摘要：为了方便、快捷地解决燃气管网维修期间用户的连续用气问题，以LNG钢瓶组气态天然气作为供气气源。设计了一种小型移动式天然气临时供应装置，对装置的重要组成部分LNG钢瓶组、增热器和调压加臭器进行了介绍，并对用户用气量、钢瓶流量、增热器的设置、压力调节和加臭方式等进行了优化设计，总结了该装置具有的4点创新性：①机功灵活，实用性强；②自由组合，操作简单；③LNG气相外供，创新使用；④外形美观，便于批量生产。应用该装置对一栋搂宇的236户居民用户临时供气，结果表明：用户最大用气量可达24.5m3/h，气体最低温度为11℃，完全满足应急供气要求和相关国家标准。该装置的研发和使用，填补了我国燃气行业在非正常工况下保障天然气连续供应的技术空白，获得了中国外观设计和实用新型技术2项专利，在天然气的供气保障体系中有着广泛的应用前景。
关键词：非正常工况；临时供气；移动式供气装置；小型；橇装LNG增热；调压；加臭
在燃气供应过程中不可避免地会发生地下燃气管道抢修、维修或管道碰口等作业，现在的通常做法是对受影响的片区管网采取停气措施，使输气管道的抢维修或碰口作业在一个相对安全的无气状态下进行[1]。但这种停气作业不仅在放散过程中要向空中排放大量的天然气，而且在恢复供气时要对用户的用气末端关闭性进行逐一确认，致使工作量大，作业时间长，严重影响用户的正常用气，天然气浪费严重，甚至会由于某些环节的疏忽而导致燃气事故发生[2]。
为了保障用户的安全、连续用气，在借鉴橇装LNG瓶组站工艺的前提下[3]，笔者综合考虑了天然气的特性以及城市建筑物燃气管道系统的工艺特点[4]，提出以LNG钢瓶组气态天然气作为供气气源，将小区用户分解为各个楼栋用户单元，采用小型移动式的调压加臭橇装供气设备来解决非正常状况下(燃气管道抢维修或碰口作业等)燃气用户的连续用气问题。
1 工艺设计和优化
小型移动式天然气临时供应装置结构如图1所示，该系统由LNG钢瓶组、增热器和调压加臭器等部分组成。由于LNG钢瓶为外接方式，所以图1中虚框内的部分为设备研制的主要内容。设备的容量参数设计依据包括用户用气量、钢瓶的气相出口流量、增热器出口温度、供气压力及加臭方式等。设备出口现场接驳到楼栋的上升立管供气给用户。
1.1 用户用气量的确定
天然气的组成(以深圳地区为例)为含甲烷87.690%(体积分数，下同)，含乙烷8.192%，含丙烷3.097%，气体密度为0.77kg/m3，气态低热值为41.96MJ/m3[5]。综合考虑单个楼栋的实际情况，初步选定以1根上升立管带50～250户的住宅作为供气单位，每户的燃具按照1台双眼灶和1台10L热水器计算，参照用户晚间高峰用气量来确定居民用户的用气量。根据燃具的热负荷及同时工作系数[6～7]，确定用户理论用气量为7.7～33.3m3/h。
1.2 钢瓶流量的确定
LNG钢瓶与液化石油气(LPG)钢瓶相比，结构复杂，操作要求也更高。选择与50kgLPG钢瓶相近规格的美国生产的泰来华顿XL-45型LNG钢瓶作为应急气源，每瓶可供应的气态天然气约为102m3，其结构如图2所示。
XL系列容器的热交换器是放置在真空夹层中的气化器(见图2)，贴在容器外胆的内壁。当容器输出气体时，需从外界吸收热量，将液体气化成气体，通过排放阀控制气体输出量。由于小型移动式天然气临时供应装置是直接使用LNG钢瓶出来的气相天然气，因此LNG钢瓶的气化能力十分重要。根据XL-45LNG钢瓶的单瓶流量工作曲线可知，随着气体输出流量的增加，气体温度随之下降，具体可以分为3个阶段：①当气体流量为0～9.2m3/h时，气体温度为38～-17℃；②当气体流量为9.2～20.1m3/h时，气体温度为-17～-173℃；③当气体流量超过20.1m3/h时，气体温度为-173℃。
LNG经气化变成气态天然气时其温度不能过低，温度太低的气体在调压器的内孔经过时(或流速过快时)，孔内容易形成干冰堵塞，导致设备损坏。为此，单个LNG钢瓶内置气化器正常输出流量范围为0～9.2m3/h。
考虑钢瓶的可更换性以及设备的移动灵活性，设备外接的钢瓶数不宜过多，故设计接驳钢瓶数量为1～4瓶，即常温下设备气体输出流量为9.2～36.8m3/h，即能满足用户的用气量要求。
1.3 设置增热器
如前所述，瓶装LNG气化时，气体的温度随着气体流量的增加而降低。如果要求气化盘管持续提供更大的气化量，就应该外接一个增热器将气体变暖，以避免调压器、软管等其他下游部件出现故障。以深圳为例，考虑其地处亚热带，全年气温较高(均温为22.4℃)，高温持续时间较长(约有8个月的平均气温为30℃)，气相天然气经钢瓶使用阀输出后，环境温度较高，为此，无需单独外接外形尺寸较大的增热器，只需将增热器设置在设计的调压加臭橇体内即可。增热器借鉴空温气化器的直翅片式结构，直翅片的换热面积可根据下式确定：
Φ=KA△t
式中Φ为气化器的热流量，kW；K为气态天然气的换热系数，kW/(m2·K)；A为气化器的换热面积，m2；△t为加热介质与初始气相天然气的平均温差，K。
如果该设备在较寒冷的地带使用，同样可以结合当地的平均气温以及天然气出口温度的要求，根据上式确定增热器的尺寸。以最不利条件即现有的调压器等设备可耐低温为-20℃作为设计依据，考虑一定的设计余地，加热后气相天然气出口温度可设定为-15℃，根据上式确定的增热器经测算同样能满足用户用气量的要求。
1.4 压力调节
调节LNG钢瓶的压力调节阀即图2中增压(节气)双调节阀或增压阀，可以保证钢瓶气相的出口压力为0.8MPa。考虑到深圳地区居民用户燃气的入户压力一般为0.15～0.2MPa，设计时，设备的调压器也应与此相匹配，即气体进口压力为0.8MPa，气体出口压力为0.15～0.2MPa。气体出口压力可以手动调节。
1.5 加臭方式
根据国家标准的要求，城镇燃气应具有可以察觉到的臭味[8]，该系统在调压后设置加臭罐对天然气进行加臭，加臭剂选用四氢噻吩(THT)。加臭剂通过针型阀，利用管道前后压差添加到管道中。添加的加臭剂流量可通过针型阀来调节。
2 装置整体设计
根据以上分析可知，由于LNG钢瓶组为现成的外接设备，小型移动式天然气临时供应装置的设计关键就是集增热、调压及加臭于一体的橇装设备的设计，这里将其定义为移动式加臭调压箱，其结构示意图如图3所示。
经过多次的流程优化及设备外形的改进，将移动式加臭调压箱装配成外观像小型发电机一样的成品，其外观效果如图4所示，外观尺寸为1000mm×700mm×500mm，体积较小，结构紧凑，可以批量生产，箱体四周为不锈钢面板覆盖，侧面留有通风的百叶及气体进出口，正面为打开的双扇门，顶部为可掀起的折叠盖板，外形美观简洁。打开箱体正门及掀起顶部盖板，内部结构如图5所示。基本上所有的设备均布置在箱体内，有管道、阀门、3组增热翅片、调压器、压力表以及加臭罐等设施。该设备与LNG钢瓶组连接后组成小型移动式天然气临时供应装置，整体效果见图6。
3 装置调试
采用小型移动式天然气临时供应装置为5栋28层的高层楼宇供气，每套调压加臭箱备有4个LNG钢瓶重瓶，表1为该装置晚间高峰用气时段(18：00-21：30)为其中一栋楼宇236户居民用户供气情况的实测数据(每隔15min记录1次)。
由表1可以看出：
1) 18：30左右为用气高峰，燃气瞬时流量达到24.5m3/h，设备完全可以满足楼栋居民用户的用气需求。峰值流量低于设计估算值，分析可能是该栋楼宇的燃气设备同时工作系数低于设计规范的经验值。
2) 采取了多个钢瓶并联供气，提升了供气能力，同时LNG钢瓶输出的气态天然气经过增热器后，气体温度完全在正常的范围内，最小为11℃，不会由于气温过低造成调压加臭箱内的设备损害。
3) 由于采用人工开启和关闭加臭装置，加臭量不好控制，加臭量偏大。
深圳燃气公司现有10余套移动式调压加臭箱，已多次用于燃气管道抢维修和碰口作业时保障用户的连续用气，均取得了较好的效果。
4 装置的创新性及利用前景
确保用户安全连续用气是燃气供应企业的责任和义务。采用小型移动式天然气临时供应装置解决燃气管道抢维修情况下的临时供气问题是一种安全、方便、快捷的有效措施。该装置具有以下4点创新性：
1) 机动灵活，实用性强。由于采用移动式设计，外形尺寸较小，易于运输和搬动，机动灵活。
2) 自由组合，操作简单。系统为气源(LNG钢瓶组)和调压加臭箱两部分独立组成，根据用气量的不同可接驳不同数量的LNG钢瓶与调压加臭箱自由组合，还可以在1个用气点安装多套装置以提高供气能力。
3) LNG气相外供，创新使用。一般来说，LNG钢瓶的气相排放(使用)阀是作为其自蒸发时安全排放用的，利用其在常温时9.2m3/h的排放量，并通过在调压加臭箱内增设增热器，确保了LNG钢瓶组输出的天然气常温下可外供用户使用。
4) 外形美观，便于批量生产。移动式调压加臭箱采用长方体箱式结构，结构紧凑，外观美观简洁，便于批量生产。
这种小型移动式天然气临时供应装置的开发和使用，填补了我国燃气行业在非正常工况下保障天然气连续供应的技术空白，获得了中国外观设计和实用新型技术2项专利[9～10]，现在已在福建福州、广东佛山及江门等多个城市推广使用，在天然气的供气保障体系中有着广泛的应用前景。
参考文献
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[2] 罗东晓.燃气管网检修作业过程巾放散燃气的回收技术[J].天然气工业，2010，30(5)：102-103.
[3] 刘建海，何贵龙，杨起华，等.小区液化天然气供气站的探讨[J].煤气与热力，2003，23(1)：50-52.
[4] 刘建辉，周卫.天然气中压系统应急气源方案[J].煤气与热力，2007，27(2)：1-3.
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[6] 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB 50028—2006城镇燃气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[7] 黎光华，詹淑慧，刘京艳，等.民用燃具同时工作系数的测定与研讨[J].城市煤气，1998(10)：19-22.
[8] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.
[9] 陈秋雄，张劲风，刘建辉，等.移动式液化天然气加臭调压箱：中国，200930189820.X[P].2010 05-19.
[10] 陈秋雄，张劲风，刘建辉，等.移动式液化天然气加臭调压箱：中国，200920162066.5[P].2010-05-19.
(本文作者：刘建辉1,2 杨宏军1 徐文东1 樊栓狮1 1.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室；2.深圳市燃气集团股份有限公司)
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