焦耳——汤姆逊效应对压缩天然气应用影响的分析.docVIP

妻甲三堡挚物理学会 工程热力学与能源利 笔十届年会 编号：。。0。11‘049 ” 焦耳一汤姆逊效应对压缩天然气 应用影响的分析 田贯三，江亿 (清华大学建筑技术科学系北京100084) (电话 E-mail：guansantian@7．63．net) 马一太，杨昭 (天律大学热能所天津300072) 摘要： 2~2．5MPa压缩天然气在高压容器中冷却到环境温度后，在使用过程中节流到 0．1MPa以下的低压，焦耳一烫姆逊效应使天然气的温度大幅度下降．低于露点温度， 在节流阀后的管道产生冷凝水，形成水化物或直接结冰堵塞管道。本文对压缩天然气减 压后其输管在冬季产生堵塞的现象的原因和消除方法进行了理论的分析和讨论。 关键词：焦耳一烫姆逊效应；水化物；脱水：加热 O．概述 天然气既是化工产品的原料气，又是优质的燃料气，是理想的城市气源。由于开采、 储运和使用天然气既经济又方便，而且对环境污染轻，所以天然气越来越多的用作燃料 气。近些年来许多国家大力发展天然气工业，一些天然气资源缺乏的国家也进口液化天 然气。我国也制定出了大力发展天然气的国策，其主要标志是：西气东输、开发近海天 然气、引进俄罗斯天然气、东南沿海进口液化天然气。 天然气除作为传统的居民、公共建筑、工业和采暖用气外．出现了天然气汽车、天 然气空调与冰箱、天然气发电和天然气燃料电池等。天然气的储运方式也在管道输送、 液化储运(1iquefied nature gas，简称LNG)的基础上，又开发出了高压容器储运 (compressive tlaUlre gas,简称CNG)。CNG一般是将天然气加压到20Mpa以上，利用 可移动高压储罐储存，这种储运方式对用量较小的用户经济、方便灵活。主要用于天然 气汽车、小区和小城镇供气等方面。其工艺流程是储罐中的高压天然气经过减压闻减压， 降到用户所需压力．再通过管道输送到用气设各或装置．但在使用过程中出现减压阀口 以后的管道堵塞现象，特别是在冬季晟为严重．一旦出现堵塞天然气汽车将不能行走， CNG用户得不到可靠的供气。本文针对这一问题进行详细讨论，并提出解决方法。 1．堵塞原因分析 天然气通过阻力(如调压器、阀门、过滤器及管路)流动时，特别是在压降很大的 情况下．气体温度要下降．温度的降低会使管路、调压器、阀门、过滤器及涌量仪表外 表面结霜或结冰。对于湿天然气在管路中会产生冷凝水，冷凝水与天然气生成水化物． 这种现象称为节流效应(节流过程)。 气体在等焙过程中的温度变化与压力变化之比的极限称为节流过程的特性或焦耳 41 一户lim(袁)^=(嚣)^=／,tJ(^，P)—÷O (1) 一汤姆逊系数： ^r 舟} 对于理想气体焓是温度的单值函数．其节流过程不产生温度的变化。对于压缩天然 气来说，是非理想气体，节流过程总是伴随温度变化。低压天然气从环境温经多级压缩 到20Mpa以上，经压缩过程和在高压容器储存过程中冷却到环境温度。所以天然气在 环境温度下从高压节流到常压总是伴随着玲却效应(正的焦耳一汤姆逊系数)。 由于高压天然气通过减压阀节流口时压降大，速度快。天然气的压力、密度和温 度等参数都发生变化，因此体积膨胀在通过阀口时要损失能量，温度变化就引起天然气 与周围壁面之间的热交换。但热交换速度远远小于天燃气的流速变化，这一过程可以近 似的看作绝热过程。天然气通过降压节流机构是一个复杂的物理过程，在计算过程中应 以简化的物理模型为出拉点。可用下式近似的估算经减压阀减压后的天然气温度： D墨兰 正=口(鲁)。正 (2) 式中：只．P分别为天然气经过减压阀前后的压力，P的大小与燃烧设备的额定压力 或用户的要求有关，一般为O 2-．-,0．15MPa(绝)，本文取0．2 MPa(绝)：Z，E分别为 天然气经减压阀前后的温度，Z等于环境温度；r为天然气的绝热指数，理论计算为 I．29．一般实际工程取1．3～1．3 1．由于绝热节流并不是可逆绝热过程，文献州介绍符取 1．25估算的结果比较符合实际，因此本文取1．25：口为修正系数．～般为O．8～0．9。 为了进一步分析节流过程中温度降与节流压差的关系，将式(2)改写为： p—AP型 △T=五(1一a(二_L—==。-)r) (3) 型 一 。 趟 理 r 《 K ^)Iv‘￡司世趟螭F《敝 ∞碍∞黔∞俘轴：已o 0 ∞ 1∞ 50 200 蛳 300 天然气压力P1(10“MPa) 天然气压力^(10。MPa) 剧l高压天然气绝热节流后的温度 圈2高压天然气绝热节流压墼 与节流压力的关系 与温度降的关系 图I为用式(2)计算的压缩天然气绝热节流后的温度与节流压力的关系，当节流 压力超过2MPa