混空轻烃燃气动力黏度计算研究

梁远桥，李远玲，朱璟琦，刘家豪，刘 涛，宋光辉

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710000；2.宝鸡文理学院，陕西 宝鸡 721000）

CJ／T341-2010《混空轻烃燃气》［1］给出了混空轻烃燃气的定义，混空轻烃燃气是以液相轻烃为原料，通过气化装置气化后与空气按照一定比例均匀混合得到的混合气体燃气。我国天然气资源短缺，进口依赖度超过30%［2］，严重制约居民、商业和工业用气，威胁我国能源战略安全。轻烃原料可以在常温下以液态运输，在偏远城镇和乡村等没有条件使用天然气管网供气的不便地带，建立混空轻烃燃气点状分布式能源供应系统可有效解决类似地区无法用气的问题。

混空轻烃燃气是一种新型掺混燃气，文献 ［3］对混空轻烃燃气的互换性、混合比、输气压力等方面和以天然气为主流的燃气管网做了比较，但没有研究燃气动力黏度对管网输送的影响。在物性参数研究方面，文献［4-6］对混空轻烃燃气的密度、露点、爆炸极限等工质参数做了重要补充，尚无混空轻烃燃气的动力黏度相关理论计算和实验测定的研究。在燃气输送方面，文献［7］针对油气田轻烃输送问题提出顺序输送的解决方案，研究过程并未提出混合烃类动力黏度计算方法。本工作结合混空轻烃燃气特性，依据混合气体动力黏度计算法则，计算出不同混合比下混空轻烃燃气的动力黏度，对比得出混空轻烃燃气动力黏度的计算方法，为今后相关研究提供数据参考。

1 燃气混合比的确定

混空轻烃燃气制备原料为石油天然气工业的烃类副产品油，经过气化装置气化后与空气按照一定比例均匀混合得到混合燃气。本次研究采用某公司提供的戊烷油原料，实验室化验后，主要为C4～C6的轻烃成分，各组分质量分数如下：正戊烷 （n-C5H12）为 44.35%，异戊烷 （i-C5H12）为54.05%，C6组分为1%，C4组分为0.6%。考虑C6、C4组分含量较少，计算时简化为正己烷 （n-C6H14）和正丁烷 （n-C4H10）。现有研究结果表明［8］，混空轻烃燃气相比天然气等其它燃气露点温度较高，容易因局部温度过低、浓度过高、工艺变化导致燃气制备和输送过程中管道产生凝液，不利于管道输送和燃气安全。混合比、压力和温度也会影响混空轻烃燃气露点温度，据文献［9，10］研究结果，当空气和气化的轻烃燃气体积比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1时的混空轻烃燃气露点为 13℃、-3.3℃、-2.5℃、-7.5℃、-11.4℃。随着压力升高，混空轻烃燃气的露点升高。混空轻烃燃气的露点温度较高是其燃气特性，在制备和输送过程中适合在中压B级及以下压力级别运行。居民楼宇燃气压力一般为低压，过大的空气和燃气混合比会导致热值不足，导致用户使用燃具加热时间过长。综合考虑本工作采用空气与燃气混合体积比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1下的工况计算混空轻烃燃气动力黏度。

2 混合气体动力黏度计算方法

2.1 低压燃气黏度估算法

《燃气工程手册》［11］提供一种经验公式计算混合气体动力黏度，已知混合气体各纯组分动力黏度。混合气体动力黏度按下式计算：

式中：μ为混合气体在0℃时的黏度值，Pa·s；wi为混合气体组分i的质量分数，%；μi为混合气体组分i在0℃时的黏度值，Pa·s。

绝对压力小于1MPa时，压力对动力黏度的影响可以忽略不计，温度对动力黏度的影响不能忽略，得到低压下任意温度混合气体动力黏度计算式：

式中：μt为混合气体在t℃时的黏度值，Pa·s；T为混合气体热力学温度，K；C为无因次实验系数，用混合法计算。

2.2 平方根规律法

混合气体在压力不高的状态下，用平方根规律法可求得动力黏度［12］，如 （3）式：

式中：xi为混合气体组分i的摩尔分数，%；Mi为混合气体组分i的摩尔质量，kg／kmol。

2.3 REFPROP模型软件计算

REFPROP（Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties）是美国NIST（National Institute of Standardsand Technology）研发的一款主要用于计算流体物性参数的软件，该软件使用广泛，集合20多种工业流体状态方程［13］，有很高的权威性和准确性，也被用作结果分析的重要对比数据库［14］。

REFPROP计算软件使用前，定义混合气体组分，输入计算工况，即可得到所求工质物性计算参数。

3 混空轻烃燃气动力黏度计算和分析

黏度存在是引起流体产生摩擦阻力的原因，宏观表现为影响管网输送压降，在管网系统动力运行时要考虑压降对系统的功耗以及输送性能影响。低压对流体黏度影响较小，几乎可以忽略［15］，高压下流体黏度的变化规律与低压不同，温度对动力黏度的影响不可忽略。现有标准和规范没有针对混空轻烃燃气动力黏度计算的公式，作为一种碳氢类混合燃气，混空轻烃燃气是一种混合气体，可以采用混合气体的动力黏度计算方法计算其动力黏度。对混空轻烃燃气的露点特性分析可知，燃气在中低压及非低温的工况下不容易产生露点凝液，这对管网输送是有利的。将混空轻烃燃气用作城市庭院燃气管网，在常温常压下输送是普遍状况，故本文计算混空轻烃燃气在常温常压下 （取 101.325kPa，20℃）的动力黏度。

由公式 （1）知求混空轻烃燃气动力黏度时，需知道燃气各组分在0℃的黏度值，测定此时黏度值势必引入误差，欲求任意温度下动力黏度引入无因次实验系数C值又二次引入误差，导致误差放大，计算得到的混空轻烃燃气动力黏度值不准确，通过比较认为平方根规律法也优于估算法，将低压燃气黏度估算法得到的混空轻烃燃气动力黏度计算结果舍去。采用平方根规律法计算混空轻烃燃气动力黏度时，是以20℃，101.325kPa为参比条件，混空轻烃燃气动力黏度与温度、压力和组分有关，燃气各组分计算温度按表1取值［16］，并计算不同混合比混空轻烃燃气各组分摩尔分数，列于表2。由表1和表2数据，代入公式 （3），即可求得常温常压下混空轻烃燃气的动力黏度。

表1 混空轻烃燃气各组分参数表

表2 不同混合比下混空轻烃燃气各组分摩尔分数

REFPROP模型软件计算操作方便，计算迅速，只需定义混合气体组分，给定相应的计算工况，就能得出结果，将平方根规律法和REFPROP软件计算得到的混空轻烃燃气动力黏度值列于表3。

表3 不同混合比下混空轻烃燃气动力黏度计算结果

由表3可知，在混合比 （体积比）为1∶1至1∶4范围内，采用平方根规律法和REFPROP软件计算得到的混空轻烃燃气动力黏度接近，最大相对误差在10%左右，在工程上运用均在允许的范围内；混空轻烃燃气合理的混合比 （体积比）在3～5，在空燃比 （体积比）为3∶1和4∶1时，混空轻烃燃气动力黏度值相对误差分别为7.069%、5.954%，误差较小，此时的动力黏度值可作为常温常压下混空轻烃燃气的动力黏度值；REFPROP软件在模型和计算精度上优于平方根规律法，认为REFPROP软件计算得到的混空轻烃燃气动力黏度值比平方根规律法结果更精确，在进行混空轻烃燃气动力黏度计算时，可采用REFPROP软件进行快速准确求解。

4 结论

1）采用混合气体动力黏度计算方法和REFPROP软件计算了不同混合比下混空轻烃燃气在常温常压下的动力黏度，最大相对误差在10%左右，在工程运用允许范围内。

2）混空轻烃燃气在常温常压下的动力黏度计算数据，可以为为混空轻烃燃气管网设计和水力计算提供数据参考。