混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度計(jì)算研究

梁遠(yuǎn)橋，李遠(yuǎn)玲，朱璟琦，劉家豪，劉 濤，宋光輝

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710000；2.寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721000）

CJ／T341-2010《混空輕烴燃?xì)狻罚?］給出了混空輕烴燃?xì)獾亩x，混空輕烴燃?xì)馐且砸合噍p烴為原料，通過(guò)氣化裝置氣化后與空氣按照一定比例均勻混合得到的混合氣體燃?xì)?。我?guó)天然氣資源短缺，進(jìn)口依賴度超過(guò)30%［2］，嚴(yán)重制約居民、商業(yè)和工業(yè)用氣，威脅我國(guó)能源戰(zhàn)略安全。輕烴原料可以在常溫下以液態(tài)運(yùn)輸，在偏遠(yuǎn)城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村等沒(méi)有條件使用天然氣管網(wǎng)供氣的不便地帶，建立混空輕烴燃?xì)恻c(diǎn)狀分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)可有效解決類似地區(qū)無(wú)法用氣的問(wèn)題。

混空輕烴燃?xì)馐且环N新型摻混燃?xì)猓墨I(xiàn) ［3］對(duì)混空輕烴燃?xì)獾幕Q性、混合比、輸氣壓力等方面和以天然氣為主流的燃?xì)夤芫W(wǎng)做了比較，但沒(méi)有研究燃?xì)鈩?dòng)力黏度對(duì)管網(wǎng)輸送的影響。在物性參數(shù)研究方面，文獻(xiàn)［4-6］對(duì)混空輕烴燃?xì)獾拿芏?、露點(diǎn)、爆炸極限等工質(zhì)參數(shù)做了重要補(bǔ)充，尚無(wú)混空輕烴燃?xì)獾膭?dòng)力黏度相關(guān)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的研究。在燃?xì)廨斔头矫?，文獻(xiàn)［7］針對(duì)油氣田輕烴輸送問(wèn)題提出順序輸送的解決方案，研究過(guò)程并未提出混合烴類動(dòng)力黏度計(jì)算方法。本工作結(jié)合混空輕烴燃?xì)馓匦?，依?jù)混合氣體動(dòng)力黏度計(jì)算法則，計(jì)算出不同混合比下混空輕烴燃?xì)獾膭?dòng)力黏度，對(duì)比得出混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度的計(jì)算方法，為今后相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 燃?xì)饣旌媳鹊拇_定

混空輕烴燃?xì)庵苽湓蠟槭吞烊粴夤I(yè)的烴類副產(chǎn)品油，經(jīng)過(guò)氣化裝置氣化后與空氣按照一定比例均勻混合得到混合燃?xì)?。本次研究采用某公司提供的戊烷油原料，?shí)驗(yàn)室化驗(yàn)后，主要為C4～C6的輕烴成分，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：正戊烷 （n-C5H12）為 44.35%，異戊烷 （i-C5H12）為54.05%，C6組分為1%，C4組分為0.6%?？紤]C6、C4組分含量較少，計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化為正己烷 （n-C6H14）和正丁烷 （n-C4H10）?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明［8］，混空輕烴燃?xì)庀啾忍烊粴獾绕渌細(xì)饴饵c(diǎn)溫度較高，容易因局部溫度過(guò)低、濃度過(guò)高、工藝變化導(dǎo)致燃?xì)庵苽浜洼斔瓦^(guò)程中管道產(chǎn)生凝液，不利于管道輸送和燃?xì)獍踩；旌媳取毫蜏囟纫矔?huì)影響混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)溫度，據(jù)文獻(xiàn)［9，10］研究結(jié)果，當(dāng)空氣和氣化的輕烴燃?xì)怏w積比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1時(shí)的混空輕烴燃?xì)饴饵c(diǎn)為 13℃、-3.3℃、-2.5℃、-7.5℃、-11.4℃。隨著壓力升高，混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)升高。混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)溫度較高是其燃?xì)馓匦?，在制備和輸送過(guò)程中適合在中壓B級(jí)及以下壓力級(jí)別運(yùn)行。居民樓宇燃?xì)鈮毫σ话銥榈蛪?，過(guò)大的空氣和燃?xì)饣旌媳葧?huì)導(dǎo)致熱值不足，導(dǎo)致用戶使用燃具加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。綜合考慮本工作采用空氣與燃?xì)饣旌象w積比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1下的工況計(jì)算混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度。

2 混合氣體動(dòng)力黏度計(jì)算方法

2.1 低壓燃?xì)怵ざ裙浪惴?/h3>

《燃?xì)夤こ淌謨?cè)》［11］提供一種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算混合氣體動(dòng)力黏度，已知混合氣體各純組分動(dòng)力黏度?；旌蠚怏w動(dòng)力黏度按下式計(jì)算：

式中：μ為混合氣體在0℃時(shí)的黏度值，Pa·s；wi為混合氣體組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；μi為混合氣體組分i在0℃時(shí)的黏度值，Pa·s。

絕對(duì)壓力小于1MPa時(shí)，壓力對(duì)動(dòng)力黏度的影響可以忽略不計(jì)，溫度對(duì)動(dòng)力黏度的影響不能忽略，得到低壓下任意溫度混合氣體動(dòng)力黏度計(jì)算式：

式中：μt為混合氣體在t℃時(shí)的黏度值，Pa·s；T為混合氣體熱力學(xué)溫度，K；C為無(wú)因次實(shí)驗(yàn)系數(shù)，用混合法計(jì)算。

2.2 平方根規(guī)律法

混合氣體在壓力不高的狀態(tài)下，用平方根規(guī)律法可求得動(dòng)力黏度［12］，如 （3）式：

式中：xi為混合氣體組分i的摩爾分?jǐn)?shù)，%；Mi為混合氣體組分i的摩爾質(zhì)量，kg／kmol。

2.3 REFPROP模型軟件計(jì)算

REFPROP（Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties）是美國(guó)NIST（National Institute of Standardsand Technology）研發(fā)的一款主要用于計(jì)算流體物性參數(shù)的軟件，該軟件使用廣泛，集合20多種工業(yè)流體狀態(tài)方程［13］，有很高的權(quán)威性和準(zhǔn)確性，也被用作結(jié)果分析的重要對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)［14］。

REFPROP計(jì)算軟件使用前，定義混合氣體組分，輸入計(jì)算工況，即可得到所求工質(zhì)物性計(jì)算參數(shù)。

3 混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度計(jì)算和分析

黏度存在是引起流體產(chǎn)生摩擦阻力的原因，宏觀表現(xiàn)為影響管網(wǎng)輸送壓降，在管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力運(yùn)行時(shí)要考慮壓降對(duì)系統(tǒng)的功耗以及輸送性能影響。低壓對(duì)流體黏度影響較小，幾乎可以忽略［15］，高壓下流體黏度的變化規(guī)律與低壓不同，溫度對(duì)動(dòng)力黏度的影響不可忽略。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范沒(méi)有針對(duì)混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度計(jì)算的公式，作為一種碳?xì)漕惢旌先細(xì)?，混空輕烴燃?xì)馐且环N混合氣體，可以采用混合氣體的動(dòng)力黏度計(jì)算方法計(jì)算其動(dòng)力黏度。對(duì)混空輕烴燃?xì)獾穆饵c(diǎn)特性分析可知，燃?xì)庠谥械蛪杭胺堑蜏氐墓r下不容易產(chǎn)生露點(diǎn)凝液，這對(duì)管網(wǎng)輸送是有利的。將混空輕烴燃?xì)庥米鞒鞘型ピ喝細(xì)夤芫W(wǎng)，在常溫常壓下輸送是普遍狀況，故本文計(jì)算混空輕烴燃?xì)庠诔爻合?（取 101.325kPa，20℃）的動(dòng)力黏度。

由公式 （1）知求混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度時(shí)，需知道燃?xì)飧鹘M分在0℃的黏度值，測(cè)定此時(shí)黏度值勢(shì)必引入誤差，欲求任意溫度下動(dòng)力黏度引入無(wú)因次實(shí)驗(yàn)系數(shù)C值又二次引入誤差，導(dǎo)致誤差放大，計(jì)算得到的混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度值不準(zhǔn)確，通過(guò)比較認(rèn)為平方根規(guī)律法也優(yōu)于估算法，將低壓燃?xì)怵ざ裙浪惴ǖ玫降幕炜蛰p烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度計(jì)算結(jié)果舍去。采用平方根規(guī)律法計(jì)算混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度時(shí)，是以20℃，101.325kPa為參比條件，混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度與溫度、壓力和組分有關(guān)，燃?xì)飧鹘M分計(jì)算溫度按表1取值［16］，并計(jì)算不同混合比混空輕烴燃?xì)飧鹘M分摩爾分?jǐn)?shù)，列于表2。由表1和表2數(shù)據(jù)，代入公式 （3），即可求得常溫常壓下混空輕烴燃?xì)獾膭?dòng)力黏度。

表1 混空輕烴燃?xì)飧鹘M分參數(shù)表

表2 不同混合比下混空輕烴燃?xì)飧鹘M分摩爾分?jǐn)?shù)

REFPROP模型軟件計(jì)算操作方便，計(jì)算迅速，只需定義混合氣體組分，給定相應(yīng)的計(jì)算工況，就能得出結(jié)果，將平方根規(guī)律法和REFPROP軟件計(jì)算得到的混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度值列于表3。

表3 不同混合比下混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度計(jì)算結(jié)果

由表3可知，在混合比 （體積比）為1∶1至1∶4范圍內(nèi)，采用平方根規(guī)律法和REFPROP軟件計(jì)算得到的混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度接近，最大相對(duì)誤差在10%左右，在工程上運(yùn)用均在允許的范圍內(nèi)；混空輕烴燃?xì)夂侠淼幕旌媳?（體積比）在3～5，在空燃比 （體積比）為3∶1和4∶1時(shí)，混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度值相對(duì)誤差分別為7.069%、5.954%，誤差較小，此時(shí)的動(dòng)力黏度值可作為常溫常壓下混空輕烴燃?xì)獾膭?dòng)力黏度值；REFPROP軟件在模型和計(jì)算精度上優(yōu)于平方根規(guī)律法，認(rèn)為REFPROP軟件計(jì)算得到的混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度值比平方根規(guī)律法結(jié)果更精確，在進(jìn)行混空輕烴燃?xì)鈩?dòng)力黏度計(jì)算時(shí)，可采用REFPROP軟件進(jìn)行快速準(zhǔn)確求解。

4 結(jié)論

1）采用混合氣體動(dòng)力黏度計(jì)算方法和REFPROP軟件計(jì)算了不同混合比下混空輕烴燃?xì)庠诔爻合碌膭?dòng)力黏度，最大相對(duì)誤差在10%左右，在工程運(yùn)用允許范圍內(nèi)。

2）混空輕烴燃?xì)庠诔爻合碌膭?dòng)力黏度計(jì)算數(shù)據(jù)，可以為為混空輕烴燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)和水力計(jì)算提供數(shù)據(jù)參考。