天然气调压器出口温度及温度降的计算方法探讨

王 芳

(合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230075)

0 引 言

调压器作为一种压力调节装置，是燃气门站、各种场站的主要核心部件，也是天然气管网输配运行过程中的核心调压设备，它的作用是将上游较高的压力调节至下游所需要的较低的压力，并保持出口压力为某一恒定值。调压器是否能安全可靠地对天然气管网向用户供气的能力与安全稳定性有着直接影响[1]。当调压器进出口压差较大时，调压后的天然气温度会急剧下降，尤其是在环境温度较低的情况下，调压器出口管段极易结霜、结露，甚至引起调压器引压管发生冰堵，严重时影响设备正常运行[1-4]。本文对调压器进行温度降的计算，为调压器工艺设计提供依据。

1 调压器工作原理

自力式的调压器是应用较广的一种调压器，是依靠介质本身出口压力变化自动完成出口压力调节的调压器[1]。自力式调压器无须外加驱动能源，仅依靠被调介质自身的压力变化进行调节，在流量和进口压力发生变化时，保持出口压力的恒定[3]。调压器由指挥器、稳压器和主阀组成，示意图如图1所示。

图1 调压器示意图

图1中节流孔实际上是在指挥器的内部，但为了说明原理将它画在了指挥器的外部。天然气从左边进，右边出；压力为P1的天然气除了通向主阀进口外，还通向稳压器进口，稳压器出口与指挥器进口连接，指挥器出口输出压力为P3的天然气，一部分进入调压器的驱动器腔里，另一部分经节流孔压力降为P2后进入调压器出口管道，同时向稳压器和指挥器反馈P2压力信息，以实现调压器正常工作[5]。

2 节流孔工作原理

控制压力最直接和最有效的方法就是设计合理的节流孔。目前，节流孔大致分为薄壁孔、短孔和细长孔三种类型，如图2所示[6]，图中l为壁厚(即孔长)，d为孔径。

图2 节流孔形式

通过改变节流孔的通流面积或长度，就可以调节流经节流孔的流量和瞬态压力，从而达到控制压力的目的。天然气节流降压过程会导致温度的降低。

3 调压器温度降的计算

3.1 计算体系

将指挥器、稳压器和主阀所构成的调压器作为一个整体，以调压器为计算对象,如图3所示。

图3 计算对象

3.2 不同条件下天然气(甲烷)焦耳-汤姆逊系数

天然气经过节流孔时，温度随压力的变化称为焦耳-汤姆逊系数[7]，表达式如下：

董正远等[8]使用BWRS状态方程，推导出了计算焦耳-汤姆逊系数的完整公式，并计算出了不同条件下天然气(甲烷)的焦耳-汤姆逊系数,见表1。

表1 不同条件下天然气(甲烷)焦耳-汤姆逊系数

3.3 天然气不同调压范围焦耳-汤姆逊系数

我国城镇燃气管道按燃气设计压力(表压)分为七级[9]，分别是：①高压燃气管道A级，压力为2.5

表2 不同等级压力平均值下的天然气(甲烷)焦耳-汤姆逊系数

3.4 不同等级压力天然气经过调压器后的温度与温度降

在天然气输送过程中，每一级压力的转换都是由调压器来完成的，天然气经过调压器发生节流过程，降低了压力，也降低了温度。但温度过低时易结霜、结露等影响设备有效运行。因此，关注天然气经过调压器以后的温度十分重要。

根据焦耳-汤姆逊系数可得：

ΔT=T2-T1=μJ×Δp=μJ×(p2-p1)

T2=μJ×(p2-p1)+T1

因此，可以根据焦耳-汤姆逊系数和压力变化值来计算调压器出口天然气温度和温度降。不同温度下天然气流过调压器后的温度和温度降计算结果见表3～表5。

表3 25℃下不同等级压力转换时调压器出口天然气温度和温度降

表4 10℃下不同等级压力转换时调压器出口天然气温度和温度降

表5 0℃下不同等级压力转换时调压器出口天然气温度和温度降

4 结 论

计算结果表明，常温下天然气经过调压器后的温度都远高于0℃；当温度低于10℃时，从高压A级向次高压A级及以下压力等级调压时，调压器出口温度降到0℃以下；而在冬天，当气温在0℃左右时，从较高压力向较低压力调压时，调压器出口温度甚至降到-10℃以下，极易导致结霜、结露。因此，冬季应加大对调压器进行维护保养的频次，多做调压器测试，及时维修或更换测试不合格的调压器。在气温更低的北方地区，必要时要在调压器前增设加热器。