压缩天然气调压装置的供热

潘能智

（广西工联工业工程咨询设计有限公司，广西 南宁 530003）

1 压缩天然气调压装置应用的场合

压缩天然气（以下正文统称CNG）是指压缩到20～25MPa的天然气，其辛烷值在122～130之间。CNG（25MPa）约为标准状态下同质量天然气体积的1／300。尽管CNG能储密度比液化石油气和液化天然气低，然而作为汽车替代燃料或向难觅优质民用燃料的城镇供应燃气而言，由于CNG生产工艺、技术、设备较简单，运输装卸方便，又在环境保护方面有明显优势，因此它不失为值得选择的城镇燃气气源形式之一。CNG调压装置应用在CNG需要从高压调到低压的场合，比如城镇CNG供应站。

2 压缩天然气调压装置中调压部分的工艺流程

CNG调压装置可集成为一体化设备，进口压力一般不大于20MPa。CNG调压装置由调压器、高压切断阀、放散阀、换热器及截止阀等组成，可分为二级调压和三级调压，设备和仪表大同小异，仅在压力调节参数上有所不同。CNG调压装置的调压参数为：一级调压从20MPa减至3.0～7.5MPa，二级调压减至 1.6～2.5MPa，三级调压减至 0.1～0.4MPa。 CNG 调压装置的三级调压工艺流程如图1所示。

CNG调压装置一般还包括计量和加臭部分。CNG调压装置出口温度控制在10～20℃之间，以热水作为热源供CNG在一、二级调压换热所需的热量补偿，通常进水温度取65～85℃，回水温度取60℃。

图1 CNG调压装置（三级）流程图

3 压缩天然气调压装置供热量的计算

在CNG调压装置里，选用了许多阀门和调压器等节流设备，这些节流设备前后有较大的压力降，CNG流过时会发生焦耳－汤姆逊效应，即绝热节流膨胀过程。

焦耳－汤姆逊对理想气体绝热节流试验表明，气流在试验区段内不作外功，节流过程是初、终态焓值相等的降压过程，温度不发生变化。但是在实际气体的节流过程中，在压力降低的情况下会出现温度变化，其大小和方向同当时气体的压力与温度有关。研究表明，大多数在常温下的高压气体进行节流降压，其温度总是降低的。因此，CNG节流膨胀时温度会下降，必须给CNG提供热量，以抵消CNG发生焦耳－汤姆逊效应引起的温降。

CNG调压装置里换热器的热交换功率可以按式（1）计算：

式中：Q——热功率，kJ·h－1；

qn——标准体积流量，m3·h－1：

Cp——气体定压比热，kJ·（m3·℃）－1；

Δt——通过调压设备的温差，℃；

ΔP——降压前后的降力差，MPa；

d t／d p——焦耳-汤姆逊效应，℃·MPa－1，对于天然气，工程上一般取 4℃·MPa－1。

天然气（甲烷）绝热节流温降可按式（2）计算（由于Z的Gopal表达式中的系数是分段给出的，所以绝热节流温降也需分段计算）：

式中：Pe，Te——绝热节流后甲烷压力，MPa，温度，K；

Ps，Ts——绝热节流前甲烷压力，MPa，温度，K；

Pc——甲烷临界压力，MPa；

Tc——甲烷临界温度，K；

R——甲烷的气体常数，kJ·（kg·K）－1；

cp——甲烷的定压比热，kJ·（kg·K）－1；

A，C——甲烷压缩因子Z的Gopal表达式中的系数。可查相关表格。

4 注意的问题

上述调压装置可以根据工程的需要引出3个不同的压力等级以满足不同的压力需要。工程中应用上述原理，也可自行设计调压装置来满足特定的工程需要。

另外，由于焦耳－汤姆逊系数并不是常数，而是天然气压力和温度的函数，计算节流过程的温降应该用积分方法，如取4℃／MPa作为焦耳－汤姆逊系数，由式（1）计算得出的结果会有较大偏差，但可满足一般的工程需要，式（1）和式（2）相结合分段进行积分，可得到比较精确的数值。

［1］ 严铭卿，廉乐明，等.天然气输配工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［2］ 严铭卿.燃气工程设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.