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张士CNG减压混气站气质问题研究

摘要：根据张士CNG减压混气站的生产状况及出现的问题，分析CNG中C2以上组分的存在对设备和生产的影响。从理论和生产实际两个方面研究天然气减压后的物态，组成和温度的变化，对CNG的气质提出要求。并找到可能的解决措施，对今后的生产有重要的指导意义。
一．张士CNG减压混气站简介
该站坐落于沈阳市的张士经济技术开发区，2004年刚刚建成运行，气源比较复杂，来自于长岭，阜新和盘锦。其中盘锦油田的C2以上组分含量较多，油田气组分分析报告列入表1：
表1 油田气组分分析报告
组分
含量％
组分
含量％
N2
2.80
C5
0.87
C1
79.45
C6
0.26
C2
8.72
C7
0.11
C3
5.09
C8
0.02
C4
2.67

可见油田气中约有甲烷80％和其他烷烃组分20％，本文中称这些C2至C8组分为重质组分。本文讨论CNG重质组分对CNG减压混气站生产的影响，并提出一些可能的解决措施。
首先简述一下工艺过程：油田的压缩天然气由罐车运至本站，罐车的压力约为10～20MPa，经过一级换热减压至4MPa，再经过二级换热减压至1.6MPa。然后三级减压到约0.2MPa，混气后送到市街管网。混气后的一小部分天然气送回至燃气锅炉，用于提供一级和二级的换热器加热水。
二．CNG重质组分对生产的影响
1． 在4MPa以上时，重质组分为液相。卸车之初液相在管道内造成管道局部阻力增加，罐车与卸气柱之间的压损在1MPa以上。
2． 重质组分在三级减压后大量气化，介质温度急剧下降，超过钢材（20#钢）使用温度下限，造成安全隐患。
3． 由于重质组分的高热值混合气的热值比正常混气高出约2000 kcal/m3（7600-9600 kcal/m3），影响锅炉燃烧器的正常工作，有可能造成锅炉熄火，系统停车。
三．相平衡理论计算
从理论上分析CNG重质组分在减压后对管道内天然气温度的影响，讨论能够接受的重质组分含量。取二级和三级调压前后的压力4MPa，1.6MPa和0.2MPa状态计算平衡组成。CNG重质组分包括C2到C8的烃类，减压时这些组分不同程度的气化，根据相平衡条件计算出温度-20℃时气液相的组成列入表2中：
表2 气液相平衡组成计算数据
重质组分
压力4.0MPa
压力1.6MPa
压力0.2MPa
液相
气相
液相
气相
液相
气相
C1
0.00%
100%
0.00%
87.47%
0.00%
81.14%
C2
49.20%
0.00%
15.58%
8.68%
1.40%
9.84%
C3
28.70%
33.71%
3.23%
4.74%
5.73%
C4
15.10%
32.68%
0.58%
13.29%
2.99%
C5
4.90%
12.54%
0.04%
20.97%
0.94%
C6
1.50%
3.98%
0.00%
26.49%
0.25%
C7
0.50%
1.34%
0.00%
25.09%
0.05%
C8
0.10%
0.27%
0.00%
8.11%
0.00%
三．相关参数的确定
实际生产的三级减压，即压力1.6MPa减压到0.2MPa的温度变化情况列入表3：
表3 三级减压温度变化生产记录
时间
三级减压前温度℃
三级减压后温度℃
减压前后温度差℃
5：35
6
-22.8
28.6
5：40
6
-24.5
30.5
5：45
5
-23.6
28.6
5：50
6.2
-24.6
30.8
5：55
8
-24.8
32.8
6：00
9
-24.8
33.8
重质组分气化放出的显热与潜热相比可以忽略。重质组分气化所吸收的全部热量Q1等于甲烷降温放出的热量Q2和管道外空气传递的热量Q3之和。在天然气流量为L=1000Nm3/h，甲烷放热前后的温差℃。考虑到节流效应有约5℃的温降，由甲烷本身放热造成的温差℃。所以重质组分气化吸收的热量为：

其中——i组分的体积百分含量；
——i组分的气化潜热kJ/kg；
——i组分的密度kg/m3；
——天然气的流量Nm3/h；
——表示组分含碳的个数。

其中——表示甲烷的比热。
——表示甲烷的减压前后的温度差。
取当时空气温度℃。
空气传热给天然气的温差℃。

又由传热方程

对于该减压系统，空气与天然气的传热面积不变，即A不变。另外管内天然气强制对流换热，而管外空气自然对流换热，因此管道外空气与管壁的传热热阻远大于管道内管壁与天然气的传热热阻，可以认为总传热系数K与管道内天然气流量无关。将此实验值带入其他状态计算天然气减压后温降是符合实际情况的。

四．不同重质组分含量时天然气温降的计算
计算出气液相组成后可知天然气压力由4MPa减压到1.6MPa和1.6MPa减压到0.2MPa时重质组分的气化量，根据气化潜热计算所需吸收的热量Q1。这部分热量除了从空气中吸收的部分Q3外，其余从天然气中吸收的部分Q2使天然气温度下降，因为天然气中绝大部分组分是甲烷，根据甲烷的热容估算甲烷的温降，并近似认为是天然气的温降。
重质组分的含量也影响天然气的温度降低的程度，重质组分的含量越大则天然气温降越大。另外压力降低产生的节流效应也可以使天然气温度降低，根据实际情况观察压力在4MPa到0.2MPa范围内，压力每降低0.3MPa，温度就下降1℃。
计算重质组分含量分别为5％，10％，20％和30％时天然气温度降低的结果并列入表4：
表4 减压过程天然气温降的计算结果
重质组分含量
4MPa减压到1.6MPa
1.6MPa减压到0.2MPa
重质组分气化
节流效应
总温差
重质组分气化
节流效应
总温差
5%
7.0℃
8℃
15.0℃
2.5℃
4.7℃
7.2℃
10%
15.8℃
8℃
23.8℃
10.0℃
4.7℃
14.7℃
20%
47.3℃
8℃
55.3℃
26.0℃
4.7℃
30.7℃
30%
46.0℃
8℃
54.0℃
48.2℃
4.7℃
52.9℃
重质组分含量30％时，1.6MPa减压到0.2MPa后C3-C5组分大量气化，导致温度急剧下降。从计算结果可以发现CNG中重质组分含量在5％以内时，重质组分气化与节流效应产生的温降相近，不会对生产有太大影响。
五．限制管道流量时天然气温降的计算
因为管道外空气传递的热量Q3与管道流量无关，而流量减小单位时间内重质组分气化量减小，需要吸收的热量减小，所以天然气温降也相应减小。同时认为节流效应产生的天然气温降与流量无关。
计算重质组分含量为20％，天然气流量分别为500Nm3/h， 750Nm3/h和1000Nm3/h时温度降低的结果并列入表5：
表5 减压过程天然气温降的计算结果
天然气流量Nm3/h
4MPa减压到1.6MPa
1.6MPa减压到0.2MPa
重质组分气化
节流效应
总温差
重质组分气化
节流效应
总温差
500
19.4℃
8℃
27.4℃
6.2℃
4.7℃
10.9℃
750
38.5℃
8℃
46.5℃
22.5℃
4.7℃
27.2℃
1000
47.3℃
8℃
55.3℃
26.0℃
4.7℃
30.7℃
1200
52.8℃
8℃
60.8℃
37.8℃
4.7℃
42.5℃

六．解决方案
1．对盘锦供应源头提出要求，降低重质组分含量。
2．在卸气柱后一级调压前设高压气液分离装置。
3．在三级减压前设三级换热器或提高一级和二级换热器的换热能力，如增加锅炉给水温度。
4．提高锅炉燃烧器的适用范围。
5．限流以降低管道流量，减小气化温降。