天然气实流原级检定装置加热系统技术研究.pdf

第 5 1 卷第 5期 2 0 1 5 年 1 O 月 石油化工自动化 AUTOⅣ【 AT1 0N I N PE TR0一 CHEMI CAL I NDUS TRY Vo L 5 1 。No ． 5 Oc t o b e r ．2 O 1 5 天然气实流原级检定装置 1 加热 系统技术研究 朱瑞苗 ， 闫文灿 ， 高志国 中石化中原石油工程设计有限公司， 河南 濮阳 4 5 7 0 0 1 ； 2 ．中石化天然气分公司计量研究中心，北京 1 0 0 0 0 1 摘 要 天然气实流原级检定装置在检定过程中对气源温度要求较高， 为满足原级标准装置的检定气源要求， 在气源降压前增 加加热系统对气源温度进行升温。首先介绍 了几种 节流效应 系统计算方法 ， 选择 比热容法对检定站有关热负荷进 行了计算 ， 然 后介绍了工业上常用的加热方式 并进行 了比较 ， 最后对几种加热方式进行 了数 值模 型建立 ， 并对模 拟结果进行分 析 ， 以此作 为 工程应用的基础 ， 在建设国家级天然气实流检定站 中选择最优 的加热方式 。 关键词 原级标准装置节流热负荷电加热 中图分 类号 T H 8 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 5 0 0 7 0 0 4 Te c hni q u e St u d y o f He a t i n g Sy s t e m f o r Ac t ua l Na t u r a l Ga s Fl o w Ca l i b r a t i o n Pr i m a r y St a nd a r d De v i c e Z h u Ru i mi a o ，Ya n W e n c a n 2 ，Ga o Z h i g u o 1 ．S i n o p e c Z h o n g y u a n Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g Co ．Lt d ． ，Pu y a n g ，4 5 7 0 0 1 ，Ch i n a ； 2 ．S i n o p e c Ga s Me t e r i n g R e s e a r c h C e n t e r B r a n c h ，B e i j i n g ，1 0 0 0 0 1 ， Ch i n a Ab s t rac t s Ac t u a l n a t u r a l g a s f l o w c a l i b r a t i o n p r i ma r y s t a n d a r d d e v i c e h a s h i g h r e q u i r e me n t s o n g a s s o u r c e t e mp e r a t u r e d u r i n g c a l i b r a t i o n ．To me e t c a l i b r a t i o n d e ma n d ，h e a t i n g s y s t e m n e e d s t o b e a g g r a n d i z e d t o h e a t g a s b e f o r e p r e s s u r e d r o p p e d ． S e v e r a l t h r o t t l i n g e f f e c t s y s t e m c o mp u t i n g me t h o d s a r e i n t r o d u c e d ．S p e c i f i c h e a t c a p a c i t y me t h o d i s s e l e c t e d a n d h e a t l o a d s a t c a l i b r a t i o n s t a t i o n a r e c a l c u l a t e d ． S e v e r a l c o mmo n i n d u s t r i a l h e a t i n g me t h o d s a r e i n t r o d u c e d a n d c o mp a r e d s u b s e q u e n t l y ．Nu me r i c a l mo d e l s a r e c o n s t r u c t e d f o r s e v e r a l h e a t i n g mo d e s a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e a n a l y z e d ．I t c a n b e u s e d a s e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n b a s i s t O s e l e c t o p t i ma l h e a t i n g mo d e d u r i n g c o n s t r u c t i n g n a t i o n a l a c t u a l n a t u r a l g a s c a l i b r a t i o n s t a t i o n ． Ke y wo r d s p r i ma r y s t a n d a r d d e v i c e ；t h r o t t l e ；h e a t l o a d；e l e c t r i c a l h e a t i n g 正在建设 的国家石油天然气大流量计量 站武 汉分站是具有原级标准的国家级天然气实流检定 站 。气源引 自川气东输管道工程武汉输气站 ， 天然 气经过滤器后 ， 采用调压阀组将压力调节到检定压 力并控制其稳定性 ， 然后进入检定系统 。由于节流 效应检定用气经过压力调节系统后压力和温度 降 低 ， 故需在调压系统前设置加热系统， 对检定 用气 进行升温处理以满足原级标准装置对气源的温度 要求。用于原级标准装置的天然气温度要求较为 苛刻 ， 为 1 2 2 5℃ ， 优选 2 0℃， 温度波动范围为每 1 0 mi n不超过0 ． 5℃， 每小时不超过1℃。 1 升温热负荷的计算 1 ． 1 节流效应系数计算 计算天然气绝热节流温 降的关键是求解节流 效应系数 。 1 ． 1 ． 1 焓_ 压 H一 图计算法 节流前后除焓的数值不变外 ， 其他参数 的变化 要根据气体的具体性质来决定 。可以通过表征气 体性质的焓 温 图、 焓一 压图来进行计算 ， 利用焓一 压 图可求得平均 的节流效应系数u 。 1 ． 1 ． 2 经验公式法 节流效应系数 与天然气压力 、 温度、 临界参 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 3 1 7 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 5 0 7 2 4 。 作者简介 朱瑞苗 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山东菏 泽人 ， 1 9 8 6年毕业 于 中国 石油大学 华东 自动化专业 ， 获学士 学位 ， 现就职 于中石化 中原石 油工程设计有限公 司， 从事 国际工 程项 目管理和仪表 、 控制 系统设 计研究工作 ， 任高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 朱瑞苗等．天然气实流原级检定装置加热系统技术研究 7 1 数和 比热容等有关 ， 可按以下经验公式计算 4 ． 1 8 6 8 f p ，T r T c ， 一 一 f P ，T r 一 2 ． 3 4 3 T - 一 0 ． 0 7 1 p 0 ． 0 5 6 8 式中 C 比定 压 摩尔 热 容 ， k J ／ k mo lK ； 丁 r 相 对 温 度 ，K；P 相 对 压 力 ，MP a ； P 视临界压力 ， MP a ；T c 视临界温度 ， K。 1 ． 1 ． 3比热容法 对于 甲烷体积分数高 于 8 5 的天然气 ， 节流 效应系数可根据设定 的输气管计算段 的平均温度 和天然气的比定压热容查表取得_ 2 J 。 1 ． 1 ． 4 状态方程法 由热力学关系式可导出节流效应系数的计算式 T J 0。 2 式中卜温度 ， K； 密度 ， k g ／ m。 。 以上节流效应 系数计算在方法上各有优劣 ， 在 该工程研究中采用比热容法。 1 ． 2 热负荷计算 按照天然气气 源的摩尔分数 z 9 7 ． 5 3 ， X c 0 ． 8 5 ， z 0 ． 7 9 ， z 呱 0 ． 8 3 ， 此 天然气 的高位发热量为 3 7 ． 0 7 MJ ／ m。 ， 气源冬季来气温度 为 1 O℃， 进站压 力为 8 ． 5 MP a ， 考虑 降压 至 5 ． 0 MP a ， 检定通过最大工况流量为 4 8 0 m。 ／ h 。 1 计算气源压力从 8 ． 5 MP a节流降压至 5 ． 0 MP a 产生 的温 降。利 用 程 序 计 算 得 到 在 8 ． 5 MP a ， 1 0℃时， 节 流 系数 为 3 ． 9 8 K／ MP a ； 在 6 ． 7 5 MP a ， 2℃ 时 ， 节流 系数 为 4 ． 8 8 K／ MP a ； 在 5 ． 0 MP a ， 一5℃时 ， 节流系数为 5 ． 1 3 K／ MP a 。 温降可通过辛普森公式计算 J △ T 1 f d p 一 __ 5 ． 0 8 pl O 4 4 ． 8 8 3 ． 9 8 一 1 6 ． 6 7 K 节流后 的温度 丁 2 T2 l T1 一A T l 2 8 3 ． 1 5 1 6 ． 6 7 2 6 6 ． 4 8 K一一 6 ． 6 7 ℃ 再查相关图可得 在 5 ． 0 MP a ， 一6 ． 6 7℃时， 节流系数为 5 ． 0 2 K／ MP a ， 进行一次迭代。 △ T 2 一『 d p 一 一_ 5 ． 0 2 Pl O 4 4 ． 8 8 3 ． 9 8 一 1 6 ． 6 4 K 节流后 的温度 T 2 T2 2一 T1一 AT2 28 3 ．1 5 1 6 ．6 4 2 6 6 ． 5 1 K 一 6 ． 6 4 ℃ 两次计算结果误差很小， 因而可以把 丁 2 。 作为 节流后的温度 T 2 ， 即T 2 一一6 ． 6 4 ℃， 则温降△ T一 1 6 ． 6 4℃ 。 2 在冬季来气温度 1 0℃， 节流降压 、 降温后 再加热升温至 2 0℃， 计算最大工况流量 4 8 0 m3 ／ h 下需要的热负荷。由 HYS YS软件计算可得 在 5 ． 0 MP a ， 一6 ． 6 4℃时， 定压 比热容、 密度分别 为 2 ． 6 4 k J ／ K 和 4 3 ． 8 6 k g ／ m。 ； 在 5 ． 0 MP a ， 6 ． 6 8℃时， 定压比热容、 密度分别为 2 ． 5 9 k J ／ K 和 4 0 ． 6 2 k ； 在 5 ． 0 MP a ， 2 O o C 时， 定压比热容、 密 度分别为 2 ． 5 5 ／ K 和 3 7 ． 9 2 k g ／ 。 由于天然气不是理想气体 ， 其密度 、 比热容等 都不是常数 ， 因而在计算加热升温天然气所需热负 荷时 ， 利用辛普森公式计算 ， 其结果较准确 。 故热负荷 Q 为 r r Q 】 一 I P c V d TVl p c d T≈ 4 8 0 X J J 4 3 ． 8 6 2 ． 6 4 4 b 4 O ． 6 2 2 ． 5 9 3 7 ． 9 2 2 ． 5 5 一 1 3 4 9 ． 7 1 MJ ／ h 一 3 7 4 ． 9 2 k W 在温降的计算中， 采用了辛普森公式拟合求 解 ， 可以达到较高的精度 ， 满足精度要求 ； 由于实际 气体 的密度、 比热容等与气体性质和气体所处的状 态有关 ， 因而上述计算加热天 然气所需 的热负荷 时 ， 也应用 了辛普森公式拟合求解 ， 可 以减少计算 误差， 达到较高的计算精度 ， 可以满足工程的要求 。 2 加热方式 比较 天然气工业常用 的加热方式有水套炉加热和 电加热 。这两种加热方式各有利弊， 需针对具体情 况进行选择 ， 并需要做出初步的模拟计算来提供选 择依据 。 2 ． 1 水套炉加热技术方案 水套加热炉又称微正压水浴加热炉， 它的壳程 设计压力为常压 ， 是将天然气加热盘管放置于水浴 当中 ， 利用高温水浴 ， 对流经该管段 的气体进行加 热 。在该 种类 型 的加 热 炉 中， 水 浴温 度 可 以在 5 0 1 0 0℃内变化 ， 加热负荷弹性相对较大。 水套加热炉的水套为一个密闭的圆筒状钢筒。 正常运行时， 水套内的水占水套容积的 0 ． 5 ～0 ． 6 6 ， 在 水套内的下部设置 U形盘管， 盘管浸没于水中。水套 的侧壁上下设有水循环的进出口， 水及水蒸气将热量 1 一P T 旦 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工自动化 第 5 1 卷 传递给盘管中流经的气体， 使气体获得热量， 温度升 高， 被加热后的气体从水套的侧上部出口流出， 未加 热的气体从水套的侧下部进 口进入水套内被加热[ 4 ] 。 2 ． 2 电加热技术方案 电加热是指在管道外壁上缠绕柔性导 电材料 或在管道内部敷设 电加热器 ， 靠导体通电时产生的 热量来加热管道 ， 并通过管壁传导使管内天然气受 热 ， 或者通过直接加热天然气使天然气温度达到检 定所需的温度 。 2 ． 3 水套炉加热与电加热方式 比较 水套炉加热和电加热的优观 对比见表 1 所列。 表 1 水套炉加 热和电加热的优缺点对 比 3 加热方式稳定性数值模拟 进一步对水套炉加热与电加热方式的热效率和 稳定 胜进行比较 ， 以数值传热学的基本原理为基础， 通过 F L UE N T软件对加热方式进行了数值模拟。 3 ． 1 模型建立 电加热模型采用 2条对称分布直径为 1 0姗的 电阻丝来代表实际隋况 ， 以保证均匀加热。水套加热 炉模型则采用厚度为 1 0 0 mm的水套包围加热管路来 模拟实 际情况。2种模 型的管长均 为3 I n ， 管 径为 D N1 0 0 ， 在管路中部设有 2 m长的加热区域。 3 ． 2 控制方程及求解思路 能量守恒方程是根据热力学第一定律导出的 ， 微元体 内热力学能的增加率等于进入微元体 的净 热流量与体 积力和表面力对 微元体所做功之 和。 对于黏性为常数的不可压缩流体 ， 可以忽略黏性耗 散项 ， 故源项仅为内热源l_ 6 ] ， 建立如下控制方程。 ， 、 -J r - d i v p u 一 d i v F g r a d 3 式中 声 通用变量 ； 密度， k g ／ ； “ 速 度， m／ s ； 动力黏度 ， k g ／ m s ； 导热系 数， W／ m K ； c 比定压 热 容， J ／ k gK ； 广义扩散系数； 广义源项。 控制方程建立之后 ， F L UE NT采用控制容积 法来离散控制方程 。 目前工程上使用较广泛的流 场数值计算方法是压力修正法， 其实质即迭代法 。 压力修正法有多种实现方式 ， 其 中压力耦合方程组 的半隐式方法 S I MP L E算法 应用 最广泛 ， 也是 C F D软件普遍采纳的算法 。 S I MP L E算法 的基本思想 对于给定 的压力 场 ， 求解离散形式 的动量方程 ， 得 出速度场 。因为 压力场是假定或不精确的， 由此得到的速度场一般 不满足连续方程 ， 因而必须对给定的压力场进行修 正 。修正 的原则是 与修正后 的压力场相对应 的速 度场能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原 则 ， 把由动量方程式的离散形式所规定的压力与速 度的关系代入连续方程的离散形式， 得到压力修正 方程 ， 从而得出压力修正值。根据修正后的压力场 ， 求得新的速度场， 然后检查速度场是否收敛。若不 收敛 ， 用修正后的压力值作为给定 的压力场， 开始下 一 层次的计算。如此反复， 直到获得收敛的解 。 3 ． 3 模拟结果分析 3 ． 3 ． 1 水套炉加热方式 水套炉加热方式模拟结果如图 1 所示， 在内热源 为 1 0 k W／ 的条件下， 整个加热过程中水与气体的温 差一直保持在 2 0 ℃左右， 加热效果缓慢， 延迟时问长。 模拟时 间1 0 ／ s 模拟时 间1 0 ／ s a 水的温度变化 b 天然气的温度变化 图 1 水 与天 然 气温度 变化 比较 O 3 21 O 9 8 7 6 5 4 3 2 ＼ 峰 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 朱瑞苗等．天然气实流原级检定装置加热系统技术研究 7 3 3 ． 3 ． 2 电加热方式 当内热源恒定且为 2 0 0 0 k W／ m。 时 ， 天然气达 到 2 O℃并保持稳 定所需 时间约为 6 rai n ， 气体温 度变化如图 2 所示。 电阻丝与气体温度波动比较如图 3 所示， 可看 出电阻丝温度波动 幅度 为0 ． 2 1 K， 天然气温度 波动幅度 为 _-- - 0 ． 0 2 4 K。在 内 热 源波 动 幅 度 为 1 0 9 ／ 6 的条件下 ， 采用 电加热方式可以满足温度波动 小于0 ． 5 ℃ 的要求。 ＼ 赠 划 彦 图 2 管路 出口端天然气温度 变化 图 3电 阻丝与 气体 温度 波动 比较 4 结束语 对原级装置天然气进行加热通常采用水套炉 加热与电加热方式 。当采用水套炉加热方式时， 整 个加热过程中水与天然气 的温度需保持一定温差 ， 加热缓慢且延迟时间长 ， 由于加热炉 的明火 ， 需要 较大 的安全距离 ， 使 站场永久征地面积较大 ， 投资 较高 ； 当采用 电加热方式时， 加热时间短 ， 延迟时间 短 ， 占地面积较小 ， 能够满足温度波 动的需要。因 此 ， 该天然气实流检定站选择 电加热方式 。 参考文献 [1] 蔡乔方 ． 加热炉F M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 0 0 7 7 8 - 9 2 ． [2] 李薇 ， 王宇． 管式加 热炉[ M- I ． 北京 中国石化出版社 ， 2 0 1 2 6 9 7 2 [ 3 ] [ 4] [ 5] [6 ] [7 ] [ 8] ＼ 越 赠 H 邓寿禄 ， 王贵生． 油 田加热 炉[ M] ． 北京 中国石 化 出版社 ， 2 0 1 11 1 3 1 1 5 ． 全 国工业电热设备标准化技 术委员会．G B ／ T 2 9 1 6 8 -- 2 0 1 2 石油天然气工业 管道输送 系统用感应 加热弯管 、 管件和法 兰E s ] ． 北京中国标准出版社， 2 0 1 3 5 4 6 7 ． 刘复堡， 葛华山， 黄奎刚， 等．G B ／ T 1 0 0 6 7 ． 4 2 2 o 1 4电热 装置基本技术条件 第 4 2部分 推送式 电阻加 热机组 E s ] ． 北京 人民出版社 ， 2 0 0 9 3 4 4 l _ 范超英， 葛华山．G B ／ T 1 0 0 6 6 ． 6 2 0 0 8电热装置的试验方 法 第 6部分 工业微波加热装置输出功率 的测定方 法E s ] ． 北京 人民出版社 ， 2 0 0 9 1 2 6 1 2 8 ． 侯国华， 郑久彬． 导热油加热系统设计口] ． 化工设备与管 道 ， 2 0 1 2 ， 4 9 0 2 3 1 3 3 ． 申玉辉 ， 马卿 ， 江航 ， 等． 炼油装置加热炉 炉管 壁厚计算新方 法 E J ] ． 化工设备与管道 ， 2 0 1 2 ， 4 9 0 5 3 2 3 4 ． 上接 第 5 9页 [ 5 ] 叶波． 可编程控制器 P L C 在螺杆压缩机中的应用口] ． 自 动 化与仪 表 ， 1 9 9 9 O 6 6 1 6 4 ． [ 6 ] 王俊． P L C控制系统在螺杆压缩机控制系统中的应用E J ] ． 压缩 机技术 ， 2 0 1 0 0 3 1 8 2 0 ． [7] 樊全建． 螺 杆 压 缩 机 的 P L C 控 制 [ J ] ． 太 原 大 学 学 报 ， 2 0 1 2 0 3 1 2 8 1 2 9 ． [ 8] [ 9] [ 1 O ] 肖风华． 螺杆制冷压缩机组 P L C控 制系统 [ J ] ．自动化技术 与应用 ， 2 0 0 6 O 7 6 5 6 8 ． 万振 中． 往复式压缩 机 的安 装调试 及试 车详析 口] ． 化工设 备与管道， 2 0 1 3 ， 5 0 0 1 4 9 5 2 ． 庄科 ， 马建元 ， 蔡宏 ． 喷液螺 杆压缩 机在工 艺气装 置的应 用 口] ． 化工设 备与管道 ， 2 0 1 3 ， 5 0 0 4 5 1 5 4 ． O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 O 5 2 O 7 5 2 O 7 5 2 O 勰 勰 ＼ 赠蜓 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m