中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 楊 羅

天然氣場站加熱工程設(shè)計

中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司 楊 羅

結(jié)合工程實際情況，提出了天然氣場站加熱工程設(shè)置的條件，介紹了加熱負(fù)荷計算的方法，比較了各類型加熱裝置的技術(shù)特點及運行經(jīng)濟性。

天然氣 加熱負(fù)荷 電加熱 水套爐 紅外輻射加熱

城市天然氣門站、調(diào)壓站中天然氣節(jié)流降壓后會產(chǎn)生降溫冷卻即節(jié)流效應(yīng)，也稱焦耳—湯姆遜效應(yīng)。該效應(yīng)會導(dǎo)致天然氣管道內(nèi)產(chǎn)生游離態(tài)的水或水化物，在天然氣輸送過程中對設(shè)備造成損傷并阻礙管道的正常運行。

《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)》(GB 50028—2006)中第6.5.7條指出“調(diào)壓裝置應(yīng)根據(jù)燃?xì)饬髁?、壓力降等工藝條件確定設(shè)置加熱裝置”，加熱工程建設(shè)的目的：

(1)防止在天然氣調(diào)壓降溫后產(chǎn)生凝析水或可能的水化物。

(2)避免架空管道壁溫低造成外壁大量結(jié)冰(水)，增加管道外壁腐蝕的可能性。

(3)避免埋地管道由于壁溫低造成周圍土體凍脹損壞地面構(gòu)筑物或生長的經(jīng)濟作物。

1 判斷是否設(shè)置加熱裝置

由焦耳—湯姆遜效應(yīng)造成天然氣溫度下降的大小，已經(jīng)有大量文獻作出了相關(guān)研究，如彭世尼等《天然氣絕熱節(jié)流溫度降的計算》、董正遠(yuǎn)等《計算天然氣焦耳—湯姆遜系數(shù)的BWRS方法》和張錦偉等《天然氣節(jié)流溫度降的工程估算方法》等，所得出的計算結(jié)果滿足工程實際的需要，可以編制計算軟件用于計算降壓后的天然氣溫度。根據(jù)計算所得降壓后的天然氣溫度t2，判斷是否需要設(shè)置加熱裝置。

(1)根據(jù)調(diào)壓后天然氣的水露點ts，如果t2高于ts不需加熱；如果t2低于ts則需考慮進行加熱。

(2)根據(jù)外部環(huán)境和氣象條件，需要防止管外大量結(jié)冰時，當(dāng)t2低于0 ℃或更低時，需要加熱。

天然氣場站內(nèi)不需要設(shè)置加熱裝置的條件是：調(diào)壓后的天然氣溫度t2>max{ts，0 ℃}，其余情況均應(yīng)設(shè)置天然氣加熱裝置。

2 加熱裝置負(fù)荷的計算

加熱裝置加熱量q可按式(1)計算：

式中：q——所需加熱量，kJ/h；

Q——天然氣的體積流量，m3/h；

ρ——天然氣的密度，kg/m3；

Cp——調(diào)壓前狀態(tài)下天然氣的定壓質(zhì)量比熱，kJ/(kg·℃)；

t1——未加熱時計算所得降壓后天然氣的溫度，℃；

加熱量q的大小取決于天然氣加熱前后的溫差Δt，而選取加熱天然氣經(jīng)調(diào)壓降溫后需達到的溫度是Δt計算的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)加熱工程所需要得到的效果作為取值的基礎(chǔ)：

(1)為防止架空管道管外大量結(jié)冰，防止埋地管道周圍土體發(fā)生凍脹時，要求加熱后的天然氣調(diào)壓后的溫度，一般要求為3℃~5℃；

(2)為防止天然氣調(diào)壓降溫后產(chǎn)生凝析水或可能的水化物，一般要求大于降壓后天然氣的水露點ts，并與ts之間有一定的余量，這個余量也稱過熱度tsm，tsm的大小與加熱裝置的計算負(fù)荷大小有密切的關(guān)系，tsm取值過大會造成天然氣加熱后的溫度過高，加熱能量浪費，tsm取值過小會造成加熱能力不足；對于tsm的取值可參考文獻[4]按式(2)估算：

式中：p2——調(diào)壓后天然氣的壓力，MPa。

根據(jù)(2)式估算結(jié)果，當(dāng)計算值大于3 ℃時tsm按計算值選取，計算值小于3 ℃時tsm按3 ℃選取。

3 加熱裝置類型的選擇

北方地區(qū)天然氣場站一般建設(shè)有鍋爐房作為生活或生產(chǎn)供熱的熱源，站內(nèi)天然氣加熱宜采用鍋爐房提供加熱熱源，在調(diào)壓裝置前設(shè)置換熱器的方式。在沒有建設(shè)鍋爐房的場站應(yīng)單獨設(shè)置加熱裝置對天然氣進行加熱，加熱裝置類型包括電加熱裝置、水套加熱爐以及催化紅外輻射加熱裝置等。本文重點討論單獨設(shè)置加熱裝置類型的選擇。

3.1 電加熱裝置

天然氣電加熱裝置加熱方式為間接內(nèi)熱式結(jié)構(gòu)，采用加熱電纜為發(fā)熱元件，纏繞制成加熱芯體放在高壓容器的換熱管內(nèi)。換熱管內(nèi)充滿導(dǎo)熱油，將電熱元件覆蓋，工作時加熱電纜先將導(dǎo)熱油加熱，然后再將熱量傳給換熱管，從而將換熱管外(也就是殼體內(nèi))的天然氣加熱。電加熱裝置安裝在流量計和調(diào)壓器之間，防爆性能為隔爆型，防爆標(biāo)志為ExdⅡD BT4 Gb。

電加熱裝置適用于加熱負(fù)荷較小的場站，加熱負(fù)荷一般不宜超過200 kW，這是因為：

(1)從安裝電加熱裝置的場站實際使用情況來看，加熱負(fù)荷超過200 kW后隨著加熱負(fù)荷的增長加熱效果出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況；

(2)電加熱裝置負(fù)荷超過200 kW，場站供電系統(tǒng)通常需要采用10 kV配電系統(tǒng)，不僅增加了工程建設(shè)投資，日常維護管理也更加復(fù)雜，尤其是天然氣門站供電系統(tǒng)設(shè)計需滿足“二級負(fù)荷”的要求，應(yīng)采用兩路10 kV電源進線，將大大增加工程實施的難度；

(3)由表2~表4的加熱裝置運行經(jīng)濟性比較可以看出加熱負(fù)荷超過200 kW后，電加熱裝置的運行經(jīng)濟性較差。

3.2 水套加熱爐

水套加熱爐為水浴式加熱爐，一般采用臥式結(jié)構(gòu)。加熱爐工作時，燃料天然氣在爐內(nèi)下部的火筒內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^煙火管管壁加熱中間介質(zhì)水和乙二醇的混合液體，混合液體再加熱盤管內(nèi)流動的天然氣。水套加熱爐是石油天然氣場站運用最為廣泛的加熱裝置，但在整個傳熱過程中，中間介質(zhì)與煙火管和盤管的傳熱形式為有限空間自然對流傳熱。由于自然對流是一種強度較弱的傳熱形式，傳統(tǒng)水套加熱爐設(shè)計熱效率一般不超過85%。為提高換熱效率，越來越多的天然氣場站選用真空相變加熱爐作為加熱裝置，以相變換熱方式工作，將中間介質(zhì)水加熱成過熱水蒸氣，通過凝結(jié)換熱和沸騰換熱等高強度的對流換熱形式，完成熱量與被加熱天然氣的交換，換熱效率較傳統(tǒng)的水套加熱爐有所提高。

3.3 催化式紅外輻射加熱裝置

催化式紅外輻射加熱是將天然氣按一定比例與空氣混合，在催化劑(一般采用纖維為載體的催化劑)表面與氧氣進行無焰反應(yīng)，避免氣相燃燒發(fā)出的可見光而造成的能量損失，其能量大部分轉(zhuǎn)化為波長3~8微米，具有較高熱能量的紅外射線用于加熱物體。

催化式紅外加熱裝置以輻射加熱為主，換熱強度大于對流換熱，紅外線直接輻射被加熱物體，由于輻射能的特性，紅外線不加熱空氣，直接加熱天然氣管道外壁，減少能量的損失，裝置內(nèi)被加熱天然氣管道用黑色耐高溫防腐漆覆蓋，可更好的吸收紅外輻射。同時，催化式紅外加熱裝置內(nèi)發(fā)生的催化反應(yīng)為無火焰氧化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為100~500 ℃，低于燃燒反應(yīng)溫度，無爆炸隱患。催化式紅外不產(chǎn)生CO、NOx等有害氣體，安全無污染。催化式紅外加熱裝置作為新技術(shù)已經(jīng)逐步在“西氣東輸”場站及城市燃?xì)夤こ讨虚_始運用。

3.4 各類加熱裝置的技術(shù)經(jīng)濟比較

天然氣場站在選擇加熱裝置類型時必須經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟的比較，電加熱裝置、水套爐及催化式紅外加熱裝置的技術(shù)特點比較見表1，各類加熱裝置運行經(jīng)濟性比較通過200 kW、500 kW、800 kW三個級別的加熱負(fù)荷分別說明，見表2~表4。

表1 各類加熱裝置技術(shù)特點比較

表2 200 kW加熱裝置運行經(jīng)濟性比較

表3 500 kW加熱裝置經(jīng)濟性比較

表4 800 kW加熱裝置經(jīng)濟性比較

由以上的經(jīng)濟技術(shù)分析可以看出，雖然電加熱裝置設(shè)備價格便宜，但當(dāng)加熱負(fù)荷大于200 kW后由于單位熱值電價比天然氣價格高，電加熱裝置的運行經(jīng)濟性明顯不如水套加熱爐及催化式紅外加熱裝置。當(dāng)加熱負(fù)荷在200~800 kW時，雖然催化式紅外加熱裝置設(shè)備價格較高，但運行費用較少，與水套爐總體經(jīng)濟性相差不大，在進行加熱裝置選擇時需根據(jù)技術(shù)特點及場站的實際情況進行比較，比如由于水套爐為明火燃燒設(shè)備在總圖布置緊湊的場站，與工藝裝置無法滿足規(guī)范要求的間距時，應(yīng)考慮采用催化式紅外輻射加熱裝置；對環(huán)保要求較高，加熱裝置尾氣排放指標(biāo)嚴(yán)格的場站也可以考慮采用催化式紅外輻射加熱裝置。

The Heating Engineering Design of Natural Gas Station

Southwest Municipal Engineering Design＆Research Institute of China Yang Luo

Combined with the actual situation of the project, this paper proposes the setting conditions of natural gas station heating project, introduces the methods of heating load calculation, also, it compares the technical characteristics and operating economics of the various types of heating devices.

Nature gas, Heating load, Electric heating, Water jacket furnace, Infrared radiation heating