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[引用] 燃 气 常 识  

2010-07-11 15:01:45|  分类: 安 全 技 术 [原 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自xuanzai26《燃 气 常 识》

 

引用 xuanzai26燃 气 常 识

第一部分  燃气的分类与性质

一、燃气的分类

   燃气是指所有的天然和人工的气体燃料,城市用燃气是由多种气体组成的混合气体,其中含有可燃气体、少量惰性气体和混杂气体。

    可燃气体有:氢(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烯(C4H8)、丁烷(C4H10)、戊烯(C5H10)、戊烷(C5H12)、苯(C6H6)等。

    惰性气体有:氮(N2)及其它不活泼气体。

    混杂气体有:水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、氨气(NH3)、氰化氢(HCN)和硫化氢(H2S)等。

    其中,CO、H2S、HCN都是有毒气体,对人体有害,还有许多气体在高温下能对金属起腐蚀作用。

    燃气按成因不同,主要分为:天然气、人工燃气、液化石油气和沼气。

(一)天然气

   天然气一般可分为四种:

1、气田气,也称纯天然气(简称天然气)

主要成分是CH4,体积分数为95%左右,还含有少量的CO2、H2S、N2和微量的氦、氖、氩等气体。我国四川地区,陕北长庆干气田天然气属于这一类,四川天然气CH4体积分数不少于90%,标态下发热量34800-36800KJ/m3;长庆气田CH4体积分数98%,标态下发热量为36590KJ/m3。

2、石油伴生气

    伴生气是石油开采过程中提出的气体,它的主要成分也是甲烷,体积分数为80%左右,另外,还含有一些其它烷烃类占15%,所以热值较高。大港地区的天然气属于这一类,CH4体积分数为80%,乙烷、丙烷和丁烷等体积分数约为15%,标准状态下发热量为41900KJ/m3。

3、凝析气田气

    含有石油轻质馏分的燃气。

4、矿井气(煤层气)

    从煤矿矿井中抽出的燃气。

5、煤层气俗称瓦斯

是一种以吸附状态为主、生成并储存于煤层及其围岩中的甲烷气体,是煤矿事故的"头号杀手",在俄罗斯、加拿大之后我国是世界上第三大煤层气储量,储量预计为36.81万亿立方米,相当于450亿吨标煤,350亿吨标油,与陆上常规天然气资源量相当,其中适于开发的约占总量的60%。

(二)人工燃气

1、干馏煤气

   煤在隔绝空气的情况下经加热干馏所得的燃气。含CH4和H2量较高低热值为18MJ/Nm3左右,无色无味。

2、高炉煤气

   是炼铁高炉生产过程中的副产品,可燃成分主要是CO,同时还含有大量的CO2和N2,热值很低,一般不超过3700KJ/Nm3。无色无味,无臭,毒性极强。

3、发生炉煤气

   主要成份是CO和H2。用来作为工厂内部燃料或城市煤气中的掺混气而生产的。热值为3900-5400KJ/Nm3。

4、水煤气

   主要成份是CO和H2。发热量为10800KJ/Nm3左右。

5、高压气化气

   主要成份是H2、CO和CH4。发热量为16700KJ/Nm3左右。

6、油制气

(1)蓄热热裂解气:主要成份是CH4、H2、C2H4、C3H6。

(2)蓄热催化裂解气:主要成份是H2、CH4、CO。热值为17600-20900KJ/Nm3。

(3)自热裂解气和加压裂解气:热值为16700KJ/Nm3。

(三)液化石油气

是开采和炼制过程中,作为副产品而获得的一部分碳氢化合物。主要成份是:C3H8、C3H6、C4H10、C4H8,习惯上又称C3、C4。常温、常压下呈气态,当压力升高或温度降低时,很容易转变为液态。其液态体积约为气态时的1/250,所以液态时便于运输。气态时的热值为92100-121400KJ/Nm3。液态时的热值约为45200-46100KJ/kg。

液化石油气属于二次能源。

(四)沼气

   各种有机物质,如蛋白质、纤维素、脂肪、淀粉等。在隔绝空气的条件下发酵,并在微生物的作用下产生的可燃气体,叫做沼气。主要成份:CH4占60%左右,CO2占35%左右,含有少量H2、CO等,发热值约20900KJ/Nm3。

    确定城市输配系统的压力级制、管径、燃气管网构筑物及防护和管理措施,都与燃气的种类有关。

二、燃气的性质

(一)气体燃料特点:

1、具有基本无公害燃料的综合特性

气体燃料是一种比较清洁的燃料。它的灰分、含硫量和含氨量较煤和油燃料要低得多,燃气中粉尘含量极少,近年来,由于气体燃料脱硫技术的进步,在燃烧时几乎可以忽略SOX的发生。气体燃料中所含的氮与其他燃料相比,燃烧时转化成NOX少,并且对于高温生成的NOX量的抑制,也比其他燃料容易实现。因此,对于保护环境提供了有利条件,同时,气体燃料由于采用管道输送,没有灰渣,基本消除了在运输、贮存过程中发生的有害气体、粉尘和噪声干扰。燃烧烟气还可以直接加热热水或对物料进行干燥。在有些情况下,利用降低烟气温度,使烟气中大量蒸汽析出,回收凝对水,甚至比其他方法制取软水更为合算。

2、容易进行燃烧调节

    燃烧气体燃料时,只要喷嘴选择合适,便可以在较宽范围内进行燃烧调节,而且还可以实现燃烧的微调,使其处于最佳状态。燃料气体燃烧不仅可以适应低过氧燃烧,而且具有能够迅速适应负荷变动的特性,从而为降低燃料消耗、增大燃烧效率提供了有利条件。

3、作业性好

与油燃料相比,气体燃料输送免去了一系列的降粘、保温、加热预处理等装置,在用户处也不需要贮存措施。因此燃气系统简单,操作管理方便,容易实现自动化。另外,燃气几乎没有灰分,允许大幅度提高烟气流速,受热面的积灰和污染远比燃煤、燃油时轻微,不需要吹灰设备,在其他条件相似的情况下,燃气锅炉的炉膛热强度高于燃煤、燃油锅炉。因此,燃气锅炉的体积小、金属、耐火、保温等材料以及建设投资大大降低。

4、容易调整发热量

特别是在燃烧液化石油气燃料时,在避开爆炸范围的部分加入空气,可以按需要任意调整发热量,因此,在液化石油气贮配站中常设有鼓风机或用压缩空气来稀释燃气。

气体燃料的主要缺点是它与空气在一定比例下混合形成爆炸性气体,而且气体燃料大多数成分对人和动物是窒息性的或有毒的,对使用安全技术提出了较高的要求。

(二)燃气基本性质

为了更好的了解燃气特性,表1-1和表1-2中列出了几种常用燃气组成成分的特性数据,实际应用时,根据具体情况,按照实际的供气组成体积比,加以核对和计算。

某些低级烃的基本性质[273.15K、101325Pa]   表1-1

气体

甲烷

乙烷

乙烯

丙烷

丙烯

正丁烷

异丁烷

正戊烷

分子式

CH4

C2H6

C2H4

C3H8

C3H6

C4H10

C4H8

C5H12

分子量M

16.0430

30.0700

28.1540

44.0970

42.0810

58.1240

58.1240

72.1510

摩尔容积

VM(Nm3/kmol)

22.3621

22.1872

22.2567

21.9362

21.990

21.5036

21.5977

20.891

密度

ρ(kg/Nm3)

0.7174

1.3553

1.2605

2.0102

1.9136

2.7030

2.6912

3.4537

气体常数

R[KJ/(kg.k)]

517.1

273.7

284.3

184.5

193.8

137.2

137.8

107.3

临界参数

临界温度Te(K)

191.05

305.45

282.95

368.85

364.75

425.95

407.15

470.35

临界压力

Pe(MPa)

4.6407

4.8839

5.3398

4.3975

4.7623

3.6173

3.6578

3.3437

临界密度

Ρc(kg/N/m3)

162

210

220

226

232

225

221

232

发热值

高发热值

Hh(MJ/Nm3)

39.842

70.351

63.438

101.266

93.667

133.886

133.048

169.377

低发热值

H1(MJ/Nm3)

35.902

64.397

59.477

93.240

87.667

123.649

122.853

156.733

爆炸极限

爆炸下限

Lh(体积%)

5.0

2.9

2.7

2.1

2.0

1.5

1.8

1.4

爆炸上限

L1(体积%)

15.0

13.0

34.0

9.5

11.7

8.5

8.5

8.3

粘度

动力粘度

μ×106(Pa.s)

10.395

8.600

9.316

7.502

7.649

6.835

 

6.355

运动粘度

μ×106(m2/s)

14.50

6.41

7.46

3.81

3.99

2.53

 

1.85

无因次系数C

164

252

225

278

321

377

368

383

在常压和293K条件下,可燃料气体在空气中的体积百分数。

 

某些气体的基本性质[273.15K、101325Pa]   表1—2

 

气体

一氧化碳

二氧化碳

硫化氢

空气

水蒸气

分子式

CO

H2

N2

O2

CO2

H2S

 

H2O

分子量M

28.0104

2.0160

28.0134

31.9988

44.0098

34.076

28.966

18.0154

摩尔容积

VM(Nm3/kmol)

22.3984

22.427

22.403

22.3923

22.2601

22.1802

 

21.629

密度

ρ(kg/Nm3)

1.2506

0.0899

1.2504

1.4291

1.9771

1.5363

1.2931

0.833

气体常数

R[KJ/(kg.k)]

296.63

412.664

296.66

259.585

188.74

241.45

286.867

445.357

临界参数

临界温度

Te(K)

133.0

33.30

126.2

154.8

304.2

 

132.5

647.3

临界压力

Pe(MPa)

3.4957

1.2970

3.3944

5.0764

7.3866

 

3.7663

22.1193

临界密度

Ρc(kg/N/m3)

300.86

31.015

310.91

430.09

468.19

 

320.07

321.70

参照上表,可以计算出天然气、人工燃气的密度小于空气密度(1.293kg/Nm3),而液化石油气密度大于空气密度。

(三)燃气燃烧的基本特性

 1、燃气是通过燃烧设备进行燃烧的,而用气设备是按燃气组成设计的,所以燃气组成必须维持稳定。因为各种燃气组成不同,导致了燃烧速度不同,决定了用气设备额定工作压力等许多因素不相同,为了保证燃气具的正常工作,所供燃气应满足下列两点,

 (1)华白指数:一个无因次值。物理意义为:燃烧器的热负荷在一定供气压力下取决于燃气喷口流出的燃气量和它的高热值,它是一个热负荷指标。

                          

其数值的波动范围不应超过±5%。

   (2)燃烧势:当供气成分发生较大改变时,即一种燃气被另一种燃气置换,除了华白数以外,整党工作要考虑燃烧势,燃烧式反映燃气燃烧火焰所产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性,是一项反映燃具燃烧稳定状况的综合指标。

    2、燃气燃烧涉及到几个燃烧概念

   (1)燃气的热值:是指单位数量(1kmol、1Nm3、1kg)燃气完全燃烧时所放出的全部热量。单位分别为KJ/kmol、KJ/Nm3、KJ/kg。燃气的热值又分为高热值和低热值。

   (2)着火温度:燃气开始燃烧时的温度称为着火温度。

   (3)爆炸浓度极限:燃气爆炸浓度极限是燃气的重要性质之一,因为当燃气和空气(或氧气)混合后,如果这两种气体达到一定比例时,就会形成具有爆炸危险的混全气体。该气体与火焰接触时,即形成爆炸。但是并非任何比例的燃气—空气混合气体都会发生爆炸,此范围是从爆炸下限的某一最小值到爆炸上限的某一最大值。

   混合气体是爆炸极限取决于组成气体的爆炸极限及其摩尔体积。各单一气体在常压、293.15K的爆炸极限列于表达1—1。

主要燃气的爆炸极限如表1—3所示。

   3、城市燃气的加臭

城市燃气是具有一定毒性的爆炸性气体,又是在压力下输送和使用的,由于管道及设备材质和施工方面存在的问题和使用不当,容易造成漏气,有引起爆炸、着火和人身中毒的危险。因此,当生生漏气时能及时被人们发觉进而消除漏气是很必要的,要求对没有臭味的燃气加臭,对于减少灾害,是必不可少的措施。

主要燃气爆炸极限   表1—3

爆炸极限

(空气中体积%)

炼焦煤气

高炉煤气

水煤气

催化油制气

热裂油制气

4.5

46.6

6.2

4.7

3.7

35.6

76.4

70.4

42.9

25.7

爆炸极限

(空气中体积%)

纯天然气

石油伴生气

矿井气

液化石油气

人工沼气

CH460%

CO240%

5.0

4.2

--

1.7

8.8

15.0

14.2

--

9.7

24.4

作为城市燃气的气源,如干馏煤气、水煤气、油制气、天然气和液化石油气多数含有硫化物,因此其本身都具有臭味,仅部分地区使用的天然气有时不含有硫化物,要求经过加臭后才进行输配使用。

    在城市燃气的可燃成分中,最具在毒性而含量较多者为一氧化碳,故把含有一氧化碳的燃气视为“有毒燃气”。而规定了对有毒而又无臭味的燃气应加臭,使用毒燃气在达到允许有害浓度之前,应能察觉。对于无毒燃气在相当于爆炸下限20%的浓度时,应能察觉。

    此项在国标中也做了明确的规定。

第二部分   城市燃气的输送与分配

一、城市燃气输配系统的构成与选择

(一)城市燃气输配系统的构成

现代化的城市燃气输配系统是复杂的综合设施,通常由下列部分构成:

1、低压、中压以及高压等不同压力等级的燃气管网。

2、城市燃气分配站或压气站、各种类型的调压站或高压装置。

3、储配站。

4、监控与调度中心。

5、维护管理中心。

    输配系统应保证不间断地、可靠地给用户供气,在运行管理方面应是安全的,在维修检测方面应是简便的,还应考虑在检修或发生故障时,可关断某些部分管段而不致影响全系统的工作。

    在一个输配系统中,宜采用标准化和系列化的站室、构筑物和设备。采用的系统方案应具有最大的经济效益,并能分阶段地建造和投入运行。

(二)城市燃气管网系统

城市输配系统的主要部分是燃气管网,根据所采用的管网压力级制不同可分为:

1、一级系统:仅用低压管网来分配和供给燃气,一般只适用于小城镇的供气,如供气范围较大时,则输送单位体积燃气的管材用量将争剧增加。

2、两级系统:由低压和中压B或低压和中压A两级管道组成。

3、三级系统:包括低压、中压和高压和三级管网。

4、多级系统:由低压、中压B、中压A和高压B,甚至高压A的管网组成。

(三)采用不同压力级制的必要性

1、管网采用不同的压力级制是比较经济的,因为大部分燃气由较高压力的管道输送,管道的管径可以选得小一些,管道单位长度的压力损失可以选得大一些,以节省管材。如由城市的某一地区输送大量燃气到另一地区,则采用较高的输气管线,当然,管网内燃气的压力增高后,输送燃气所消耗的能量可能也随之增加。

2、各类用户需要的燃气压力不同,如居民用户和小型公共建筑用户需要低压燃气而大型工业企业则需要中压或高压燃气。

3、消防安全要求。在城市未改建的老区,建筑物比较密集,街道和人行道都比较狭窄,不宜敷设高压或中压A管道,而只能敷设中压B和低压管道,同时大城市的燃气输戌系统的建造、扩建和改建过程要经过许多年,所以在城市的老区原先设计的燃气管道压力,大都比近期建造的管道压力低。

(四)燃气管网系统的选择

无论是旧有的城市,还是新建的城市,在选择燃气输配管网系统时,应考虑许多因素,其中最主要的因素有:

1、气源情况:燃气和种类和性质、供气量和供气压力、气源的发展或更换气源的规划。

2、城市规模、远景规划情况、街区和道路的现状和规划、建筑特点、人口密度、居民用户的分布情况。

3、原有的城市燃气供应设施情况。

4、对不同类型用户的供气方针、气化率及不同类型的用户对燃气压力的要求。

5、用气工业企业的数量和特点。

6、储气设备的类型。

7、城市地理地地形条件,敷设燃气管道时遇到天然和人工障碍物(如河流、湖泊、铁路等)的情况。

8、城市地下管线和地下建筑物、构筑物的现状和改建、扩建规划。

设计城市燃气管网系统时,应全面考虑上述诸因素进行综合,从而提出数个方案进行技术经济比较,选用经济合理的最佳方案,方案的比较必须在技术指标和工作可靠性相同的基础上进行的。

(五)燃气管网系统压力级制

城镇燃气管道按燃气设计压力分为7级,见表2—1

城镇燃气设计压力(表压)分级       表2—1

名称

压力(MPa)

高压燃气管道

A

2.5<P≤4.0

B

1.6<P≤2.5

次高压燃气管道

A

0.8<P≤1.6

B

0.4<P≤0.8

中压燃气管道

A

0.2<P≤0.4

B

0.01≤P≤0.20

低压燃气管道

P<0.01

二、城市燃气管网系统举例

下面介绍城市燃气管网的两级系统、三级系统和多级系统的几个例子,并进行一些自简要的分析。

(一)低压—中压A两级管网系统

天然气为气源,采用长输管线的末端储气。

天然气长输管线从东西方向经燃气分配站送入该城市,中压A管道连成环网,通过区域调压站向低压管网供气,通过专用调压站向工业企业供气。低压管网根据地理条件分成三个不连通的区域管网。

1-长输管线  2-城市燃气分配站  3-中压A管网  4-区域调压站

5-工业企业专用调压站  6-低压管网  7-穿越铁路的套管敷设

8-穿越河底的过河管道  9-沿河敷设的过河管道  10-工业企业

输气压力小于0.005MPa的低压干管上一般不设阀门,在低压管道上进行检修或排除故障时可用橡胶球堵塞管道,高压、中压燃气干管上,应设置分段阀门,在其支管上的起点处,也应设置阀门。阀门应设置在非常必要的地方,以便在检修、处理故障或进行改建扩建时,可关断个别管段而避免出现大片用户停气的情况。当然,每增加一个阀门,既增加了投资,也增加了漏气的可能性。

居民用户和小型公共建筑用户由低压管网供气,根据居民区规划和人口密度特点,一般情况是低压管道沿大街小巷敷设,以组成较密集的低压环网,另一种情况则是低压管道敷设在街区内,而只将主干管连成环网。

第一种情况适用于城市的老区,因为那里建筑物鳞次栉比,又分成许多小区,低压管道敷设在每条街道上、胡同里,互相交叉而连成较密的环网,从低压管道上连接用户引入管。

第二种情况适用于城市的新建区,那里居民住宅楼房整齐地布置在街区内,楼房之间保持必要的间距,在这样的条件下,低压管道可以敷设在街区内,这些楼房可由枝状管道供气,只将主要街道的低压干管成环,以提高供气的可靠性和保持供气压力的稳定性。

低压管网只将主干管连成环网是比较合理的,而次要一些的管道可以是枝状管,为了使压力留有余量,以保证环网工作可靠,主环管管段宜取相近的管径,不同压力等级的管网应通过几个调压站来连接,以保证在个别调压站关断时仍能正常供气,这样的管网方案,既保证了必要的可靠性,同时也比较经济。近年来,城市燃气输配系统中低压燃气管道不再连成统一的、许多环的大环网了,而是分成一些互不相通的区域管网,因为从供气安全可靠的角度后,一个大型或中型城市的低压管网连成大片环网的必要性不大,再则要穿越较多河流、湖泊、铁路和公路干线也并不合理。

以上是用户直接与低压管网的相连的情况,如居民用户和小型公共建筑用户均设置单独调压器时,低压管网的系统也没有原则性的变化,中是低压管网中燃气的压力值可提高到0.005MPa或直接由中压管道供气。

区域调压站的主要设备是调压器,调压器压力较高的燃气降压,并保持其出口具有稳定的压力。

给低压管网供气的区域调压站的数量,亦即各调压站的作用半径,应由技术经济计算决定。调压站宜布置在其供气区的中心,并应靠近管道的汇交点,调压站一般应设在地上单独的建筑物内,特殊情况下,也可设在地下应便于地上维修。

(二)低压—中压A两级管网系统

气源是人工燃气,用低压储气罐储气。从位于该城市郊区的燃气厂生产的低压燃气,经加压后送入中压管钢,再经区域调压站调压后送入低压管网,设置在用气区的低压储气罐低峰时由中压管供气,高峰时同时向中压和低压管网输送燃气。这种两级系统的特点是低压储气罐分散布置有利安全可靠供气,但由于低压储气罐站设在城市里,对市容和安全是不利的。

1-气源厂  2-低压管道  3-压气站  4-低压储气站

5-中压B管网  6-区域调压站  7-低压管网

(三)三级管网系统

由低压、中压和高压管网组成,气源是来自长输管线的天然气(也可以是高压的人工燃气),用高压储气罐储气,如图2-3所示。

1-长输管线  2-城市燃气分配站  3-郊区高压管道(1.2MPa)

4-储气站  5-高压管网  6-中压调压站  7-中压管网

8-中-低压调压站  9-低压管网  10-煤制气厂

该城市原为中压和低压两管网,气源是煤制气,随着燃气事业的发展,天然气送入该市,建立了压力为3KPa、0.07—0.15MPat和0.3—0.5MPa的三级管网。

为了充分利用该城市原有的供气系统,通常采用分区置换的办尖,分期分批改变气源,该城市先后在郊区建立了三个高压储气罐站,用1.2MPa的高压管道在城市郊区将向个储气罐站连成整体。

为便于直观,图2—3中各级压力的燃气管道均互不相干地分别布置,但实际上在同一条街道内,可能既有高压管道或中压管道、又有低压管道。这是因为低压管网要给全区域供气几乎布满城市所有街道,而通向调压站的则可能是高压或中压管道的支管。

当城市的气源全部是低压的人工燃气时,由于出厂的压力较低,在大城市是否采用三级系统和高压储气设备,需要考虑发展规划,并经过经济技术计算才能确定。

(四)多级管网系统

气源是天然气,该城市的供气系统采用地下储气库、高压储气罐站以及长输管线储气。

在居民人口众多的特大型城市,采用多级管网系统。天然气通过几条长输管线进入城市管网,两者的分界点是城市燃气分配站,天然气的压力在该站降到2.0MPa,进入城市外环的高压管网。

图2—4所示的城市管网系统的压力主要为四级,即低压(图中低压管网和给低压管网供气的区域调压站未画出)、中压B、中压A和次高压A。各级管网分别组成环状,天然气由较高压力等级的管网进入较低压力等级的管网时,均通过调压站。

1-长输管线  2-城市燃气分配站  3-调压计量站  4-储气站

5-调压站  6-2.0MPa的高压环网  7-高压B环网  8-中压A环网

9-中压B环网  10-低下储气库

由于该城市中心区的人口密度很大,从安全考虑敷设了压力不大于0.2MPa的中压B管网,工业企业用户和大型公共建筑用户与中压B或中压A管网相连,居民用户和小型公共建筑用户则与低压管网相连。

从运行管理方面看,该系统既安全又灵活,因为气源来自多个方向,主要管道均连成环网,平衡用户用气量的不均匀性可以缓冲用户、地下储气库、高压储气罐站以及长输线储气来解决。

上述几种管网系统中,均采用区域调压站向低压环网供气的方式。此外,也可不设区域调压站,而在各街区设调压柜或设楼栋调压箱,向居民和公共建筑用户供应低压燃气,有些国家允许采用中压燃气管道进户的供气方式,将调压器设在楼内或用气房间内,燃气降压后供燃具使用。

三、城市燃气需用量及供需平衡

(一)城市燃气需用量

1、供气对象

按照用户的特点,城市燃气供气对象一般分为下列三个方面:

①居民生活用气

   居民用户是城市供气基本对象,也是必须保证连续稳定供气的用户。

②公共建筑用气

   公共建筑包括职工食堂、饮食业、幼儿园、托儿所、医院、旅馆、理发店、浴室、洗衣房、机关、学校和科研机关等,燃气主要用于炊事和生活用热水,对于学校和科研机关,燃气还用于实验室。

③工业企业生产用气

工业企业用气主要用于生产工艺。

此外,城市燃气也可用作供暖、空调及汽车的能源。

2、供气原则

燃气是一种优质燃料,应力求经济合理地充分发挥其使用效能,燃气的供气原则不仅涉及国家的能源政策及环保政策,而且与当地具体情况、条件密切相关,首先应该从提高热效率和节约能源方面考虑,由于我国气源尚不丰富,城市燃气应优先供给居民生活用户。因为小煤炉的热效率很低,只有15%-20%,但采用燃气后,热效率可高达55%-60%。燃气供应可大量节约燃料。对于大量的、分散的小用户,即居民生活用户及公共建筑用户来说,使用燃气还可有效地防止环境污染、节约劳动力以及减轻城市交通运输量。

①居民用气供气原则

a.优先满足城镇居民炊事和生活用热水的用气。

b.尽量满足托幼、医院、学校、旅馆、食堂和科研等公共建筑的用气。

c.人工煤气一般不供应采暖锅炉用气,如天然气气量充足,可发展燃气供暖和空调。

②工业用气供气原则

a.应优先考虑在工艺上使用燃气后,可使产品产量及质量有很大提高的工业企业。

b.使用燃气后能显著减轻大气污染的工业企业。

c.作业缓冲用户的工业企业。

③工业与民用供气的比例

   城市燃气在气量分配时应兼顾工业与民用,工业企业具有用气比较均匀的特点,占在一定比例用气量的工业企业用户有助于平衡城市燃气使用的不均匀性,减少燃气储存容量,也可以作为缓冲用户,平衡城市燃气供应的季节不均匀性及节日高峰负荷。

3、城市燃气需用量计算:

①居民生活用气量指标:影响居民生活用气量指标的因素很多,不同地区,不同生活习惯等造成用气量指标的不同。表2—2列出了我国一些地区和城市的居民生活用气量。

城镇居民生活气量指标[MJ/(人.年)]

城镇地区

有集中供暖地用户

无集中供暖用户

东北地区

2303-2721

1884-2303

华东、中南地区

 

2093-2303

北京

2721-3140

2512-2931

成都

 

2512-2931

上海

 

2303-2512

 

②公共建筑用气量指标:影响公共建筑用气量指标的重要因素是用气设备的性能、热效率、加工仪器的方式和地区的气候条件等。

几种公共建筑用气量指标

类别

单位

用气量指标

职工食堂

MJ/(人.年)

1884-2303

饮食业

MJ/(座.年)

7955-9211

 

MJ/(人.年)

MJ/(人.年)

1884-2512

半托

MJ/(人.年)

1256-1675

医院

MJ/(床位.年)

2931-4184

招待所

旅馆

有餐厅

MJ/(床位.年)

3350-5024

无餐厅

MJ/(床位.年)

670-1047

高级宾馆

MJ/(床位.年)

8374-10467

理发

MJ/(人.次)

3.35-4.19

城市燃气各类用户年用气量的计算,见有关国家标准部分。

(二)燃气用户的用气规律

城市燃气年总用气量是规划城市燃气管钢和计算设备通过能力的重要依据,但是由于用户对燃气的使用和需求是不均匀的,一年之中各月是不均匀的,一月之中各日是不均匀的,一日之中各时是不均匀的,因此我们不能得意地用气总用气量除以时间求得瞬时通过量来确定管道的直径和设备的能力,为解决这一问题,就必须研究各类用户的用气规律。

1、月不均匀性

居民生活和公共建筑用气量月不均匀性最为显著,其主要因素是气候条件。一般气温低则用气量增加。冬季,居民用户一般习惯吃热食,加上水温低所以制备食物和热水的燃气量相对增加。特别是一些发达国家使用燃气采暖,冬季燃气耗气量更是成倍增加,如法加冬夏燃气消耗量为4比1。而巴黎地区却高过7比1。一般说来耗气量冬季为夏季的2-3倍,个别高寒地区高达11倍。

但是我国北方一些城市,有的居民用户用煤炉采暖,并兼作热水或炊事,这样,冬季的用气量反而比夏季的用气量少。

公共建筑用气量的季节或月均匀情况与居民生活用气量季节或月不均匀情况基本相似。

工业企业一般是连续生产的,月用气量比较均匀,但是随着冬季室外气温、水温的降低,用气量也有所增加。

建筑物采暖用气量更是造成城市燃气用气量季或月不均匀性的重要原因,采暖期的用气量则取决于气候条件。

根据各类用户年用气量的月不均匀性,可编制出年用气量图表,它对制订供气和贮气计划方案、安排管道和设备的季节维修计划有着实际意义。

一年中各月的用气量不均匀情况用月不均匀K1表示,按照字面上的意义,它应该是各月的用气量与全年平均月用气量的比值,但由于每个天数是在28-31d范围内变化的,因此月不均匀系数K1值按下式确定:

    该月平均日用气量

K1=------------------

   全年平均日用气量

12个月平均日用气量最大的月,即:不均匀系数值最大的月,称为计算月。并将该月的最大不均匀系数K1max称为月高峰系数.

2、日不均匀性

一个月或一周中用气的波动主要由下列因素决定:居民生活习惯、化共建筑营业服务的高峰、工业企业的工体制度、室外气温的变化等。

实测资料表时:我国一些城市的居民生活和公共建筑用气,除了包含法定节日休息的一些周外,波动和影响几乎是一样的。平日用气量变化较少,星期五略有增加,星期六、星期日用气量明显增加,即:节假日中用气量比较大。

工业企业用气量的日不均匀性平日波动不大,只是轮体日或节假日波动较大。

采暖期间,采暖用气量的日不均匀性不明显。

一月中的各日的用气量的不均匀情况用日不均匀系数K2表示:

    该月中某日的用气量

K2=------------------

   该日平均日用气量

该月中日最大不均匀系数K2max称为该月的日高峰系数。

 

图2-5  居民和公共建筑气量变化曲线

图2-6  居民和公共建筑 气量变化曲线

3、小时不均匀性

居民生活的公共建筑的小时用气不均匀性最为显著,它与居民生活习惯,气化住宅的数量以及居民的职业类别等因素有关,每日有早、中、晚三个用气高峰。其中早晨高峰最低,由于生活习惯和作息时间不同,有的城市晚上高峰低于中午高峰,周六、周日等休息日小时用气的波动与一周中其它各日又相同,一般仅中午、晚上两个高峰。

工业企业小时不均匀性不那么明显,对于有集中采暖的用户,若为连续采暖,则小时用气量变化不大,一般晚间稍高些,若为间歇采暖,则波动较大。

一日中的各小时用气量的不均匀情况用气时不均匀系数K3表示:

图2-7  居民和公共建筑小时 用气量变化曲线

图2-8  各类用户小时总 用气量变化曲线

该日平均小时用气量

该日中小时不均匀系数最大值K3max称为该日的小时高峰系数。

(三)燃气输配系统的供需平衡

城市燃气的需用工况是不均匀的,随月、日、时而变化,但一般燃气气源的供应量是均匀的,不可能完全随需用工况而变化。为了解决均匀供气与不均匀耗气之间的矛盾,不间断地向用户供应燃气,保证各类燃气用户有足够流量和压力的燃气,必须采取合适的方法使燃气输配系统供需平衡。

供需不平衡方法

1、改变气源的生产能力和设置机动气源

采用改变气源的生产能力和设置机动气源,必须考虑气耕牛运转停止和难易程度、气源生产负荷变化的可能性和变化的幅度,同时应考虑供气的安全可靠和技术经济合理性。

直立式连续炭化炉煤气的产量可以有少量的变化幅度,主要是通过改变投料量、干馏时间等手段来实现,而焦炉的产量,通常是不能改变的,因为受焦炭生产的限制。上述两种炉的停炉和开炉都不能在短时间内实现。油制气、发生炉煤气及液化石油气混空气等气源具有机动性,设备启动和停产比较方便,负荷高速范围大,可以调节季节性或日用气不均匀性,甚至可以平衡小时用气不均匀性。

当用气城市距天然气产地不太远时,可采用调节气井供应量的办法平衡部分月不均匀用气。

2、利用缓冲用户和发挥调度的作用

一些大型的工业企业、锅炉房等都可作为城市燃气供应的缓冲用户,夏季用气低峰时,把余气供给他们燃烧,而冬季高峰时,这些缓冲用户改烧固体燃料或液体燃料。用此方法平衡季节不均匀用气及一部分日不均匀用气。

可采用调整大型工业企业用户厂休日和作息时间,以平衡部分日不均匀用气。

此外,还采用计划调配用气的方法,随时掌握各工业企业的实际用气和计划用气量。对居民生活用户和公共建筑用户则设一些测点,在测点装置燃气部计量表,掌握用气情况。根据工业企业、居民生活及公共建筑的用气量和用气工况,制定调度计划,通过调度计划调配供气量。

3、利用储气设施

①地下储气   地下储气库储气量大,造价和运行费用省,可用以平衡季节不均匀用气和一部分日不均匀用气。但不应该用来平衡日不均匀用气及小时不均匀用气,因为急剧增加采气强度,会使储库投资和运行费用增加,很不经济。

我国第一座地下天然气储气库,就用来平衡季节不均匀用气,夏季注气,冬季采气,储气量约为10×106m3。

②液态储存   天然气的主要成分甲烷,在0.056MPa、-1610C时即液化,可以储存在储罐中,储罐必须保证绝热良好,储罐的压力较低,比较安全,将大量天然气液化后储存于特别的低温储罐或冻穴储气库中,用气高峰时,经气化后供出。

采用低温液态储存,通常储存量很大,适于调节各种不均匀用气。

国外设有液化天然气的“卫星站”和“调峰全能站,站内有储存和再气化装置”。“卫星站”构造简单、可拆可装、还可用汽车拖载。“卫星站”有三个用途:第一、作为中小城市调峰用气的手段;第二、作为设备大修过程或事故处理过程中保证安全供气的措施;第三、“调峰全能站”的容量比“卫星站”还大,可作为天然气管道沿未到达的小城镇之燃气气源,这种站设在长输干管的末端,并有液化储存和再气化的装置。

③管道储气   高压燃气管束储气及长输干管末端储气,是平衡小时不均匀用气的有效办法。高压管束储气是将一组或几级钢管埋在地下,对管内燃气加压,利用燃气的可压缩性及其高压下和理想气体的偏差(在16MPa、15.60C条件下,天然气比理想气体的体积小22%左右),进行储气。利用长输干管储气是在夜间用气低峰时,燃气储存在管道中,这时管内压力增高,白天用气高峰时,再将管内储存的燃气送出。

④储气罐储气   储气罐只能用来平衡日不均匀用气及小时不均匀用气,储气罐储气与其他储气方式相比,金属耗量和投资都较大。

第三部分   城市燃气供应

一、城市燃气用户的类型

(一)居民生活用户

燃气主要用于居民炊事和日常生活用热水,是城市燃气供应的基本用户,城市燃气应优先供给城市居民生活使用,因为小煤炉的热效率太低,只有15%-20%,而燃气热效率可高达55%-60%,供应燃气后可大量节约燃料。居民生活用户数量之多,分布之广泛,致使小煤炉的煤烟和炉渣对城市造成了严重污染,使用燃气可有效地防止环境污染,改善居民生活条件,节约劳动力,以及减轻城市交通运输量。

(二)公共建筑用户

公共建筑包括职工食堂、餐饮业、幼儿园、托儿所、医院、旅馆、饭店、理发店、娱乐场所、商店、洗衣房、浴室、国家机关和科研单位等部门。公共建筑用户的燃气供应主要用于种类仪器和饮料的热加工制作过程、生活用热水及饮用水。

公共建筑用户中有的属于公共福利性质,有的属于商业性质,因此,在燃气供价格上应有所差别、公共建筑用户在城市中大而分散,也是城市燃气供应的基本用户。

(三)工业企业用户

是指在生产工艺中必须使用燃气的工业企业,对于供应燃气后可使产品质量大大改善和产量是很大提高的工业企业应优先供应。

工业企业用户具有用气量比较均匀的特点,所以工业企业用气量在城市总用气量中占有一定比例,将有利于平衡城市燃气储存设施的投资。

工业企业使用城市燃气的费用一般比自建燃气站经济,燃气费用可计入产品的耗能成本,因此燃气售价应有别于民用和公共建筑用户。

(四)建筑物采暖用户

是指以燃气作为冬季采暖热源的用户,由于采暖锅炉燃煤与使用燃气的热效率相差不大,在城市燃气气源紧张的条件下,一般不供应建筑物采暖,只有通过技术经济论证,确认为供应燃气后经济效益高,社会效益好,且气源充足时可考虑供应燃气,建筑物采暖用燃气集中于冬季,具有突出的季节性不均匀用气的特点。

二、居民生活用户的燃气供应设施

(一)燃气管道系统

居民生活用户的燃气管道系统按用户引入管的输气压力大小可分为低压引入系统和中压引入低压供气系统,按引入管的敷设方式可分为地下引入、地上引入和室外立管引入系统。

1、低压引入系统

是指庭院内的低压燃气管道直接进入楼栋内,经室内燃气管道系统将低压燃气供应居民生活用户。如图3—1所示,用户引入管1从楼前低压燃气管道12接出,将燃气引入室内,再经立管4,水平干管5和用户支管6将燃气输送到各楼层的居民厨房中,通过灶具连接管9将燃气输入燃气灶具10,用户支管上需安装燃气表对燃气用量进行计量,引入管末端就安装总控制阀对管道系统的供气进行控制,此外,还应设用户控制阀和灶具控制阀。图中所示的引入管敷设方式为地上引入,即引入管在建筑物外墙垂直伸出地面,距室内地面一定高度的位置引入室内,北方冰冻地区,冰冻线以上的引入管作保温处理,如管道加保温层,并作砖砌保温台加以保护。

图3-1  低压引入系统

1-用户引入管  2-保组台  3-保温层  4-立管  5-水平干管

6-用户支管  7-燃气表  8-软管  9-灶具连接管  10-燃气灶具

11-套管  12-楼前管  H-最大冰冻棵度

燃气管道系统之外可增设燃气自动抄表系统,一个抄表系统可接100多户燃气表,实现不进用户家门即可查表收费。

用户引入管应采用无缝钢管,水平干管、立管和用计以管等可采用低压液体输送用钢管,室内燃气管道系统的控制阀一般采用球阀,也可采用旋塞阀。

2、中压引入低压供气系统

中压引入低压供气系统是指庭院内的中压燃气管道敷设至楼前或直接引入楼栋内,经调压箱(或调压器)调至低压,再经室内燃气管道输送至居民生活用户,根据调压箱(调压器)的安装位置又分楼栋调压箱式和中压直接引入式。

①楼栋调压箱式

楼栋调压箱式的中压引入低压供气系统是指由埋地敷设的中压庭院支管与设在楼栋前或悬挂固定在楼栋外墙上的调压箱入口侧相连接,燃气经调压箱内的调压器调到低压后,经调压箱出口侧的低压引入燃气管道系统,将低压燃气输送到各楼层的居民生活用户,如图3—2所示。一般情况下,一个用户引入管上设一个调压箱,也可以2-3栋楼设一个调压箱,调压箱的供气能力应视用户数量而选定。

图3-2  楼栋调压箱式燃气管道系统

1-中压干管  2-调压箱  3-调压器  4-低压楼前管

5-用户引入管  6-主管  7-安全阀  8-散管

 

②中压直接引入式

图3-3  中压直接引方式

1-中压入管  2-总控制阀  3-活接头  4-中低压调压器  5-室内低压管道

中压直接引入式的中压引入低压供气系统是指将中压庭院支管直接引入室(楼)内,在中压引入管末端设置用户调压器(或调压箱),低压燃气经室内低压燃气管道系统输送至楼栋内各居民生活用户,如图3-3所示,该系统的中压燃气已经进入楼栋内,几须加强安全管理。图中引入管为地下引入式,即引入管在地下穿建筑物外墙后垂直伸出室内地面。

3、室外立管引入供气系统

图3-4  室外立管引入式

1-室外立管  2-用户入管

这种燃气系统将立管沿楼栋外墙垂直布置,从立管上接出水平支管穿外墙直接进入各楼的居民厨房,即用户引入管代替用户支管,如图3-4所示,这种燃气管道系统构造简单,便于施工维修,供气安全,但北方具有冰冻期的地区,不适于输送含有冷凝水或其他冷凝液的燃气。

(二)居民生活用燃气具

居民生活常用燃具有:单眼灶、烤箱灶、热水器、壁挂炉等。

燃气管道及燃具的安装部分,在讲解施工时再进行讨论。

三、烧器的分类与燃气燃烧器的种类

(一)燃气燃烧的条件

1、燃气的燃烧:燃气中可燃成分和氧气混合,遇到火即发生燃烧,并放出光和热。

反应方程如下:CO+0.5O2=CO2+12.64MJ

              CH4+2O2=CO2+2H2O+35.91MJ

              C3H6+5O2=3CO2+4H2O+93.24MJ

              C4H10+6.5O2=4CO2+5H2O+123.65MJ

              H2S+1.5O2=SO2+H2O+23.38MJ

              H2+1/2O2=H2O+10.8MJ

燃气、氧、火源为燃烧三要素

2、燃烧稳定性

燃烧的稳定性是以有无脱火药味、回和黄焰的现象来衡量。正常燃烧时,燃气离开火孔速度同燃烧速度相适应,这样在火孔上形成一个稳定的火焰,如果燃气离开火孔的速度大于燃烧速度,火焰就不能稳定在火孔出口处,而离开火孔一定距离,并有些颤动,这种现象叫脱火。由于天然气、沼气的火焰传播速度比焦炉煤气小得多,如一次空气系数α=0.6-0.65时,天然气的允许火孔出流通速度限制在1.0-1.3m范围内,如果燃烧器加工设计不合适,则易产生脱火。

相反,当燃气离开火孔的速度小于燃烧速度,火焰会缩入火孔内部,导致混合物在燃烧器内进行燃烧、加热,破坏一次空气的引射,并形成化学不稳定燃烧,这个现象称为回火。

当燃烧时空气供应不足(哪风门关小),不会产生回火,但此时在火焰表面将形成黄色边缘,这种现象称为黄焰,它说明产生化学不完全燃烧,当过量增大一次空气时,火焰就缩短,甚至火从进气风门处冒出来,这也是常见的回火现象。

在燃烧液化石油气时,可以观察到有发光黄焰。产生这种现象的原因是由于在燃烧反应之初氧气不足,其中部分燃气分子燃烧,并使未燃气温度升高到600OC,这个温度超过了化学键的破坏点,使丙烷分子解体,当丙烷分子的调整运动,使分子之间相互碰撞,使氢原子脱离,使碳原子成为原子,在这样的温度下碳原子为白炽的,使火焰发出光。

总之造成脱火、回火和黄焰的现象,是与一次空气系数、火孔出口流速、火孔直径以及制造燃烧器的材料等因素有关。

(二)燃烧器的分类

燃烧器的类型很多,分类方法各不相同。一般按下列进行分类:

1、按一次空气系数分

①扩散式燃烧器:燃气中不预混空气,一次空气系数α=0

②大气式燃烧器:燃气中预先混入一部分空气。0<α<1

③无焰式燃烧器:燃气和空气完全预混。α>1

2、按空气的供给方式分

①引射式燃烧器:空气被射流通吸入或者燃气被空气射流通吸入。

②鼓风式燃烧器:用鼓风设备将空气送入燃烧系统。

③按供气压力分:低压燃烧器,高(中)压燃烧器。

(三)燃气燃烧器的种类

1、扩散式燃烧器:过剩空气系数α=0

2、大气式燃烧:

根据大气式燃烧方法设计的燃烧器称为大气式燃烧器,其一次空气系统0<α<1,大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成,如图3-5。

大气式燃烧器的工作原理是:燃气在一定压力下,以一定流速从喷嘴流出,进入吸气收缩管,燃气靠本身的能量吸入一次空气,在引射器内燃气和一次空气混合,然后经头部火孔流出,进行燃烧,形成本生火焰。

1-调风机  2-一次空气口  3-引射器喉部  4-喷嘴  5-火孔

预先混合部分空气的燃烧器,一次空气系数通常取0.6-0.9。燃气以一定压力自喷嘴喷出,进入混合管(即引射器),借高速喷射形成的负压将所需一部分空气吸入,在混合管中混合后从燃烧器头部火孔逸出而燃烧,形成了火焰的内锥(焰芯)。其余的燃气依靠扩散作用和周围的二次空气混合燃烧,形成火焰的外锥,火焰呈蓝色,在内外焰交界处的火焰温度最高。

根据燃气压力的不同,它又可分为低压引射式与高(中)压引射式两种,前者多用于民用燃具,后者多用于工业装置,当燃气压力不足时,也可利用加压空气来引射燃气。

优点:

(1)由于大气式燃烧器预先混入了一部分空气,它比自然引风扩散式燃烧器火焰短,为力强,燃烧温度高。

(2)可以燃烧不同性质的燃气,燃烧比较安全,燃烧效率比较高,烟气CO含量较少。

(3)可应用低压燃气,由于空气依靠燃气引入,所以不需要送风设备。

(4)适应性强。

应用范围   多火孔大气燃烧器应用非常广泛,在家庭及公用事业中的燃气用具如家用灶、热水器、沸水器及食堂法用得最广。在小型锅炉及工业炉上也有应用。单火孔大气式燃烧器在中小型锅炉及某些工业炉上广泛应用。

3、鼓风式燃烧器

由鼓风机供给燃烧所需的全部空气的燃烧器,一次空气系数为零,燃烧热强度和火焰长度取决于燃气与空气的混合情况,为了强化燃烧,鼓风式燃烧器又有套管式、旋流叶片式、蜗壳式和平流式等多种形成,与相同热负荷的引射式燃烧器相比,鼓风式燃烧器结构较紧凑,当然气和空气混合得较好时,火焰较短,热负荷调节范围较大,空气具有一定压力,提供了预热空气的可能性,但这种燃烧器需配有鼓风机,燃烧器本身也不能自己调节燃气和空气的混合比例,鼓风式燃烧器主要用于各种工业炉和大型锅炉。

4、无焰燃烧器

在燃烧之前燃气与空气实现全部预混,燃烧过程火焰很短,火焰外锥几乎完全消失,甚至完全看不见火焰,这种燃烧器一般采用引射器吸入空气,并使一次空气系数为1,因此空气与燃气充分预混,在高温网络或火道中瞬间完成燃烧,火道热强度很高,燃烧温度也较高。

优点:

(1)燃烧完全,化学不完全燃烧较少。

(2)过剩空气少(α=1.05-1.10),常用于工业炉直接加热工件时,不会引起工件过分氧化。

(3)燃烧温度高,容易满足高温工艺的要求。

(4)火道式无焰燃烧大燃烧热强度大,容积热强度可达(29-58)×106W/m3或更高,因而可缩小燃烧容积。

(5)设有火道,容易燃烧低热值煤气。

(6)不需鼓风,节省电能及鼓风设备。

缺点:

(1)为保证燃烧稳定,要求燃气热值稳定。

(2)发生回火的可能性大,调节范围比较小,为防止回火,火头结构比较复杂和笨重。

(3)热负荷大的燃烧器,结构庞大和笨重,故每个燃烧器的热负荷一般不超过2.3×106W.

(4)噪声大,特别是高压和高负荷时更是如此。

 

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