談談瓶組自然氣化集中供氣的供氣能力-

談談瓶組自然氣化集中供氣的供氣能力-

一、引 言

我國(高層民用建筑設計防火規(guī)范)(GBJ45—82)規(guī)定，高度為10層以上住宅建筑和高度超過24m以上的其它民用建筑和工業(yè) 建筑為高層建筑；在高層建筑內使用可燃氣體時，應采用管道供氣。在剛剛通過的《廣東省燃氣管理條例》中又明確規(guī)定：十層以上房屋建筑的燃氣管道設施，應當與主體工程同時設計、同時施工、同時交付使用；尚未安裝燃氣管道的城鎮(zhèn)，十層以上房屋建筑應當鱗集中供氣系統(tǒng)。該條例再次強調了高層建筑實行燃氣管道供應的必要性。

在我省的絕大部分城鎮(zhèn)，液化石油氣小區(qū)管道供氣處在剛剛起步階段，尚未達到小區(qū)供氣的區(qū)域，甚至還未開始搞小區(qū)供氣的城鎮(zhèn)大量存在。這些城鎮(zhèn)和這些區(qū)域的高層建筑集中供氣的設計，首先應考慮氣源。城鎮(zhèn)管網(wǎng)化是燃氣發(fā)展的總趨勢，所以，作為要被城鎮(zhèn)管網(wǎng)取代的臨時供氣系統(tǒng)，在用戶數(shù)量不多的情況下，僅為房屋的報建而花大量資金建設一個氣化站，顯然是不切實際的。如果采用瓶組集中供氣，方式用兩種，一是強制氣化，二是自然氣化。強制氣化不僅其設備昂貴，按照規(guī)范來建造瓶組間和氣化間，還要絕對保證電源、熱源的供應。相比之下，最簡單、最方便、最經(jīng)濟的便是自然氣化了。

(城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范)(CB50028—93)規(guī)定，瓶組的氣瓶總體積不超過1m3時，可將其設在建筑物附屬的瓶組間或專用房間內，總體積超過1m3應將其設置在高度不低于2．2米的獨立瓶組間。而且獨立瓶組間與其他建、構筑物要有足夠的防火距離。也就是說，在房屋建筑規(guī)劃的同時，要劃出足夠面積的地來建獨立瓶組間。據(jù)調查，一般瓶組采用的都是50Kg的鋼瓶，體積不超過1m3，則氣瓶總數(shù)不多于8個，那么8個50Kg鋼瓶的供氣能力滿足多少戶呢?這就涉及自然氣化能力問題了。


二、單瓶自然氣化能力的計算

(一)氣化原理

自然氣化是指容器中，液態(tài)的液化石油氣依靠自身顯熱和吸收外界環(huán)境熱量而氣化的過程。

容器尚未導出氣體時，液化石油氣的壓力為液溫與氣溫同為，時的飽和蒸氣壓P0。開始從容器導出氣體后，壓力下降，相對應的液體溫度也同時下降。如圖1所示的實踐，經(jīng)過S時間后，液溫達t0'并保持不變，此時壓力為t0'時的蒸汽壓P0'，容器內的氣化速度為V0'，氣化將繼續(xù)下去。從開始導出氣體到S時間內，利用顯熱的氣化速度和原有氣體的導出速度的總和從v0'減少到零；相反，靠傳熱的氣化速度由零變?yōu)関0'。經(jīng)過S時間后全靠傳熱氣化。

實際上，容器內導出的氣體壓力要滿足調壓器入口最低允許壓力Ps的要求，也就是說，液溫必須在不低于Ps時的溫度ts的范圍內氣化，速度為V0。

(二)自然氣化能力的計算公式

在以t0為最低允許液溫時，S時間內容器的氣化量為
G＝G1十G2+G3 (1)

式中
G——S時間內總氣化量(Kg)
G1——S時間內依靠自身顯熱的氣化量(Kg)
G2——S時間內原有氣體向外導出量(Kg)
G3——S時間內依靠傳熱的氣化量(Kg)

上述三部分氣化量分別為：
G1＝1/VG'Cpm(t-t0) (2)
G2＝(V—G'V)(P—P0) (3)
G3＝1/VKF(t-t0)*S*1/2 (4)

式中
V——氣化潛熱(KJ／Kg)
G'——容器內的液量(Kg)
t0———最低允許的液溫(℃)
t——空氣溫度(℃)
Cpm——t～t0液化石油氣的平均比熱(KJ／Kg·K)
V——容器的內體積(m3)
v——t—t0液化石油氣的平均比容(m3/Kg)
P——氣態(tài)液化石油氣空化前的密度(Kg/m3)
p0——氣態(tài)液化石油氣t0時的密度(Kg/m3)
K——總傳熱系數(shù)(KJ／m2·S·K)
F——容器液化石油氣的濕表面積(m2)

(三)影響因素和設計條件的確定

由上述的公式可以看出，影響氣化能力計算結果的因素有剩液量、液化石油氣的組分、調壓器的進口壓力、容器的種類等等，這里只談談比較難確定設計條件的主要幾個因素：

1．液量 沒有液量就沒有氣化而言。如果鋼瓶用到不能滿足用戶需要時的液量(即剩液量)過多，會給換瓶帶來困難，換瓶次數(shù)會因此增加。剩液量少，則濕表面積減少，傳熱氣化年度也相減少；導致設計氣瓶總數(shù)增多。我們認為，設有氣體自動切換裝置時的剩液量為充裝量的50％，設時為30％。

2．組分 液化石油氣為烴類的混合物，成分以丙烷、丁烷為主，組分比例由4：1～1：2不等。由于這樣大的變化，計算時只能根據(jù)當?shù)厮�供應液化石油氣的組分取近似值，這就給計算結果帶來一定的偏差。而在氣化過程中，沸點低、蒸汽壓高的組分氣化能力大，因此，在氣液量不斷減少的同時其組分也隨著氣化過程發(fā)生變化。也就是說，隨著液量的減少，丙烷的比例越來越小，丁烷的比例越來越大，氣化能力也就越來越小。同時液化石油氣的比熱、氣化浴熱、沸點、密度熱恒等性質也起較大的變化。由這種變化對氣化能力計算結果的影響是絕不能忽視的。而剩液量中的組分及其性質在設計中的變化是很難確定的。

3．環(huán)境溫度、設計壓力和最低液溫設計的環(huán)境溫度在理論上應當是30—50年本地區(qū)的歷史最低溫度。但是，瓶組自然氣化只是作為過渡氣源的方式，沒有必要按此框框來設定，而應當根據(jù)本地區(qū)的氣溫情況和供氣情況，適當調整。

設計壓力就是氣化的最低壓力。正在氣化中的液溫隨壓力變化，壓力越低，液溫也越低，溫差就會增大。從式(4)中可看出傳熱氣化量與溫差成正比的。我們認為，設計的最低壓力就是調壓器的進口壓力Ps，一級調壓系統(tǒng)0．17mPa(絕)，二級調壓系統(tǒng)為0．20mPa。

最低液溫就是液化石油氣達到最低設計壓力時的液體溫度。此溫度雖然可以根據(jù)相平衡的圖表來計算(如《燃氣輸配》、《燃氣規(guī)劃》中的相關圖表)，但由于最低壓力過小，計算所得到結果往往在一個較大的范圍。加上液化石油氣組分的偏差，剩液量中組分及性質的變化，常常會導致與實際情況不相符的結論。

4.總傳熱系數(shù)在眾多影響氣化能力的因素中，最難確定的便是總傳熱系數(shù)。

鋼瓶自然氣化的傳熱過程主要包括液化石油氣自身沸騰的對流換熱，液化石油氣與鋼瓶內壁換熱，通過壁厚、漆層的導熱，外壁面與空氣的傳熱等。因此總傳系數(shù)與環(huán)境溫度、液化石油組分、沸點、熱容、比熱、導出氣量，與鋼瓶的壁厚、漆厚及環(huán)境氣溫、空氣流動情況等等因素有較大關系。由于這些因素的多變性，要從理論上用傳熱學原理計算出總傳熱系數(shù)確是很艱難的。

既然通過計算的方法得不出結果，那么就應當由眾多實驗中取得。對于一般工程技術人員，受到眾多條件的限制，要完成這些實驗取得數(shù)據(jù)，就有很大的困難。并且，國內也沒有這方面的詳細數(shù)據(jù)。在一些專業(yè)資料中，所給的值都是較大的一個范圍，并相差很遠。如《燃氣輸配》中認為，在地上容器可取K＝41～62KJ／m2．S．K，對于地下容器可取K=10-20KJ／m2．S．K；《燃氣工程手冊》則認為，對地上50Kg鋼瓶，在無風狀態(tài)可取K＝7～8．2w／m2℃，在空氣少許流動時可取11～17．5w／m2.℃當氣化過程中由于液溫使容器外表面結露或結冰時，K值為正常情況的三分之一，對地下容器可取3～6w／m2℃。單位換算后，兩者相差數(shù)百倍。這種差別使設計人員無所適從。

綜上所述，在利用公式計算單瓶的自然氣化能力時，由于眾多因素的影響，設計用的數(shù)據(jù)很難取定，給計算帶來重重阻力。所以在一般的設計計算中，這種計算方法很難達到目的。

三、自然氣化能力表

自然氣化表是采用實驗數(shù)據(jù)制成的計算圖表。國內尚未這方面的詳細資料，一些專業(yè)設計手冊也只略為介紹幾個日本50Kg鋼瓶的氣化能力表。下表便是從接近現(xiàn)實條件從中選取的一些數(shù)據(jù)。

50Kg鋼瓶高峰負荷時的氣化能力（Kg/h) 溫度（℃）50不帶氣體自動切換閥0.790.37帶氣體自動切換閥1.500.99

使用條件是丙烷占60％，丁烷占40％，高峰負荷時間為2小時。

四、供氣能力

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》的要求，如果總瓶數(shù)為8個，則應當一半是工作的，另一半為備用的。4個50Kg鋼瓶在5℃；高峰負荷時間為2h，丙烷占60％(充裝時的比例)的狀況下，帶自動切換閥和不帶自動切換閥的總氣化能力為6．0Kg/h和3．16Kg/h。以每戶居民用戶都有一個雙眼灶和一個熱水器為熱負荷的計算依據(jù)，由燃氣的低熱值和相應的同時工作系數(shù)可計算出供氣能力分別為36戶和16戶。

五、環(huán)境溫度對供氣能力的影響

前面談到，瓶組集中供氣作過渡性的氣源供應，其設定的環(huán)境溫度應當視實際情況而定。

在我省的大部分城市，持續(xù)低溫天氣的時間很短。一年當中溫度在10℃以下的時間，一般在10天左右。這樣，在考慮把氣瓶設置在建筑附屬的瓶組間或專用房間時，就應當充分利用這個溫度的氣化裕量，而在低溫時則對其加強管理，應當是可行的。

如果把環(huán)境溫度定在10℃，情況會怎樣?

首先，從計算公式(1)、(4)可知，利用顯熱和傳熱氣化的氣化量與溫差成正比。也就是說，在其他設計條件不變的前提下，把環(huán)境溫度由5℃提高10℃，液化石油氣氣化中的G1和G3會增加一倍。G2保持不變，但在G中只占很少一部分。故此總的氣化能力增大將近1倍，瓶組的供氣能力也差本多翻一番，由原來的36戶和16戶增加到72戶和32戶。

其次，當溫度低于100C的時間內，就會出現(xiàn)剩液量增多的現(xiàn)象，這種情況可以通過防爆風扇等設施，來增加瓶組間內的空氣流動而得到一些改善。也可以在設計工藝時，在氣體自動切換閥前加裝旁通閥門來改善，因為在氣瓶總數(shù)不變，把工作瓶定為6個，備用瓶為2個，其相同的氣化能力會增加50％。

在相同條件下，當設計獨立瓶組間，氣瓶總數(shù)達到40個時，瓶組自然氣化集中供氣的供氣能力可達370戶。

總之，只要在低溫天氣時，采用一定的措施，改善系統(tǒng)和工藝，加強管理，瓶組自然氣化的裕量就可得到充分的利用，也就是說可以把環(huán)境溫度適當提高。

六、結束語

實現(xiàn)管網(wǎng)供氣是燃氣發(fā)展的總趨勢。瓶組自然氣化集中供氣作為過渡性的供應氣源是解決高層建筑使用燃氣、小范圍區(qū)域管道供氣，最終實現(xiàn)管網(wǎng)供應的有效途徑。在我省的大部分城市的瓶組自然氣化，視其情況可以把環(huán)境溫度提高到10℃，充分利用氣化能力裕量，應當是可行的。總而言之，居民用戶72戶以下的氣源供應，在未實現(xiàn)小區(qū)供氣和網(wǎng)管供氣之前，應首先考慮瓶組自然氣化集中供氣，并設置在房屋建筑附屬的瓶組間或專用房間內；72戶以上，400戶以下可以考慮建獨立瓶組間并采用自然氣化，400戶以上的就應當采用強制氣化的方式。

主要參考文獻：

1．《廣東省煤氣管理條例》廣東省人大常委會辦公廳印。
2．《燃氣輸配》第二版，中國建筑工業(yè)出版社，哈爾濱建筑工程學院等編。
3．《煤氣工程技術手冊》同濟大學出版社，姜正侯主編。
4．《燃氣設計標準匯編》今日城市煤氣協(xié)會編，中國建筑王業(yè)出版社。

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