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談?wù)勂拷M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(shè)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(nèi)使用可燃?xì)怏w時，應(yīng)采用管道供氣。在剛剛通過的《廣東省燃?xì)夤芾項l例》中又明確規(guī)定：十層以上房屋建筑的燃?xì)夤艿涝O(shè)施，應(yīng)當(dāng)與主體工程同時設(shè)計、同時施工、同時交付使用；尚未安裝燃?xì)夤艿赖某擎?zhèn)，十層以上房屋建筑應(yīng)當(dāng)鱗集中供氣系統(tǒng)。該條例再次強(qiáng)調(diào)了高層建筑實行燃?xì)夤艿拦⿷?yīng)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(dá)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(shè)計，首先應(yīng)考慮氣源。城鎮(zhèn)管網(wǎng)化是燃?xì)獍l(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(shè)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(qiáng)制氣化，二是自然氣化。強(qiáng)制氣化不僅其設(shè)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(yīng)。相比之下，最簡單、最方便、最經(jīng)濟(jì)的便是自然氣化了。
(城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)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(shè)在建筑物附屬的瓶組間或?qū)Ｓ梅块g內(nèi)，總體積超過1m3應(yīng)將其設(shè)置在高度不低于2．2米的獨(dú)立瓶組間。而且獨(dú)立瓶組間與其他建、構(gòu)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(dú)立瓶組間。據(jù)調(diào)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(dǎo)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(dǎo)出氣體后，壓力下降，相對應(yīng)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(dá)t0'并保持不變，此時壓力為t0'時的蒸汽壓P0'，容器內(nèi)的氣化速度為V0'，氣化將繼續(xù)下去。從開始導(dǎo)出氣體到S時間內(nèi)，利用顯熱的氣化速度和原有氣體的導(dǎo)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(nèi)導(dǎo)出的氣體壓力要滿足調(diào)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(nèi)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(nèi)容器的氣化量為
G＝G1十G2+G3 (1)
式中
G——S時間內(nèi)總氣化量(Kg)
G1——S時間內(nèi)依靠自身顯熱的氣化量(Kg)
G2——S時間內(nèi)原有氣體向外導(dǎo)出量(Kg)
G3——S時間內(nèi)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——?dú)饣瘽摕?KJ／Kg)
G'——容器內(nèi)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(nèi)體積(m3)
v——t—t0液化石油氣的平均比容(m3/Kg)
P——?dú)鈶B(tài)液化石油氣空化前的密度(Kg/m3)
p0——?dú)鈶B(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(shè)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(jié)果的因素有剩液量、液化石油氣的組分、調(diào)壓器的進(jìn)口壓力、容器的種類等等，這里只談?wù)劚容^難確定設(shè)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(dǎo)致設(shè)計氣瓶總數(shù)增多。我們認(rèn)為，設(shè)有氣體自動切換裝置時的剩液量為充裝量的50％，設(shè)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(dāng)?shù)厮⿷?yīng)液化石油氣的組分取近似值，這就給計算結(jié)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(zhì)也起較大的變化。由這種變化對氣化能力計算結(jié)果的影響是絕不能忽視的。而剩液量中的組分及其性質(zhì)在設(shè)計中的變化是很難確定的。
3．環(huán)境溫度、設(shè)計壓力和最低液溫設(shè)計的環(huán)境溫度在理論上應(yīng)當(dāng)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(shè)定，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)本地區(qū)的氣溫情況和供氣情況，適當(dāng)調(diào)整。
設(shè)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(rèn)為，設(shè)計的最低壓力就是調(diào)壓器的進(jìn)口壓力Ps，一級調(diào)壓系統(tǒng)0．17mPa(絕)，二級調(diào)壓系統(tǒng)為0．20mPa。
最低液溫就是液化石油氣達(dá)到最低設(shè)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?xì)廨斉洹贰ⅰ度細(xì)庖?guī)劃》中的相關(guān)圖表)，但由于最低壓力過小，計算所得到結(jié)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(zhì)的變化，常常會導(dǎo)致與實際情況不相符的結(jié)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(nèi)壁換熱，通過壁厚、漆層的導(dǎo)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(dǎo)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(guān)系。由于這些因素的多變性，要從理論上用傳熱學(xué)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(jié)果，那么就應(yīng)當(dāng)由眾多實驗中取得。對于一般工程技術(shù)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(nèi)也沒有這方面的詳細(xì)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(yuǎn)。如《燃?xì)廨斉洹分姓J(rèn)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?xì)夤こ淌謨浴穭t認(rèn)為，對地上50Kg鋼瓶，在無風(fēng)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(dāng)氣化過程中由于液溫使容器外表面結(jié)露或結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)計計算中，這種計算方法很難達(dá)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(nèi)尚未這方面的詳細(xì)資料，一些專業(yè)設(shè)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(fù)荷時的氣化能力（Kg/h)
溫度（℃）
5
0
不帶氣體自動切換閥
0.79
0.37
帶氣體自動切換閥
1.50
0.99
使用條件是丙烷占60％，丁烷占40％，高峰負(fù)荷時間為2小時。
四、供氣能力
根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》的要求，如果總瓶數(shù)為8個，則應(yīng)當(dāng)一半是工作的，另一半為備用的。4個50Kg鋼瓶在5℃；高峰負(fù)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(fù)荷的計算依據(jù)，由燃?xì)獾牡蜔嶂岛拖鄳?yīng)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(yīng)，其設(shè)定的環(huán)境溫度應(yīng)當(dāng)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(dāng)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(shè)置在建筑附屬的瓶組間或?qū)Ｓ梅块g時，就應(yīng)當(dāng)充分利用這個溫度的氣化裕量，而在低溫時則對其加強(qiáng)管理，應(yīng)當(dāng)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(shè)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(dāng)溫度低于100C的時間內(nèi)，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(fēng)扇等設(shè)施，來增加瓶組間內(nèi)的空氣流動而得到一些改善。也可以在設(shè)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(dāng)設(shè)計獨(dú)立瓶組間，氣瓶總數(shù)達(dá)到40個時，瓶組自然氣化集中供氣的供氣能力可達(dá)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(qiáng)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(dāng)提高。
六、結(jié)束語
實現(xiàn)管網(wǎng)供氣是燃?xì)獍l(fā)展的總趨勢。瓶組自然氣化集中供氣作為過渡性的供應(yīng)氣源是解決高層建筑使用燃?xì)�、小范圍區(qū)域管道供氣，最終實現(xiàn)管網(wǎng)供應(yīng)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(yīng)當(dāng)是可行的。總而言之，居民用戶72戶以下的氣源供應(yīng)，在未實現(xiàn)小區(qū)供氣和網(wǎng)管供氣之前，應(yīng)首先考慮瓶組自然氣化集中供氣，并設(shè)置在房屋建筑附屬的瓶組間或?qū)Ｓ梅块g內(nèi)；72戶以上，400戶以下可以考慮建獨(dú)立瓶組間并采用自然氣化，400戶以上的就應(yīng)當(dāng)采用強(qiáng)制氣化的方式。
主要參考文獻(xiàn)：
1．《廣東省煤氣管理條例》廣東省人大常委會辦公廳印。
2．《燃?xì)廨斉洹返诙�，中國建筑工業(yè)出版社，哈爾濱建筑工程學(xué)院等編。
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4．《燃?xì)庠O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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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