中国市政工程西南设计研究总院有限公司 杨 罗

天然气场站加热工程设计

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 杨 罗

结合工程实际情况，提出了天然气场站加热工程设置的条件，介绍了加热负荷计算的方法，比较了各类型加热装置的技术特点及运行经济性。

天然气 加热负荷 电加热 水套炉 红外辐射加热

城市天然气门站、调压站中天然气节流降压后会产生降温冷却即节流效应，也称焦耳—汤姆逊效应。该效应会导致天然气管道内产生游离态的水或水化物，在天然气输送过程中对设备造成损伤并阻碍管道的正常运行。

《城镇燃气设计规》(GB 50028—2006)中第6.5.7条指出“调压装置应根据燃气流量、压力降等工艺条件确定设置加热装置”，加热工程建设的目的：

(1)防止在天然气调压降温后产生凝析水或可能的水化物。

(2)避免架空管道壁温低造成外壁大量结冰(水)，增加管道外壁腐蚀的可能性。

(3)避免埋地管道由于壁温低造成周围土体冻胀损坏地面构筑物或生长的经济作物。

1 判断是否设置加热装置

由焦耳—汤姆逊效应造成天然气温度下降的大小，已经有大量文献作出了相关研究，如彭世尼等《天然气绝热节流温度降的计算》、董正远等《计算天然气焦耳—汤姆逊系数的BWRS方法》和张锦伟等《天然气节流温度降的工程估算方法》等，所得出的计算结果满足工程实际的需要，可以编制计算软件用于计算降压后的天然气温度。根据计算所得降压后的天然气温度t2，判断是否需要设置加热装置。

(1)根据调压后天然气的水露点ts，如果t2高于ts不需加热；如果t2低于ts则需考虑进行加热。

(2)根据外部环境和气象条件，需要防止管外大量结冰时，当t2低于0 ℃或更低时，需要加热。

天然气场站内不需要设置加热装置的条件是：调压后的天然气温度t2>max{ts，0 ℃}，其余情况均应设置天然气加热装置。

2 加热装置负荷的计算

加热装置加热量q可按式(1)计算：

式中：q——所需加热量，kJ/h；

Q——天然气的体积流量，m3/h；

ρ——天然气的密度，kg/m3；

Cp——调压前状态下天然气的定压质量比热，kJ/(kg·℃)；

t1——未加热时计算所得降压后天然气的温度，℃；

加热量q的大小取决于天然气加热前后的温差Δt，而选取加热天然气经调压降温后需达到的温度是Δt计算的关键，应根据加热工程所需要得到的效果作为取值的基础：

(1)为防止架空管道管外大量结冰，防止埋地管道周围土体发生冻胀时，要求加热后的天然气调压后的温度，一般要求为3℃~5℃；

(2)为防止天然气调压降温后产生凝析水或可能的水化物，一般要求大于降压后天然气的水露点ts，并与ts之间有一定的余量，这个余量也称过热度tsm，tsm的大小与加热装置的计算负荷大小有密切的关系，tsm取值过大会造成天然气加热后的温度过高，加热能量浪费，tsm取值过小会造成加热能力不足；对于tsm的取值可参考文献[4]按式(2)估算：

式中：p2——调压后天然气的压力，MPa。

根据(2)式估算结果，当计算值大于3 ℃时tsm按计算值选取，计算值小于3 ℃时tsm按3 ℃选取。

3 加热装置类型的选择

北方地区天然气场站一般建设有锅炉房作为生活或生产供热的热源，站内天然气加热宜采用锅炉房提供加热热源，在调压装置前设置换热器的方式。在没有建设锅炉房的场站应单独设置加热装置对天然气进行加热，加热装置类型包括电加热装置、水套加热炉以及催化红外辐射加热装置等。本文重点讨论单独设置加热装置类型的选择。

3.1 电加热装置

天然气电加热装置加热方式为间接内热式结构，采用加热电缆为发热元件，缠绕制成加热芯体放在高压容器的换热管内。换热管内充满导热油，将电热元件覆盖，工作时加热电缆先将导热油加热，然后再将热量传给换热管，从而将换热管外(也就是壳体内)的天然气加热。电加热装置安装在流量计和调压器之间，防爆性能为隔爆型，防爆标志为ExdⅡD BT4 Gb。

电加热装置适用于加热负荷较小的场站，加热负荷一般不宜超过200 kW，这是因为：

(1)从安装电加热装置的场站实际使用情况来看，加热负荷超过200 kW后随着加热负荷的增长加热效果出现不稳定的情况；

(2)电加热装置负荷超过200 kW，场站供电系统通常需要采用10 kV配电系统，不仅增加了工程建设投资，日常维护管理也更加复杂，尤其是天然气门站供电系统设计需满足“二级负荷”的要求，应采用两路10 kV电源进线，将大大增加工程实施的难度；

(3)由表2~表4的加热装置运行经济性比较可以看出加热负荷超过200 kW后，电加热装置的运行经济性较差。

3.2 水套加热炉

水套加热炉为水浴式加热炉，一般采用卧式结构。加热炉工作时，燃料天然气在炉内下部的火筒内燃烧，燃烧产生的高温烟气通过烟火管管壁加热中间介质水和乙二醇的混合液体，混合液体再加热盘管内流动的天然气。水套加热炉是石油天然气场站运用最为广泛的加热装置，但在整个传热过程中，中间介质与烟火管和盘管的传热形式为有限空间自然对流传热。由于自然对流是一种强度较弱的传热形式，传统水套加热炉设计热效率一般不超过85%。为提高换热效率，越来越多的天然气场站选用真空相变加热炉作为加热装置，以相变换热方式工作，将中间介质水加热成过热水蒸气，通过凝结换热和沸腾换热等高强度的对流换热形式，完成热量与被加热天然气的交换，换热效率较传统的水套加热炉有所提高。

3.3 催化式红外辐射加热装置

催化式红外辐射加热是将天然气按一定比例与空气混合，在催化剂(一般采用纤维为载体的催化剂)表面与氧气进行无焰反应，避免气相燃烧发出的可见光而造成的能量损失，其能量大部分转化为波长3~8微米，具有较高热能量的红外射线用于加热物体。

催化式红外加热装置以辐射加热为主，换热强度大于对流换热，红外线直接辐射被加热物体，由于辐射能的特性，红外线不加热空气，直接加热天然气管道外壁，减少能量的损失，装置内被加热天然气管道用黑色耐高温防腐漆覆盖，可更好的吸收红外辐射。同时，催化式红外加热装置内发生的催化反应为无火焰氧化反应，反应温度为100~500 ℃，低于燃烧反应温度，无爆炸隐患。催化式红外不产生CO、NOx等有害气体，安全无污染。催化式红外加热装置作为新技术已经逐步在“西气东输”场站及城市燃气工程中开始运用。

3.4 各类加热装置的技术经济比较

天然气场站在选择加热装置类型时必须经过技术经济的比较，电加热装置、水套炉及催化式红外加热装置的技术特点比较见表1，各类加热装置运行经济性比较通过200 kW、500 kW、800 kW三个级别的加热负荷分别说明，见表2~表4。

表1 各类加热装置技术特点比较

表2 200 kW加热装置运行经济性比较

表3 500 kW加热装置经济性比较

表4 800 kW加热装置经济性比较

由以上的经济技术分析可以看出，虽然电加热装置设备价格便宜，但当加热负荷大于200 kW后由于单位热值电价比天然气价格高，电加热装置的运行经济性明显不如水套加热炉及催化式红外加热装置。当加热负荷在200~800 kW时，虽然催化式红外加热装置设备价格较高，但运行费用较少，与水套炉总体经济性相差不大，在进行加热装置选择时需根据技术特点及场站的实际情况进行比较，比如由于水套炉为明火燃烧设备在总图布置紧凑的场站，与工艺装置无法满足规范要求的间距时，应考虑采用催化式红外辐射加热装置；对环保要求较高，加热装置尾气排放指标严格的场站也可以考虑采用催化式红外辐射加热装置。

The Heating Engineering Design of Natural Gas Station

Southwest Municipal Engineering Design＆Research Institute of China Yang Luo

Combined with the actual situation of the project, this paper proposes the setting conditions of natural gas station heating project, introduces the methods of heating load calculation, also, it compares the technical characteristics and operating economics of the various types of heating devices.

Nature gas, Heating load, Electric heating, Water jacket furnace, Infrared radiation heating