談談瓶組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；在高層建筑內使用可燃氣體時，應采用管道供氣。在剛剛通過的《廣東省燃氣管理條例》中又明確規(guī)定：十層以上房屋建筑的燃氣管道設施，應當與主體工程同時設計、同時施工、同時交付使用；尚未安裝燃氣管道的城鎮(zhèn)，十層以上房屋建筑應當鱗集中供氣系統(tǒng)。該條例再次強調了高層建筑實行燃氣管道供應的必要性。
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計，首先應考慮氣源。城鎮(zhèn)管網化是燃氣發(fā)展的總趨勢，所以，作為要被城鎮(zhèn)管網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，一是強制氣化，二是自然氣化。強制氣化不僅其設備昂貴，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。相比之下，最簡單、最方便、最經濟的便是自然氣化了。
(城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范)(CB50028—93)規(guī)定，瓶組的氣瓶總體積不超過1m3時，可將其設在建筑物附屬的瓶組間或專用房間內，總體積超過1m3應將其設置在高度不低于2．2米的獨立瓶組間。而且獨立瓶組間與其他建、構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立瓶組間。據(jù)調查，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。開始從容器導出氣體后，壓力下降，相對應的液體溫度也同時下降。如圖1所示的實踐，經過S時間后，液溫達t0'并保持不變，此時壓力為t0'時的蒸汽壓P0'，容器內的氣化速度為V0'，氣化將繼續(xù)下去。從開始導出氣體到S時間內，利用顯熱的氣化速度和原有氣體的導出速度的總和從v0'減少到零；相反，靠傳熱的氣化速度由零變?yōu)関0'。經過S時間后全靠傳熱氣化。
實際上，容器內導出的氣體壓力要滿足調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時間內容器的氣化量為
G＝G1十G2 G3 (1)
式中
G——S時間內總氣化量(Kg)
G1——S時間內依靠自身顯熱的氣化量(Kg)
G2——S時間內原有氣體向外導出量(Kg)
G3——S時間內依靠傳熱的氣化量(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——氣化潛熱(KJ／Kg)
G'——容器內的液量(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——容器的內體積(m3)
v——t—t0液化石油氣的平均比容(m3/Kg)
P——氣態(tài)液化石油氣空化前的密度(Kg/m3)
p0——氣態(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果的因素有剩液量、液化石油氣的組分、調壓器的進口壓力、容器的種類等等，這里只談談比較難確定設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；導致設計氣瓶總數(shù)增多。我們認為，設有氣體自動切換裝置時的剩液量為充裝量的50％，設時為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?shù)厮⿷夯蜌獾慕M分取近似值，這就給計算結果帶來一定的偏差。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、密度熱恒等性質也起較大的變化。由這種變化對氣化能力計算結果的影響是絕不能忽視的。而剩液量中的組分及其性質在設計中的變化是很難確定的。
3．環(huán)境溫度、設計壓力和最低液溫設計的環(huán)境溫度在理論上應當是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定，而應當根據(jù)本地區(qū)的氣溫情況和供氣情況，適當調整。
設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。我們認為，設計的最低壓力就是調壓器的進口壓力Ps，一級調壓系統(tǒng)0．17mPa(絕)，二級調壓系統(tǒng)為0．20mPa。
最低液溫就是液化石油氣達到最低設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《燃氣輸配》、《燃氣規(guī)劃》中的相關圖表)，但由于最低壓力過小，計算所得到結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的變化，常常會導致與實際情況不相符的結論。
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壁換熱，通過壁厚、漆層的導熱，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系。由于這些因素的多變性，要從理論上用傳熱學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果，那么就應當由眾多實驗中取得。對于一般工程技術人員，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，國內也沒有這方面的詳細數(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。如《燃氣輸配》中認為，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；《燃氣工程手冊》則認為，對地上5
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