定義為移動式加臭調壓箱，其結構示意圖如圖3所示。
 

經過多次的流程優化及設備外形的改進，將移動式加臭調壓箱裝配成外觀像小型發電機一樣的成品，其外觀效果如圖4所示，外觀尺寸為1000mm×700mm×500mm，體積較小，結構緊湊，可以批量生產，箱體四周為不銹鋼面板覆蓋，側面留有通風的百葉及氣體進出口，正面為打開的雙扇門，頂部為可掀起的折疊蓋板，外形美觀簡潔。打開箱體正門及掀起頂部蓋板，內部結構如圖5所示。基本上所有的設備均布置在箱體內，有管道、閥門、3組增熱翅片、調壓器、壓力表以及加臭罐等設施。該設備與LNG鋼瓶組連接后組成小型移動式天然氣臨時供應裝置，整體效果見圖6。

3 裝置調試
    采用小型移動式天然氣臨時供應裝置為5棟28層的高層樓宇供氣，每套調壓加臭箱備有4個LNG鋼瓶重瓶，表1為該裝置晚間高峰用氣時段(18：00-21：30)為其中一棟樓宇236戶居民用戶供氣情況的實測數據(每隔15min記錄1次)。

    由表1可以看出：
    1) 18：30左右為用氣高峰，燃氣瞬時流量達到24.5m3/h，設備完全可以滿足樓棟居民用戶的用氣需求。峰值流量低于設計估算值，分析可能是該棟樓宇的燃氣設備同時工作系數低于設計規范的經驗值。
    2) 采取了多個鋼瓶并聯供氣，提升了供氣能力，同時LNG鋼瓶輸出的氣態天然氣經過增熱器后，氣體溫度完全在正常的范圍內，最小為11℃，不會由于氣溫過低造成調壓加臭箱內的設備損害。
    3) 由于采用人工開啟和關閉加臭裝置，加臭量不好控制，加臭量偏大。
    深圳燃氣公司現有10余套移動式調壓加臭箱，已多次用于燃氣管道搶維修和碰口作業時保障用戶的連續用氣，均取得了較好的效果。
4 裝置的創新性及利用前景
    確保用戶安全連續用氣是燃氣供應企業的責任和義務。采用小型移動式天然氣臨時供應裝置解決燃氣管道搶維修情況下的臨時供氣問題是一種安全、方便、快捷的有效措施。該裝置具有以下4點創新性：
   1) 機動靈活，實用性強。由于采用移動式設計，外形尺寸較小，易于運輸和搬動，機動靈活。
   2) 自由組合，操作簡單。系統為氣源(LNG鋼瓶組)和調壓加臭箱兩部分獨立組成，根據用氣量的不同可接駁不同數量的LNG鋼瓶與調壓加臭箱自由組合，還可以在1個用氣點安裝多套裝置以提高供氣能力。
   3) LNG氣相外供，創新使用。一般來說，LNG鋼瓶的氣相排放(使用)閥是作為其自蒸發時安全排放用的，利用其在常溫時9.2m3/h的排放量，并通過在調壓加臭箱內增設增熱器，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。移動式調壓加臭箱采用長方體箱式結構，結構緊湊，外觀美觀簡潔，便于批量生產。
   這種小型移動式天然氣臨時供應裝置的開發和使用，填補了我國燃氣行業在非正常工況下保障天然氣連續供應的技術空白，獲得了中國外觀設計和實用新型技術2項專利[9～10]，現在已在福建福州、廣東佛山及江門等多個城市推廣使用，在天然氣的供氣保障體系中有著廣泛的應用前景。
參考文獻
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[9] 陳秋雄，張勁風，劉建輝，等.移動式液化天然氣加臭調壓箱：中國，200930189820.X[P].2010 05-19.
[10] 陳秋雄，張勁風，劉建輝，等.移動式液化天然氣加臭調壓箱：中國，200920162066.5[P].2010-05-19.
 
(本文作者：劉建輝1,2 楊宏軍1 徐文東1 樊栓獅1 1.華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室；2.深圳市燃氣集團股份有限公司)