- 引言
近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，对城市煤气的需求量及其供应水平的要求也越不越高，特别是在一些老工业城市正面临着人工煤气向天然气过渡的问题，而液化气石油气混空气由于投资省、见效快，占地少、工艺成熟且与天然气有很好的互换性，因此已被国内外许多地区和城市作为过渡气源而广泛采用。
50年代初期液化石油气混空气技术作为过渡时期天然气的调峰气源已在西欧许多发达国家逐渐发展起来，这些国家的煤气输配系统皆为高压天然气输配管网，因而液化气掺混空气只采取脱湿处理后就可以进入管网，灶具部分则具备互换性。在日本天然气为主气源,天然气供应不到的中、小城市则以液化石油气混空气管道供应居民和公共建筑。日本各厂都设有湿式气柜，为防止腐蚀，气柜内涂树脂漆，水槽中加缓蚀剂，并在柜内水面上放置30mm厚的不挥发油，使混合气与水隔开，以免经过干燥的混合气湿度加大。其混合气夏季需干燥到露点7℃，冬季不需干燥。韩国自70年代后期开始引进液化气混空气工艺，目前液化天然气高压输配干线已建成并形成全国联网。
近年来，我国液化石油气的进口量大大增长，海口、深圳、舟山、福州、绍兴、辽阳、延吉等城市都将液化石油气混空气作为主气源，而武汉、济南、天津、锦州、沈阳、上海、丹东等地则以该气源作为调峰气源。
从世界和国内燃气发展趋势看，天然气将成为我国大中城市的主气源，像沈阳、丹东等这样的城市，旧有管网系统较复杂，气源种类较多，政策性亏损较大，在天然气未全部供应之前，液化石油气混空气作为过渡气源则是比较经济的，但液化石油气混空气进入老管网可能会产生许多问题，必须认真地进行研究。
- 问题的提出
⑴ 液化石油气混空气可能会对管道接口产生影响。输配系统中管道接口有多种形式：橡胶密封接口、油麻水泥接口、油麻螺纹接口，这些接口能否适应液化石油气混空气的氛围，将直接影响整个输配系统的安全运行。
⑵ 液化石油气混空气进入储气系统后对气柜的影响，特别对干式气柜密封油的比重、粘度、闪点等性质的影响。
⑶ 液化石油气混空气进入市区输配管网后与现行煤气的互换性及对现用灶具的影响等。
- 实验与分析
3.1、各管道接口对液化石油气混空气的适应性
3.1.1、对丹东管道接口进行试验
由液化石油气钢瓶经调压后的液化石油气，与空压机来的空气、气瓶来的CO2，在混气罐G2内混合，配成试验气体，经流量计L2计量后进入循环测试系统；
循环测试系统由循环风机B2将加压后的试验气体经由出口总管流量计L3后，分成三个支路，由各支路上的流量计L4分别计量后，流经各支路的试验样口及挂片槽G3，然后汇合到风机入口总管，返回风机再次循环；
三条支路的上支路是试验样口1＃和2＃；中支路是试验样口3＃和5＃；下支路为6＃、7＃样口和挂片槽；
试验气体在风机入口总管上引出少量经流量计L5计量后，到室外放空，以保持系统的压力平衡；
其中：1＃、5＃样口为丹东市现管网中水泥油麻三合一接口
2＃、3＃、4＃样口为丹东市现管网中柔性机械橡胶密封接口
6＃样口为丹东市现管网中活接头
7＃样口为丹东市现管网油麻螺纹接口
G3为挂片（橡胶片、煤气表膜等）
试验采用干气和湿气两种环境，试验压力、浓度大于实际运行压力、浓度。
试验结果如下：
丹东市煤气总公司采用的气源为液化石油气、空气和水煤气的掺混气，这与许多其它城市所用的单纯液化石油气混空气的气源有所区别。由于水煤气含有H2、CO、CH4 等可燃组份，故在热值相同的情况下，水煤气掺混气中的液化气组份要低于液化石油气混空气；由于水煤气出气化炉后需经洗涤冷却，其含湿量是饱和的，故其掺混气的湿度必高于液化石油气混空气，若不考虑其它因素，根据掺混比来计算，常温时掺混气的相对湿度应为70－－80％，而液化石油气混空气的相对湿度一般在60％以下。因此，液化气水煤气掺混气的性质比单纯液化气混空气更接近人工煤气，对原有的人工煤气管网系统，自然更容易适应。
丹东市的煤气管网年代较久，组成也比较复杂。从本项课题对各种类管道接口的测试结果来看，其中水泥油麻三合一接口的管道年代最长，但其管道本身的腐蚀并不很严重，管口对气体的适应性也较强，此类管道需注意的是湿度问题，而液化石油气混水煤气的湿度在常温时为70－80％，进入地下管网温度降低，相对湿度还会有所提高，这就与人工煤气的饱和湿度非常接近了，故此种接口的管道在液化石油气掺混水煤气环境下的使用安全性基本与人工煤气相当。
橡胶密封圈接口的管道对液化石油气的敏感程度相对要大些。从测试数据看，在试验气体的影响下，密封胶圈的性能随着时间的延长逐步降低，但在气压试验中，这种性能参数的降低并没有反映到管口的密封性上来，由于时间有限，不能将试验无休止地做下去，只能根据已有数据进行推测。鉴于掺混气中的液化石油气浓度只有试验气体的三分之一，其对胶圈的影响远小于试验气体，因此，使用液化石油气掺混气后，若胶圈性能降低到足以影响到管口密封性的程度，会是一个漫长的过程，虽然无法确定这一过程有多长，但能够肯定的是，此种管口在液化石油气掺混气环境下的使用寿命，比人工煤气要有所降低。
我们也注意到，同样测试条件下，调压器皮膜所受的影响比胶圈要小，这是橡胶本身材质的差异所造成的，若选择与皮膜胶料相同材质的胶圈，则能提高管道对液化石油气的耐受性。
采用油麻螺纹接口的水煤气管，一般为进户的低压管道。此类管道数量大，又多处于户内，其运行安全非常重要。从测试的情况来看，由于被测样口是旧管道，管道锈蚀的因素要大于液化石油气作用的因素。因为旧管道管口内的油漆早已干涸，液化石油气对其溶解作用不会很大，但气体中的氧含量近年10％，远高于人工煤气，第一阶段试验时该管又与加有冷凝水的挂片槽相连，管内湿度较大，加快了管的腐蚀速度。要防止出现此问题，控制好液化石油气掺混气的湿度就非常重要，气体太干管口易裂，太湿则管道易锈，看来70－80％的湿度应是适合的。
3.1.2、现有管网中橡胶密封件对液化石油气混空气的适应性
液化石油气混空气是新气种，目前我国尚未有输送此种气体的管道及配件用的橡胶密封圈胶料的标准，因此我们参照GB9878－88输送工作湿度在50℃以下的燃气（天然气或人工煤气）的输送管及配件用橡胶料性能要求和试验方法采用天然橡胶，西腈橡胶，氯西橡胶与西腈橡胶混配胶料这三种胶料做成五种不同配方的试片。按照国家标准GB9878－88的规定分别做了硬度、压缩永久变形等理化指标的测试，同时将五组试片置于70℃空气中7天后，测试了其老化变化。
将五组试片放置在液化石油气中，于标准实验室温度下浸渍7天后，分别测出其体积与硬度变化，并对浸渍试片的液化石油气的组分做了定性定量的分析。同时把现有管道、调压器、煤气表中密封胶料制成试片按国家标准进行测试分析。
橡胶密封件试验用液化石油气组分分析
分析结果： 名 称 含量（％）
空气＋甲烷 0.61
乙烷＋乙烯 0.68
丙 烷 17.75
名 称 含量（％）
丙 烯 5.34
异 丁 烷 19.01
正 丁 烷 9.88
正 异 丁烯 18.61
反 丁 烯-3 8.16
顺 丁 烯-2 6.02
环 丁 烯 13.03
丁二烯-1.3 0.91
从测试结果看，丁腈橡胶配方（S10－1、Y2203、LZ－1）均可满足GB9878－88标准中所规定的一般要求,而天然橡胶、丁腈橡胶与氯丁橡胶并用的两个配方（S10－2、Y2204）其体积变化率均不符合标准C中所规定的一般要求。由此可以得出结论：管网中用丁晴橡胶密封件可用于输送液化石油气混空气。
3.2液化石油气混空气对干式罐密封油的影响
目前干式气柜采用的密封油基本上是以深度化学精制的石油减压馏分油为基础油，加些抗氧化添加剂、防腐添加剂及降凝等调和而成，在长期运行中必须保证密封性能好、润滑性能好和安全性能稳定。其质量指标（设计指标）下表：
项目 |
质量指标 |
试验方法 |
运动粘度 50℃ |
42－48 |
GB265 |
凝点 ℃ 不高于 |
－40 |
GB510 |
闪点（开口）℃ 不低于 |
180 |
GB267 |
氧化安定性、酸值到 |
1000 |
SY2680 |
2.0mgKOH/g, 小时不小于 |
||
密度 30℃ |
0.89－０.93 |
GB1884 |
- 沈阳市铁西卫工干式气柜密封油，其特征参数如下：
粘度（50℃） Ｖ50℃＝33.35mm2/s
闪点(开口) 180
密度(20℃) 0.866克/厘米3
酸值 0.1999毫克ＫＯＨ／克
油水分离性 不分离
液化石油气成份分析如下:
组份名称 |
CH4+air |
C2H6+C2H4 |
C3H8 |
C3H6 |
C4H10 |
C4H8 |
V% |
0.97 |
1.34 |
14.46 |
22.88 |
28.67 |
31.68 |
在理论上液化石油气与密封油具有亲合性,从而影响密封油的质量，为了得出最大影响程度，我们对密封油进行强化试验，让液化石油气混空气与密封油充分地混合，充分地反应，通过检测密封油的特性指标和气体成份的变化，观察密封油变化程度。液化石油气经过减压、调节、计量后与从缓冲罐出来的空气进入混合罐，控制液化石油气与空气气量比为1:0.935，然后经计量进入装有干式罐密封油油柱内，与密封油鼓泡接触，计量后去灶具燃烧。根据卫工干式罐容积和循环油量，确定柱内油量和通气量，每日运行16个小时，累计运行500个小时。
试验结果如下：
- 通过气相色谱跟踪测试，柱后气样较柱前气样中空气量增加，液化石油气含量减小，说明液化石油气混空气通过柱后，与油有反应。
- 运行500小时后，密封油粘度（50℃）为20.42mm2/s，粘度降低。
- 密度为0.856克／厘米3，密度略减，说明有轻组份溶入。
- 闪点为56℃，闪点降低。
- 酸值为0.368毫克KOH／克，酸值增加，说明液化石油气混空气通过柱后，与油有氧化反应。
- 油水分离性：不分离。
通过上述试验结果，可以得出如下分析结论：
（１）、通过强化试验，可以看出液化石油气混空气对于干式罐密封油有相溶性，由于C3、C4的溶入使密封油的粘度下降，密度减小，密封性能变差。
⑵、通过强化试验，可以看出，密封油闪点降低，安全性变差。
⑶、通过强化试验，可以看出，密封油酸值增加，抗氧化抗腐蚀作用减差。
⑷、由于所检油水分离性不合要求，因此，不能得出液化石油气混空气对密封油在油水分离性上是否有影响的结论。
- 新城子干式罐从97年5月开始储存液化石油气混空气，至测试时运行半年之久，其特性指标如下：
粘度（50℃） 26.66mm2/s
密度（20℃） 96℃
闪点（开口） 0.1431毫克KOH／克
油水分离性： 34ml
从上述结果可以看出在实际运行中，液化石油气混空气对密封油的影响程度远比强化试验中的影响程度小，对比见表：
- 密封油改进的探讨
密封油是以深度化学精制的石油减压馏分为基础油，加些抗氧化添加剂、防腐添加剂及降凝剂等调和制成。密封油的成份不同，质量就不同，影响程度也就不同，因此从理论上可以探寻一种既能满足密封油的要求，又与液化石油气没有亲合性的新成分的密封油。液化石油气对密封油的亲合性随物理条件的不同，亲合程度也不同，新城子干式罐密封油，其闪点为96℃，高出环境温度（夏季最高气温38.3℃）57.7℃，满足油品闪点应高于储运温度30℃以上的要求，因此，安全问题并不大，如果干式罐储存的气相中，液化石油气的浓度再低一些，例如混入天然气等，密封油所受的影响会更小些。同时，提高密封油的湿度，也是减小轻组份对密封油影响的有效方法之一，液化石油气对密封油的亲合程度随密封油的湿度升高而变小。
3.3、液化石油气混空气与天然气的互换性的影响
从长远发展考虑，液化石油气掺混空气只是做为一种过渡气源，天然气仍为主气源，因此液化石油气掺混空气的比例，应与天然气有互换性，即需对其华白指数、燃烧势、热值及露点问题进行研究。
- 液化石油气混空气对灶具的影响
下图列出液化石油气混空气中液化气含量对混合气主要性质的影响：
（图略）
由图中可见，当混合气中液化气含量在51.6－65.0％时，混合气的华白指数为11495Kcal/Nm3，燃烧势为39.78，都在规范允许的范围内。
天然气与混合气特性比较
名 称 |
天然气 |
混合气 |
天然气规范 （T12） |
密度 kg/m3 |
0.743 |
1.825 |
|
热 值 kcal/Nm3 |
8842.37 |
14019.0 |
|
爆炸极限 V |
14.89/4.86 |
9.70/1.67 |
|
华白指数kcal/m3 |
12930.56 |
11495 |
11495-13796 |
燃烧势 |
41 |
39.78 |
36-88 |
天然气与混合气组成
CH4 |
C2H6 |
C3H6 |
C3H8 |
C4H8 |
C4H10 |
C5 |
N2 |
O2 |
|
天然气 |
96.4 |
3.2 |
0.4 |
0.4 |
|||||
混合气 |
- |
- |
11.9 |
6.20 |
20.7 |
10.30 |
2.58 |
38.2 |
10.1 |
因此从理论计算看混合气与天然气具备互换性,但对灶具而言,还需考虑燃烧时的火焰特性,而法向火焰传播速度 是影响火焰特性的重要因素。通过计算得出：天然气的最大法向火焰传播速度Smax = 0.38m/s，而混合气的最大法向火焰传播速度Smax = 0.44m/s，可见火焰传播速度有明显增大，为了更直观看出火焰特性的改变，采用A、G、A互换性制定法，从离焰、回火和黄焰三个方面进行分析：
对现有天然气为基准气的情况下制定互换性
离焰互换指数Il |
<1.0 |
1.0－1.06 |
>1.06 |
回火互换指数If |
<1.18 |
1.18－1.20 |
>1.20 |
黄焰互换指数Iy |
>1.0 |
1.0－0.8 |
<0.8 |
结论 |
适合 |
勉强适合 |
不适合 |
通过计算得出混合气的三个互换指数：
Il=1.17 If=1.196 Iy=0.45
与表中天然气互换指标相比：
Il=1.17 >1.06 不适合
If=1.196 1.18*1.196<1.20 勉强适合
Iy=0.45 <0.8 不适合
从以上三个指数和比较结果可以看出，原有天然气灶具下进行任何调整的情况下，燃烧效果不会很理想，因而需以原有灶具作适当调整，建议调整喷咀和火孔盖，或进一步做试验。
- 结露及井室沉积问题
经计算混合气在1Kg/cm2的压力下，露点为-5℃，而在300mmH2O柱的压力下，露点为
-22℃。沈阳市的城市管网都深埋在冰冻线以下，因此不会有再液化现象存在。而且混合气为干气，对凝水缸不会产生不利影响。但由于混合气的密度为1.825Kg/cm2，对于地下阀门井及其它地下井室，必须严防阀门漏气，否则一旦泄漏会沉积于井底，不易扩散。
- 液化石油气混空气进入现行管网对管网水力工况的影响
对户内管网由于混合气热值较天然气高，因而在热负荷相同的情况下，管路中燃气密
度增大，燃气压降将有所增大。低压管网压降改变会直接影响用户灶前压力的波动，现举一例大致参照一下气质改变对压降的影响：
例：假设原有管径Dg150mm，总长度为300米的庭院管线，供应200户煤气用户，每户有一台热水器，一台双眼灶，则热负荷为1622Kcal/h，分别计算两种燃气的压降情况：
流量 (Nm3/h) |
K |
Q计 (Nm3/h) |
D (mm) |
△P／L |
△P／L |
长度 (m) |
△P （Pa) |
|
天然气 |
367 |
0.16 |
59 |
150 |
0.266 |
0.168 |
300 |
50 |
混合气 |
232 |
0.16 |
37 |
150 |
0.108 |
0.197 |
300 |
59 |
由此可见，使用天然气时压降为50Pa，使用混合气时压降为59Pa，压降有所增大。这个值仍未达到庭院线的推荐值，因为原来选择庭院线150mm是有余量的。
对室内管道系统，压降改变也会比较大，因为原有天然气Pg< a，而混合气会使Pg> a，最不利点由底层变为顶层。对于一些高层建筑的高楼层用户，灶前压力的波动范围可能大于管段压降的推荐值，因而可能会出现在用气高峰时，高楼层用户的灶前压力偏低的现象。这当然要看混合气在供气中的比例多少而言。
4、结论
- 液化石油气掺混空气进入燃气管网，国内外实践公认为技术成熟，安全可靠，国内有二十多年的运行经验可以借鉴，是目前国内一些城市首选的建气源厂方案。
- 通过试验及多年的运行经验证明液化石油气掺混空气进入现有燃气管道会产生一定的影响，但可以采取一些措施减小影响。
ａ、在混气供应中对系统中的橡胶密封件要严格按标准管理，保证质量，以确保运行安全。
ｂ、对油麻水泥接口，只要混合气湿度适宜不会出现干裂现象。对于钢管而言，混合气为干气不会加重钢管腐蚀，如果加湿，不可用水，否则在有Ｏ２与水汽存在的条件下会加剧钢的腐蚀。
- 液化石油气混空气，对燃气的储气罐，有一定影响，可以采取措施加以解决。
ａ、对湿式储罐，由于混合气中氧含量增加，且进入湿式气柜中有水汽存在的情况下，对罐体的腐蚀加大，可在湿式气柜的水面上加一层不挥发油，以隔断水汽与混合气，起到减缓腐蚀的作用，或罐体内壁涂一层树脂，使罐体的铁表面与混合气中的氧隔离并可防腐，另外在水中加缓蚀剂也是减缓腐蚀的手段。
ｂ、对干式气柜，由于液化石油气混空气对密封油有亲和性，建议不要把干式气柜作为液化石油气混空气的缓冲罐，以避高浓度的液化石油气与密封油接触。为安全起见，密封油使用一段时间后，需测试其闪点，或采取再生措施。
⑷、根据理论计算，含51.67％的液化气混空气与天然气有互换性，但对现有灶具需作适当调整，防止出现黄焰。
⑸、根据理论计算，1Kg/cm2的条件下，混合气的露点为-5℃，300mmH2O柱的条件下，露点为-22℃，对于沈阳市的管道冰冻线以下，所以正常运行中不会出现再液化现象。
⑹、由于混合气比空气重，如果阀门等地下井室漏气，气体易沉积于井底，因此在运行中要重点防止阀门等附件泄漏，或在井中充填干沙，以确保安全。
⑺、个别地区的超高层建筑的个别楼层， 用气高峰时可能会出现灶前压力超出额定范围，需采取措施加以解决。目前沈阳市正在对调压器进行增荷改造，以解决高峰时部分地区的“低压区”问题。
对早期煤气建设的城市，如沈阳市输配系统状况复杂，建议根据实际分区供应煤气，以避免一些暂时难以解决的技术问题。
