前言
轻烃是石油炼制过程中馏程为80℃以下的副产品，产量丰富，价格远低于液化石油气；馏程为80℃以下的轻烃经过气化与空气混合成符合国家燃烧特性标准的管道输配混合燃气。轻烃燃气热能利用效率高，无“三废”排放，无毒无害，不会造成人员中毒现象，而且价格低廉，是一种能代替传统生活燃料的新型绿色能源。
一直以来，轻烃作为炼油厂的油气的副产品，往往没有被合理、科学的利用起来，这些宝贵资源往往被当作“长明灼，白白烧掉。”事实上，轻烃的热值是天然气的四倍。目前轻烃燃气的技术已经开发出来，并产生了可观的经济效益。因此大力发展循环经济，实现轻烃资源的综合利用，提高资源综合利用率，不仅有助于缓解我国能源紧张的严峻形势，而且对落实节能减排工作方案，保护生态环境，实现“十一五”规划目标具有重要的意义。
作为城市燃气的重要补充，轻烃已被建设部确定为我国第四代新型城市燃气。目前，中国城市燃气协会正在加紧编制轻烃混空燃气(简称混空轻烃)的行业标准，使混空轻烃燃气的生产、运储和使用“有法可依”，进一步加强技术安全，促进混空轻烃燃气的良性发展。
在轻烃的设计、施工和使用过程中，其安全性、可靠性和稳定性一直是普遍关注的问题，下面从几方面对轻烃燃气的安全性和稳定性进行论述，以和有关同行进行共同探讨，促进轻烃混空燃气更好更快地向前发展。
1、规范和标准
在轻烃的目前应用过程中，碰到的最大问题是执行的规范和标准问题。在设计、施工和应用领域，主要利用现有已发布的规范和标准，使工程在消防、安全、节能审批和验收等方面取得可靠的依据。
2、混合气的安全性
2.1 混合气的露点
在轻烃混空燃气在应用过程中最主要的问题是露点问题，即轻烃与空气的混合比例决定了其安全性和适用性。气体输送过程中最主要的条件是混合气的露点要低于环境温度5℃以上，下面是正戊烷、异戊烷和空气混合气的露点计算及图表。
正戊烷和空气混合气的露点
|
压力(×105Pa)
|
正戊烷和空气混合比
|
|||||||
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
80
|
100
|
|
|
1
|
-18.5
|
-4.5
|
4.2
|
9
|
14
|
20
|
28
|
362
|
|
1.1
|
-15
|
-2.5
|
6.8
|
11.5
|
17
|
24.5
|
26
|
30
|
|
1.2
|
-13.8
|
-1
|
8
|
132
|
18.5
|
26
|
28
|
29.5
|
|
1.4
|
-11.5
|
2
|
11.5
|
17
|
22
|
31.5
|
35
|
40
|
|
1.6
|
-9.8
|
4.7
|
12.4
|
20
|
27
|
31.5
|
40
|
44
|
|
2
|
-7
|
7.9
|
17
|
22
|
28
|
34.5
|
37.5
|
48
|
|
3
|
2
|
17.5
|
27
|
35
|
40
|
45
|
50
|
58
|
异戊烷和空气混合气的露点
|
压力×105Pa)
|
异戊烷和空气混合比
|
|||||||
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
80
|
100
|
|
|
1
|
-24
|
-11.8
|
-2.8
|
4.3
|
8
|
13.5
|
22
|
27.85
|
|
1.1
|
-14.3
|
-8.8
|
1.8
|
7.5
|
13.5
|
19
|
26
|
34
|
|
1.2
|
-18
|
-4.5
|
5.5
|
11.5
|
17
|
22
|
32
|
37
|
|
1.4
|
-15.5
|
-3
|
8.1
|
14
|
20
|
26.5
|
35
|
40
|
|
1.6
|
-13.8
|
0
|
12
|
17
|
22
|
30
|
40
|
44
|
|
2
|
-12
|
2
|
7.5
|
13.5
|
19
|
26
|
34
|
48
|
|
3
|
-4
|
12
|
23
|
28
|
36
|
45
|
50
|
58
|
轻烃是C4、C5及C6等的烷烃混合物。C6以上成分在相同的温度下蒸汽压与C4、C5相比低得名。轻烃与空气混合后，混合物露点不仅与混气比、混合物压力有关，与轻烃各组分浓度关系较大，特别是C6以上成分影响最大。轻烃与空气混合比可控制1:5或1:4。通过计算得出，当压力为O.1MPa，C8以上浓度为2%，露点低于0℃；C6以上成分降低至1%，混合物露点可降低到-5℃；若提高压力至O.15MPa，C6以上成分必须小于1%，混合物露点才能不低于0℃。在实际使用过程中，由于不同来源的轻烃的组分比较复杂，因此要注意控制轻烃的组分，尤其是C6以上成分，根据不同的组分和不同地区的环境温度进行计算，使轻烃混空燃气存车奋为安全的区域下输送。
2.2 爆炸极限
轻烃混合气安全性的另一个重要因素是爆炸极限。下表是一组轻烃与空气混合气的物性参数表，从表中可以看出，以戊烷烃为主的轻烃的爆炸极限上限较低。
混合后燃气物性参数计算表(轻烃：AIR=1:4)(273.15K 101325Pa)
|
组分
|
分子量
|
体积%
|
密度(kg/m3)
|
相对密度
|
绝热指数(K)
|
动力粘度×106(Pa.S)
|
运动粘度×106(Pa.S)
|
爆炸极限(V%)
|
着火温度(℃)
|
高热值(MJ/Nm3)
|
低热值(MJ/Nm3)
|
临界温度(K)
|
临界压力(MPa)
|
沸点
|
|
|
正丁烷
|
58.124
|
2.O
|
2.703
|
2.09
|
1.144
|
0.697
|
2.53
|
8 5
|
1.5
|
365
|
133.9
|
123.66
|
425.18
|
3 747
|
-0.5
|
|
异戊烷
|
72.151
|
8.O
|
3.45
|
2.671
|
1.121
|
0648
|
1.85
|
8.3
|
1.4
|
420
|
169.39
|
156.75
|
469.65
|
3.325
|
27.82
|
|
正戊烷
|
72.151
|
8.O
|
3.45
|
2.671
|
1.121
|
0.648
|
1.85
|
83
|
1.4
|
260
|
162.28
|
155.78
|
469.65
|
3 2
|
36.06
|
|
己烷
|
78.114
|
2.O
|
3.84
|
2.97
|
1.12
|
0.712
|
1.82
|
8
|
1 2
|
560
|
161.89
|
155.41
|
125.97
|
3349
|
68.74
|
|
空气
|
28.966
|
80
|
1.2931
|
1
|
1.304
|
17.17
|
13.4
|
|
|
|
|
|
132.5
|
3.645
|
-192
|
|
混合物
|
37.442
|
100
|
1.717
|
1.328
|
1.267
|
1.267
|
6.058
|
0.069
|
0.069
|
|
32.449
|
30.58
|
192.16
|
3.579
|
|
2.3 燃烧特性
以上述比例的轻烃混合气计算的物性参数详见下表
燃气物性参数表(轻烃：AIR=1:4)
|
序号
|
参数名称
|
数量
|
单位
|
|
1
|
平均分子量
|
37.442
|
|
|
2
|
密度
|
1.717
|
kg/Nm3
|
|
3
|
相对密度
|
1.328
|
|
|
4
|
绝热指数(硒
|
1.267
|
|
|
5
|
动力粘度×106((Pa.S)
|
1.626
|
Pa.S
|
|
6
|
运动粘度×106(m2/s)
|
6.058
|
m2/s
|
|
7
|
爆炸极限(V%)(上限)
|
0.4t
|
%
|
|
|
(下限)
|
0069
|
%
|
|
8
|
高热值(MJ/Nm3)
|
32.449
|
MJ/Nm3
|
|
9
|
低热值(MJ/Nm3)
|
30.584
|
MJ/Nm3
|
|
10
|
临界温度(K)
|
192.16
|
K
|
|
11
|
临界压力(MPa)
|
3.5794
|
MPa
|
|
12
|
华白数
|
24.76
|
MJ/Nm3
|
|
13
|
燃烧势
|
10.37
|
|
从燃烧热值来看，其热值较高，华白数和燃烧势近似于《城镇燃气分类》GB/T1361 1-2006中的6T的天然气，因此在燃烧器具选择天然气的灶具就可以满足轻烃混空燃气的要求。
3、气化方式的选择
轻烃和液化石油气相比，在相同的温度条件下气化潜热较高，较难气化，因此设计过程中要根据提供的轻烃组分，经过计算确定合理的气化温度区间和气化方式。
气化热媒有电、热水和蒸汽，由于轻烃气化潜热较大，因此选择可靠的气化介质具有重要的意义，不仅可以减少运行成本，而且还可以保证生产操作的安全稳定。
在有充足的电力和蒸汽气源的地方，选择电和蒸汽是可行的，但多数的厂站不具备这一优势，因此只能选择以热媒加热产生热水或蒸汽的气化方式。这种气化方式要求配套有自动化程度较高的蒸汽或热水锅炉，还要有加热的气源。在设计轻烃混空站时通常是把混合后的气体回输至锅炉作为燃料，但要考虑启车时的备用燃料问题。
4、调峰储气方式
在设计液化气混空站时通过气化混气设备的启停数量来调节下游用气负荷的变化，但在设计轻烃混空站的设计过程中，由于气化工艺为连续强制气化的特殊性不能通过设备的频繁启停来调节气量的变化，只能通过储气方式来解决。
储气方式有湿式气柜、干式气柜、缓冲储罐储气几种，下表(表格见下页)我们根据技术、安全、技术、经济几方面对几种储气方式进行简要的分析(储气规模按照2万立方米考虑)。
三种储气方式技术经济对比分析表
|
技术经济特性
|
湿式气柜
|
干式气柜
|
缓冲储罐储气
|
|
规格
|
D=39m，H=31.67m，V=23367m3
|
D=26.5m，H=43m，V=23187m3
|
球罐D=1Om，H=32m，P=O.15MPa
|
|
钢材
|
390t
|
560t
|
474t
|
|
数量(台)
|
1
|
1
|
6
|
|
总投资(万元)
|
608
|
874
|
740
|
|
技术特性压力
|
储气压力3000Pa，并且波动
|
储气压力6000Pa，压力稳定
|
储气压力0 2MPa，压力稳定
|
|
煤气湿度
|
罐内煤气湿度较大，出口煤气含水份较高
|
煤气较为干燥
|
煤气较为干燥
|
|
占地
|
较大
|
较小
|
较大
|
|
防腐蚀
|
易腐蚀
|
不易腐蚀
|
不易腐蚀
|
|
寿命
|
20年
|
30年
|
20年
|
|
基础要求
|
较高
|
较低
|
较高
|
|
抗震性能
|
较差
|
较好
|
较好
|
|
安全性
|
塔节薄弱处易漏气需加强
|
密封系统较复杂，对密封油要求较高
|
操作压力较高，安全性较差
|
|
单位储气建设成本(元/Nm3)
|
304
|
437
|
370
|
|
运行成本(万元/年)
|
50
|
30
|
20
|
|
寿命期内的总成本现值(万元)
|
955.78
|
820.4
|
625 6
|
注：上表的寿命期内总成本计算是按利率6%，25年。
通过以上比较，低压湿式气柜由于其煤气中水含量较高，并且冬季易造成结露需要采取保温措施，增加运行成本，干式气柜由于其寿命期内的总成本较高，对于用气规模较小的城市不适用，从寿命期内总成本的现值来看轻烃储气考虑缓冲储罐为最佳方案。在设计时应根据当地的地形、基础结构经过技术经济比较综合确定储气方案，根据确定的露点控制储气压力不超过临界压力，同时根据用气规模合理的调整储气容积。
5、输配系统
根据前面的露点计算，输配系统的输送压力最好不要超过O.15MPa，因此在管网输送时以中压B级或低压输送为宜。管材的选择应优先考虑使用PE管材，阀门采用全通径直埋式球阀为主，管道的埋深要在冰冻深度以下，同时根据坡度在低点要设置凝水缸。
6、安全消防系统
在轻烃混空站的设计过程中，通过采取以下安全消防措施来保证生产的安全性。
根据和国家现行有关液化气混空站的规范要求，进行混空站的总平面布置。
设置消防水池和消火栓，并在站区布置环状消防水管网，储罐考虑喷淋冷却水和消防水系统。
在工艺设计过程中注重对气化混气参数的设备单体控制和连锁控制，在保证安全的前提下，实现无人值守的自动控制。
管道和设备均实现可靠的静电接地，缓冲储罐考虑防雷接地设计。
生产厂房按《建筑设计防火规范》GB50018—2006的要求考虑足够的泄压防爆。
轻烃燃气正越来越受到政府部门的重视和倡导，作为缺少能源城市燃气的重要补充，它的推广和使用，势必会带来越来越多的新问题、新矛盾，只要我们共同努力，在设计施工过程中把供气安全放在第一位，以现行的国家规范标准为准则，严谨求实、开拓创新，促进混空轻烃燃气的良性发展。
(本文作者：王晓杰1 赵磊2 1.中国市政工程东北设计研究院；2.吉林省建筑工程学院)
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