谈谈瓶组自然气化集中供气的供气能力
一、引 言
我国(高层民用建筑设计防火规范)(GBJ45—82)规定，高度为10层以上住宅建筑和高度超过24m以上的其它民用建筑和工业 建筑为高层建筑；在高层建筑内使用可燃气体时，应采用管道供气。在刚刚通过的《广东省燃气管理条例》中又明确规定：十层以上房屋建筑的燃气管道设施，应当与主体工程同时设计、同时施工、同时交付使用；尚未安装燃气管道的城镇，十层以上房屋建筑应当鳞集中供气系统。该条例再次强调了高层建筑实行燃气管道供应的必要性。
在我省的绝大部分城镇，液化石油气小区管道供气处在刚刚起步阶段，尚未达到小区供气的区域，甚至还未开始搞小区供气的城镇大量存在。这些城镇和这些区域的高层建筑集中供气的设计，首先应考虑气源。城镇管网化是燃气发展的总趋势，所以，作为要被城镇管网取代的临时供气系统，在用户数量不多的情况下，仅为房屋的报建而花大量资金建设一个气化站，显然是不切实际的。如果采用瓶组集中供气，方式用两种，一是强制气化，二是自然气化。强制气化不仅其设备昂贵，按照规范来建造瓶组间和气化间，还要绝对保证电源、热源的供应。相比之下，最简单、最方便、最经济的便是自然气化了。
(城镇燃气设计规范)(CB50028—93)规定，瓶组的气瓶总体积不超过1m3时，可将其设在建筑物附属的瓶组间或专用房间内，总体积超过1m3应将其设置在高度不低于2．2米的独立瓶组间。而且独立瓶组间与其他建、构筑物要有足够的防火距离。也就是说，在房屋建筑规划的同时，要划出足够面积的地来建独立瓶组间。据调查，一般瓶组采用的都是50Kg的钢瓶，体积不超过1m3，则气瓶总数不多于8个，那么8个50Kg钢瓶的供气能力满足多少户呢?这就涉及自然气化能力问题了。
二、单瓶自然气化能力的计算
(一)气化原理
自然气化是指容器中，液态的液化石油气依靠自身显热和吸收外界环境热量而气化的过程。
容器尚未导出气体时，液化石油气的压力为液温与气温同为，时的饱和蒸气压P0。开始从容器导出气体后，压力下降，相对应的液体温度也同时下降。如图1所示的实践，经过S时间后，液温达t0'并保持不变，此时压力为t0'时的蒸汽压P0'，容器内的气化速度为V0'，气化将继续下去。从开始导出气体到S时间内，利用显热的气化速度和原有气体的导出速度的总和从v0'减少到零；相反，靠传热的气化速度由零变为v0'。经过S时间后全靠传热气化。
实际上，容器内导出的气体压力要满足调压器入口最低允许压力Ps的要求，也就是说，液温必须在不低于Ps时的温度ts的范围内气化，速度为V0。
(二)自然气化能力的计算公式
在以t0为最低允许液温时，S时间内容器的气化量为
G＝G1十G2+G3 (1)
式中
G——S时间内总气化量(Kg)
G1——S时间内依靠自身显热的气化量(Kg)
G2——S时间内原有气体向外导出量(Kg)
G3——S时间内依靠传热的气化量(Kg)
上述三部分气化量分别为：
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——气化潜热(KJ／Kg)
G'——容器内的液量(Kg)
t0———最低允许的液温(℃)
t——空气温度(℃)
Cpm——t～t0液化石油气的平均比热(KJ／Kg·K)
V——容器的内体积(m3)
v——t—t0液化石油气的平均比容(m3/Kg)
P——气态液化石油气空化前的密度(Kg/m3)
p0——气态液化石油气t0时的密度(Kg/m3)
K——总传热系数(KJ／m2·S·K)
F——容器液化石油气的湿表面积(m2)
(三)影响因素和设计条件的确定
由上述的公式可以看出，影响气化能力计算结果的因素有剩液量、液化石油气的组分、调压器的进口压力、容器的种类等等，这里只谈谈比较难确定设计条件的主要几个因素：
1．液量 没有液量就没有气化而言。如果钢瓶用到不能满足用户需要时的液量(即剩液量)过多，会给换瓶带来困难，换瓶次数会因此增加。剩液量少，则湿表面积减少，传热气化年度也相减少；导致设计气瓶总数增多。我们认为，设有气体自动切换装置时的剩液量为充装量的50％，设时为30％。
2．组分 液化石油气为烃类的混合物，成分以丙烷、丁烷为主，组分比例由4：1～1：2不等。由于这样大的变化，计算时只能根据当地所供应液化石油气的组分取近似值，这就给计算结果带来一定的偏差。而在气化过程中，沸点低、蒸汽压高的组分气化能力大，因此，在气液量不断减少的同时其组分也随着气化过程发生变化。也就是说，随着液量的减少，丙烷的比例越来越小，丁烷的比例越来越大，气化能力也就越来越小。同时液化石油气的比热、气化浴热、沸点、密度热恒等性质也起较大的变化。由这种变化对气化能力计算结果的影响是绝不能忽视的。而剩液量中的组分及其性质在设计中的变化是很难确定的。
3．环境温度、设计压力和最低液温设计的环境温度在理论上应当是30—50年本地区的历史最低温度。但是，瓶组自然气化只是作为过渡气源的方式，没有必要按此框框来设定，而应当根据本地区的气温情况和供气情况，适当调整。
设计压力就是气化的最低压力。正在气化中的液温随压力变化，压力越低，液温也越低，温差就会增大。从式(4)中可看出传热气化量与温差成正比的。我们认为，设计的最低压力就是调压器的进口压力Ps，一级调压系统0．17mPa(绝)，二级调压系统为0．20mPa。
最低液温就是液化石油气达到最低设计压力时的液体温度。此温度虽然可以根据相平衡的图表来计算(如《燃气输配》、《燃气规划》中的相关图表)，但由于最低压力过小，计算所得到结果往往在一个较大的范围。加上液化石油气组分的偏差，剩液量中组分及性质的变化，常常会导致与实际情况不相符的结论。
4.总传热系数在众多影响气化能力的因素中，最难确定的便是总传热系数。
钢瓶自然气化的传热过程主要包括液化石油气自身沸腾的对流换热，液化石油气与钢瓶内壁换热，通过壁厚、漆层的导热，外壁面与空气的传热等。因此总传系数与环境温度、液化石油组分、沸点、热容、比热、导出气量，与钢瓶的壁厚、漆厚及环境气温、空气流动情况等等因素有较大关系。由于这些因素的多变性，要从理论上用传热学原理计算出总传热系数确是很艰难的。
既然通过计算的方法得不出结果，那么就应当由众多实验中取得。对于一般工程技术人员，受到众多条件的限制，要完成这些实验取得数据，就有很大的困难。并且，国内也没有这方面的详细数据。在一些专业资料中，所给的值都是较大的一个范围，并相差很远。如《燃气输配》中认为，在地上容器可取K＝41～62KJ／m2．S．K，对于地下容器可取K=10-20KJ／m2．S．K；《燃气工程手册》则认为，对地上50Kg钢瓶，在无风状态可取K＝7～8．2w／m2℃，在空气少许流动时可取11～17．5w／m2.℃当气化过程中由于液温使容器外表面结露或结冰时，K值为正常情况的三分之一，对地下容器可取3～6w／m2℃。单位换算后，两者相差数百倍。这种差别使设计人员无所适从。
综上所述，在利用公式计算单瓶的自然气化能力时，由于众多因素的影响，设计用的数据很难取定，给计算带来重重阻力。所以在一般的设计计算中，这种计算方法很难达到目的。
三、自然气化能力表
自然气化表是采用实验数据制成的计算图表。国内尚未这方面的详细资料，一些专业设计手册也只略为介绍几个日本50Kg钢瓶的气化能力表。下表便是从接近现实条件从中选取的一些数据。
50Kg钢瓶高峰负荷时的气化能力（Kg/h)
温度（℃）
5
0
不带气体自动切换阀
0.79
0.37
带气体自动切换阀
1.50
0.99
使用条件是丙烷占60％，丁烷占40％，高峰负荷时间为2小时。
四、供气能力
根据《城镇燃气设计规范》的要求，如果总瓶数为8个，则应当一半是工作的，另一半为备用的。4个50Kg钢瓶在5℃；高峰负荷时间为2h，丙烷占60％(充装时的比例)的状况下，带自动切换阀和不带自动切换阀的总气化能力为6．0Kg/h和3．16Kg/h。以每户居民用户都有一个双眼灶和一个热水器为热负荷的计算依据，由燃气的低热值和相应的同时工作系数可计算出供气能力分别为36户和16户。
五、环境温度对供气能力的影响
前面谈到，瓶组集中供气作过渡性的气源供应，其设定的环境温度应当视实际情况而定。
在我省的大部分城市，持续低温天气的时间很短。一年当中温度在10℃以下的时间，一般在10天左右。这样，在考虑把气瓶设置在建筑附属的瓶组间或专用房间时，就应当充分利用这个温度的气化裕量，而在低温时则对其加强管理，应当是可行的。
如果把环境温度定在10℃，情况会怎样?
首先，从计算公式(1)、(4)可知，利用显热和传热气化的气化量与温差成正比。也就是说，在其他设计条件不变的前提下，把环境温度由5℃提高10℃，液化石油气气化中的G1和G3会增加一倍。G2保持不变，但在G中只占很少一部分。故此总的气化能力增大将近1倍，瓶组的供气能力也差本多翻一番，由原来的36户和16户增加到72户和32户。
其次，当温度低于100C的时间内，就会出现剩液量增多的现象，这种情况可以通过防爆风扇等设施，来增加瓶组间内的空气流动而得到一些改善。也可以在设计工艺时，在气体自动切换阀前加装旁通阀门来改善，因为在气瓶总数不变，把工作瓶定为6个，备用瓶为2个，其相同的气化能力会增加50％。
在相同条件下，当设计独立瓶组间，气瓶总数达到40个时，瓶组自然气化集中供气的供气能力可达370户。
总之，只要在低温天气时，采用一定的措施，改善系统和工艺，加强管理，瓶组自然气化的裕量就可得到充分的利用，也就是说可以把环境温度适当提高。
六、结束语
实现管网供气是燃气发展的总趋势。瓶组自然气化集中供气作为过渡性的供应气源是解决高层建筑使用燃气、小范围区域管道供气，最终实现管网供应的有效途径。在我省的大部分城市的瓶组自然气化，视其情况可以把环境温度提高到10℃，充分利用气化能力裕量，应当是可行的。总而言之，居民用户72户以下的气源供应，在未实现小区供气和网管供气之前，应首先考虑瓶组自然气化集中供气，并设置在房屋建筑附属的瓶组间或专用房间内；72户以上，400户以下可以考虑建独立瓶组间并采用自然气化，400户以上的就应当采用强制气化的方式。
主要参考文献：
1．《广东省煤气管理条例》广东省人大常委会办公厅印。
2．《燃气输配》第二版，中国建筑工业出版社，哈尔滨建筑工程学院等编。
3．《煤气工程技术手册》同济大学出版社，姜正侯主编。
4．《燃气设计标准汇编》今日城市煤气协会编，中国建筑王业出版社。
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