美丽的*皮肤爱心援助工程 http://www.pfbzl999.net/作者:江明,杨罗
第一作者单位:中国市*工程西南设计研究总院有限公司
摘自《煤气与热力》年8月刊
1概述
当调压站内调压器进出口压差较大时,天然气温度在调压器节流效应作用下急剧下降,尤其是在环境温度较低或湿度较大的情况下,调压器出口管段极易结霜、结露,甚至调压器引压管发生冰堵,严重时影响设备正常运行;同时,出站天然气温度过低,也会对下游天然气管道与用户用气设备的正常运行造成安全隐患。
为了弥补天然气通过调压器所造成的温度降低,在设计调压工艺流程时,会在调压前设置天然气预热装置,用以提高调压器前天然气温度。在工程实践中,通常在调压装置中采用间接式气水换热器对调压前天然气进行预热。天然气预热装置热量由站内设置的常压燃气热水炉通过供回水管道提供。
天然气预热装置的设置方式有两种:方式一是将天然气预热装置设计为独立单元,设置于两汇管之间,天然气预热装置独立单元设计流程见图1。自上段工艺流程来气先流入汇管H,经预热单元工作支路A1(A2为备用支路)进入天然气预热装置,达到预热温度后流入汇管H,再经调压单元工作支路B1(B2为备用支路)进入调压器,调压后天然气由汇管H进入下段工艺流程。方式二则是将天然气预热装置与调压器直接串联,设置于调压器进口前,天然气预热装置与调压器直接串联设计流程见图2。自上段工艺流程来气流入汇管H,经预热调压单元工作支路A1(A2为备用支路)进入天然气预热装置,达到预热温度后进入调压器,调压后天然气经汇管H进入下段工艺流程。方式一可以提高天然气预热装置的使用率,方式二可以缩短调压装置的安装尺寸。方式一主要研究的是预热后天然气在支路A1与支路B1之间的汇管H段。
图1天然气预热装置独立单元设计流程
图2天然气预热装置与调压器直接串联设计流程
方式一与方式二中预热装置到调压器的长度均为4m,其中方式一中预热装置与调压器到汇管H的管道长度均为0.5m,与方式二的研究控制体相比,扣除相同段管道长度,所以方式一、方式二研究的汇管与管道长度均为3m。
为了研究上述两种天然气预热装置设置方式对调压器进口处天然气温度的影响,现对预热后天然气在管道和汇管中的换热情况进行分析。
2调压器进口天然气温度计算
假设调压站在一段时间内的供气量与进出站压力是稳定的。设天然气经间接式气水换热器预热后的温度为t1,预热后天然气通过管道或汇管金属壁与大气环境换热后到达调压器进口前的温度为t2,并设大气环境温度为ts。由于较低的环境温度对调压器出口天然气温度影响更大,因此本文主要研究在较低环境温度下,在管道或汇管内的预热后天然气与大气环境的传热情况,即t1>t2>ts。
在管道或汇管内预热后天然气与大气环境传热模型见图3。
图3传热模型
由于天然气是可压缩流体,并且天然气在调压装置内高速流动,存在压力损失,因而不能将天然气在调压装置内的换热视为定压换热过程。因此,由焓的基本表达式可得,在稳定流动状态下,预热后天然气在管道或汇管内的放热量见式(1):
在管道或汇管内的天然气与大气环境之间的传热由3部分组成:天然气与管内壁之间的对流换热、金属内壁与外壁之间的导热以及管外壁与大气环境之间的对流换热。因此,管道或汇管内的预热后天然气与大气环境之间的传热系数见式(2)[1]:
大气环境温度小于预热后天然气温度,即ts<tf。因此,在稳定流动状态下,在管道或汇管内的预热后天然气与大气环境之间的热流量计算见式(4):
将以上各式代入式(5),并进行整理,可得:
取p1、t1状态下的压缩因子与p2、t2状态下的压缩因子相等,将式(9)代入式(8)可得:
由式(11)可以看出,在稳定流动状态下,影响调压器进口天然气温度的主要因素包括:预热装置出口天然气温度、大气环境温度、天然气流量与密度、管道或汇管外直径与壁厚以及预热后天然气通过的管道或汇管长度。
因此,为了更直观地说明各影响因素对预热后天然气温降的影响,找到降低预热后天然气在管道或汇管内热量损失的设计方法,现利用上述公式进行对比计算分析。
3表面传热系数
在进行对比计算分析前,需根据预热后天然气在管道或汇管内的流动与换热情况,分别确定ho、hi。
①金属管外壁对流换热
在有风外界环境下,管道或汇管金属外壁与大气环境之间的表面传热系数计算采用气体横掠单管换热实验关联式[1],见式(12):
由式(12)、(13)可以看到,在相同大气环境条件下,ho随管道或汇管外直径的增大而减小。空气横掠单管换热实验关联式参数取值见表1[1]。
表1空气横掠单管换热实验关联式系数取值
②管道内对流换热
在正常工作状态下,管道内的天然气流态由雷诺数判断,当雷诺数小于等于时,天然气在管道内的流态为层流状态;当雷诺数为~1.0×时,天然气在管道内的流态处在过渡区;当雷诺数大于等于1.0×时,天然气在管道内的流态为湍流状态[1]。
根据调压装置实际安装尺寸情况,预热后天然气在管道或汇管中的流经长度与管外直径之比均远小于60。根据气体在圆管内的强制对流流动和换热特征可知[2],预热后的天然气在管道或汇管内的换热位于入口段,即由入口到充分发展段之间的区域。由于入口段的热边界层较薄,局部表面传热系数比充分发展段高,湍流的扰动与混合作用会提高管道或汇管内天然气与金属管内壁之间的表面传热系数,因而具有一定的强化换热作用[1]。
预热后的天然气在管道内湍流入口段表面传热系数计算采用试验关联式,具体见式(15)~(17):
③汇管内的对流换热
预热后的天然气流经汇管时,天然气对汇管内壁形成强烈冲刷,并在汇管内发生剧烈的扰动与混合。由于缺乏经验证的试验关联式,本文采用式(15)~(17)近似计算在汇管内预热后天然气与汇管内壁之间的表面传热系数[2]。
4对比计算
①参数取值
在对比计算中,汇管公称直径按最大支管公称直径的2倍设计,管道与汇管材质分别为QB和16MnR。在计算管内天然气与管外空气特性温度时,需先假设调压器进口处天然气温度t2和金属管外壁温度tw,待计算得出表面传热系数后,再验证假设温度是否正确,从而判断管内天然气和管外空气物性参数选取是否合理。稳定流动状态下,分别计算在管道和汇管内,预热后天然气与大气环境的传热量,计算参数取值见表2。
表2计算参数取值
②天然气在管道和汇管内的传热计算
a.管道
将表2参数代入上述公式,可计算得到管道内的预热后天然气与大气环境之间的传热系数,并最终计算得到单位长度温降,预热后天然气在管道内的传热计算结果见表3。
表3预热后天然气在管道内的传热计算结果
b.汇管
预热后天然气在汇管内的传热计算方法是采用式(15)~(17)计算得到预热后天然气与汇管内壁的表面传热系数hi,并将其代入式(2)得到汇管内预热后天然气与大气环境之间的传热系数K。预热后天然气在汇管内的传热计算结果见表4。
表4预热后天然气在汇管内的传热计算结果
③对比计算结果分析
通过对比计算可以看出:在相同条件下,预热后天然气在管道内的单位长度温降小于在汇管内的单位长度温降;预热后天然气单位长度温降并未因管道或汇管内壁一侧换热强度的增强而大幅提高。
虽然预热后天然气在汇管内的表面传热系数hi因进入汇管内的天然气雷诺数下降而减小,但是汇管直径的增加却导致传热面积的增加,提高了热损失。预热后天然气传热量受金属管壁内外两侧表面传热系数的影响,并不会因一侧的表面传热系数增大而大幅度提高,且传热系数受表面传热系数较小一侧的换热情况影响较大。
当预热装置出口至调压器进口管道长度与管外直径之比小于10时[2],调压器进口段对预热后天然气在管道内的对流换热影响将更大,预热后天然气在管道内的热量损失将增加,因而调压器进口天然气温度预计小于计算值。
对于运行初期的调压站,由于下游用户少、天然气流量小,因而预热后天然气热量损失也相应增加。由式(7)和式(11)可以看出,天然气质量流量是影响预热后调压器进口温度的主要因素之一。以D×10管道和D×10汇管为例,运行初期不同流量下预热后天然气在管道内、汇管内的传热计算结果分别见表5、表6。
表5预热后天然气在管道内的传热计算结果
表6预热后天然气在汇管内的传热计算结果
由表5、6可以看出,天然气流量越小,预热后天然气通过管道或汇管的单位长度温降越大,且在汇管中的温降高于在管道内中的温降。
5结论与建议
①从减少预热后天然气热量损失角度来看,天然气预热装置与调压器直接串联设计为较优设置方式,但同时降低了天然气预热装置的使用效率,与调压器的配置模式为一对一。
②对于天然气流量较大的调压站,天然气预热装置可采用独立单元设计方式。该方式不仅可以提高天然气预热装置的利用效率,并且热损失量可控制在允许的范围内。对于天然气流量较小的调压站,则建议采用天然气预热装置与调压器直接串联设计方式,减少预热后天然气的热量损失。
③对于运行初期天然气流量较小的调压站,天然气预热装置所采用的设计方式应根据供气量情况来选择。当天然气供气量长期处于小流量状态,采用与调压器直接串联设计方式;若天然气供气量以较大流量为主,小流量仅出现在用气低谷时,可采用独立单元设计方式,以提高使用效率。
④在实际工程中,预热后天然气由汇管支管进口阀门处进入汇管中,经变向、混合后从汇管支管出口阀门处高速流出后进入调压器。在此过程中,天然气在汇管内的流动与换热特征与在圆管中的换热并不完全相同,由于缺乏资料,本文将预热后天然气在汇管中的对流换热近似简化为在圆管内的换热过程。由于缺乏天然气在汇管内对流换热过程的相关研究,因此预热后天然气在汇管内的换热过程试验及其关联式的推导是进一步验证与完善理论的重要工作。
参考文献:
[1]杨世铭,陶文铨.传热学[M].3版.北京:高等教育出版社,.
[2]任泽霈.对流换热[M].北京:高等教育出版社,:-.
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