南北温度差异在燃气供气系统设计中的考虑

赖文光，曹翠华

1.天津市华钡燃气热力工程设计有限公司，天津 300074

2.天津市化工设计院，天津 300193

1 我国的南北温度差异

我国幅员辽阔，受地域以及地形和太阳辐射的影响，南北气候差异明显，如下是我国冬季和夏季的最低和最高温度以及温度的分布概况。

1）冬季气温最低的地方：漠河 零下50(-52.3℃)；

冬季气温最高的地方：三亚 年平均气温25.5℃；

2）夏季气温最低的地方：青藏地区 平均气温10℃左右；

夏季气温最高的地方：吐鲁番盆地 (49.6℃）；

3）1月平均气温为0℃以上的地方为长江以南的地域，一1月平均气温为0℃以下的地方为长江以北的地域；7月平均气温28℃以上的地域主要是长江以南地区以及黑龙江东部、新疆吐鲁番盆地。

2 燃气供气系统受温度的影响因素

2.1 燃气介质与温度的关系

燃气在冷却或加压时凝结成露的温度即为露点温度，或称液化点温度。不同介质的燃气由于组成成分不同，因此露点温度不同。在其他条件不变的情况下，C量高的液化石油气以及轻烃燃气等的露点温度比较高，C含量低的天然气露点温度比较低。同一燃气的露点随压力的升高而增大。如液化石油气中的饱和碳氢化合物气体，其中的组分丙烷在1个大气压（1.01325×105Pa）时，露点温度为-42℃，在3.7个大气压时（3.74903×105Pa）下露点为-10℃，而在8大气压（8.106×105Pa）下的露点为20℃。而天然气在1个大气压（1.01325×105Pa）下，露点温度为-161.49℃。36个大气压下（36.477×105）Pa，露点温度为-90℃。从数字上可以看出，燃气的露点，在同一压力的情况下是同一数值，实际上即为燃气的饱和压力值下的饱和温度值。

2.2 输送管材与温度的关系

燃气输送用的管材主要有钢管和PE管两种，通常设计上对于不同压力级制的输送任务，选用不同的管材。而管材在不同的工作温度下，会产生温度变形以及热应力。变形量计算公式如下：

式中：

ΔL为管道伸缩量m；

α为管材线膨胀系数 m/m℃；（钢管管壁在20℃时为11.8×10-6 m/m℃）

t1为管道的安装温度℃；

t2为燃气的温度℃；

L为管道的长度 m。

如果将管道两端固定，所产生的热应力：

式中：σt为热应力MPa；

E-弹性模数MPa，钢取2.1×105 MPa。

3 南北气候差异对燃气供气系统设计的影响以及设计中的考虑事项

1）由于燃气供气系统中的输送介质受温度的影响，在一定的设计压力下，在低于露点温度下运行时，会产生结露现象，增加管道阻力，使局部管段容易压力过高发生物理性爆炸事故，因此在设计过程中，我们要做到以下几点：

（1）确定输送介质的种类以及相关的气质条件；

（2）确定工程施工地段的冬季最低气温以及土壤冰冻线以下的最低土壤温度等参数；

（3）针对实际情况对燃气供气系统的压力级制进行选择，并合理确定设计压力和运行压力；

（4）计算在设计压力下介质的露点温度；

（5）对管道系统进行分析，对有可能出现低于露点温度下运行的系统采取措施进行保护（如进行保温，或从气源处采取混空气提高露点温度等措施）。

以下是丙烷和丁烷以及甲烷在不同压力下的露点温度值（表1）：

表1 丙烷和丁烷以及甲烷在不同压力下的露点温度值表

由于我国一月份平均气温低于20℃的地域占绝大多数，长江以南地区平均气温高于0℃，以北地区气温低于0℃。而从表1中，可以看出：

（1）液化石油气系统：丙烷在约8个大气压下（丁烷在约2个大气压下）的露点温度为20℃，丙烷在约4.7个大气压下（丁烷在约1个大气压下）的露点温度为0℃，而丙烷在约2.4个大气压下（丁烷在约0.45个大气压下）的露点温度为-20℃，由于液化石油气的主要成分是丙烷与丁烷，因此在对液化石油气系统进行设计时，对于北方地区的运行压力不建议超过0.045MPa，对于南方地区的运行压力不建议超过0.1MPa，具体的运行压力应结合当地的气温及土壤温度情况确定。对不符合条件的地区，应采取液化石油气混空气的办法提高介质的露点温度。

（2）天然气系统：天然气的主要成分是甲烷，甲烷在0.365MPa下运行时，露点温度为-90℃，我国所有区域都能满足冬季温度高于此露点温度，因此对于天然气系统（干气，不含水蒸气），可不对露点温度进行核算。

2）由于燃气供气系统中的管材在运行过程中受温度的影响，在设计过程中，重点是要考虑管道的热应力的补偿措施，以防止管道内部的热应力存在破坏管道。因此，可从如下方面考虑：

（1）确定施工地的管道运行最低温度和最高温度，对管道的变形量进行计算；

（2）对燃气供气系统选择合理的补偿热变形量的措施，如选用方形补偿器、波纹管补偿器等；

（3）对于长江以北地区昼夜温差大以及冬季夏季温差大的地区，架空部分的室外金属管道应选择焊接的连接方式（原因是选用螺纹连接时，接口由于管道的长时间伸长缩短容易造成漏气）；

（4）对于长江以北地区的燃气供气系统中的管道进行保温；

（5）对于夏季温度高的地区埋地PE管道降低运行压力（由于聚乙烯管道在超过20℃时，工作压力应依据温度进行折减）。

4 考虑南北气候差异的燃气系统的安全性分析

在设计过程中考虑南北气候差异的影响，可在管道投入使用后，有效地避免管道中析出液体出现增加管道阻力而发生爆管的危险，也有效地抵消了管道由于温度变化产生的热应力，对于高温地区运行的PE系统也很好地进行了设计上的保护。可见，考虑南北气候差异的影响，在设计上是安全可靠的，在设计过程中应予以考虑。

5 不确定性分析

由于我国南北气候差异很大，实际的大气温度和土壤温度的详细资料应对施工地进行实测后确定，而温度资料会出现随年不同的不均匀性，因此在参考相关年份统计资料的基础上，还应考虑温度的不确定性，在设计过程中留有足够的余量，不能满打满算。

6 结论

考虑南北气候差异在燃气供气系统中的影响，在燃气工程设计领域已经得到了广泛的应用和实践，并得到了广泛好评，值得作为一项安全设计任务进行推广。

[1]段常贵主编.燃气输配[M].3版.中国建筑工业出版社.

[2]卢焕章，等编.石油化工基础数据手册[M].化工出版社，1984，7.

[3]地理教学挂图（中国一月、七月平均气温）.地图出版社编制出版.