天然氣物性參數(shù)及管線壓降與溫降的計算

1、整個計算過程的公式包括三部分：一.天然氣物性參數(shù)及管線壓降與溫降的計算二.天然氣水合物的形成預(yù)測模型三.注醇量計算方法一.天然氣物性參數(shù)及管線壓降與溫降的計算天然氣分子量簡稱分子量。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，Ikmol天然氣的質(zhì)量定義為天然氣的平均分子量,MyiMi式中 M氣體的平均分子量，kg/kmol；yi一氣體第i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；M一氣體第i組分的分子量，kg/kmol。天然氣密度混合氣體密度指單位體積混合氣體的質(zhì)量。按下面公式計算：0C標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(2)1 yiMi 22.41420 c標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)1yiM i24.055任意溫度與壓力下yiMi式中廠混合氣體的密度,kg/m3；p一任意溫度、壓力下i組分的

2、密度，kg/m3;yi-i組分的摩爾分?jǐn)?shù);kg/kmol ；m3 /kmol。Mii組分的分子量，Vii組分摩爾容積， 天然氣密度計算公式pMWgZRT天然氣相對密度天然氣相對密度A的定義為：在相同溫度，壓力下，天然氣的密度與空氣密 度之比。一(6)a式中 A一氣體相對密度；廠氣體密度，kg/m3作一空氣密度，kg/m3,在 P0=101.325kPa, T0=273.15K 時，pa=1.293kg/m3;在 P0=101.325kPa, T0=273.15K 時，P=1.293kg/m3因為空氣的分子量為28.96,固有28.96假設(shè)，混合氣和空氣的性質(zhì)都可用理想氣體狀態(tài)方程描述，則可用下

3、列關(guān)系 式表示天然氣的相對密度pMWg(8)T MWg MWgpMWa MWa 28.96RT式中 MWa空氣視相對分子質(zhì)量；MWg天然氣視相對分子質(zhì)量天然氣的虛擬臨界參數(shù)任何氣體在溫度低于某一數(shù)值時都可以等溫壓縮成液體，但當(dāng)高于該溫度時， 無論壓力增加到多大，都不能使氣體液化?？梢允箽怏w壓縮成液態(tài)的這個極限溫 度稱為該氣體的臨界溫度。當(dāng)溫度等于臨界溫度時，使氣體壓縮成液體所需壓力 稱為臨界壓力，此時狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)?；旌蠚怏w的虛擬臨界溫度、虛擬臨界壓 力和虛擬臨界密度可按混合氣體中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)以及臨界溫度、臨界壓力和 臨界密度求得，按下式計算。TcX兀PcyiPci(10)cyi ci(

4、11)式中Tc混合氣體虛擬臨界溫度，K；Pc混合氣體虛擬臨界壓力(絕)，Pa；伊一混合氣體虛擬臨界密度，kg/m3 ；Tci-i組分的臨界溫度，K;Pci-i組分的臨界壓力(絕),Pa；(:cii組分的臨界密度，kg/m3；yii組分的摩爾分?jǐn)?shù)。天然氣的對比參數(shù)天然氣的壓力、溫度、密度與其臨界壓力、臨界溫度和臨界密度 之比稱為天然氣對比壓力、對比溫度和對比密度。PPr -(12)PcTr T(13)T cr (14)c式中 Pr一氣體對比壓力；Tr氣體對比溫度；任一氣體對比密度。天然氣壓縮系數(shù)對于理想氣體，在所有狀態(tài)下都有 P RT。對于實際氣體，引入一個修正系數(shù)以使得P Z RT(15)式中

5、Z叫做壓縮系數(shù)，它表示實際氣體與理想氣體的偏離程度。對于理想氣 體，在所有狀態(tài)下Z的值都為1。對于實際氣體，Z是狀態(tài)函數(shù)。關(guān)于天然氣壓縮因子的計算，主要采用Pong-Robinson方程：(16)(17)(18)RTa(T)p V b V (V b) b(V b)式中n na(T)2(出 i j)0.5(1 Kj)i 1 j 1nbxaj 1aiC c R2T2 0.45724 cr pcr(19)bb 0.0788RTcL(20)Pcr0 52i 1 E 1 Tr0.5(21) 2mi 0.37464 1.5422 i 0.26992 i(22)式中Kij 天然氣的交互作用參數(shù)；pcr一組分

6、i的氣體臨界壓力；Tcr一組分i的氣體臨界溫度；Tr一組分i的對比溫度；coi一組分i的偏心因子。由方程(16)可得到關(guān)于Z的方程32223Z3(1 B)Z2A 3B22B Z AB B2B30(23)aPR2TbPRT天然氣質(zhì)量定壓比熱容混合物質(zhì)量定壓熱容cP0 yCpi(24)(25)(26)式中Cp0理想氣體混合物質(zhì)量定壓熱容，kJ/(kg K);yi一組分i的摩爾分?jǐn)?shù)。天然氣的粘度計算公式根據(jù)天然氣所處壓力、溫度條件下的密度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相對密度A ,可按 下式計算天然氣粘度yC exp x 1000(27)1063.6 x 2.57 0.2781T(28)y 1.11 0.04x(2

7、9)_ _ 152.415 7.77 0.1844 T .4C10 4122.4 377.581.8T(30)天然氣的導(dǎo)熱系數(shù)計算公式氣體碳?xì)浠衔锏膶?dǎo)熱系數(shù)隨溫度或壓力的升高而增大，確定氣體導(dǎo)熱系數(shù) 可按查圖法和計算法確定。若壓力較低時，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)按下式計算1 3 yi i M i1 3 yM(31)式中 L混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(mK);入一混合氣體i組分的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);yi混合氣體i組分摩爾分?jǐn)?shù)；Mi混合氣體i組分的分子量，kg/kmol。低壓單組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)在低壓下，對于甲烷、環(huán)烷姓、芳香姓5 CPM 2.04746 10 5TrTr 1(32)r對于其它碳?xì)?/p>

8、化合物及其它的對比溫度范圍4.60104 10 6 14.52Tr 5.14 23 CJM(33)r(34)(35)Tc16M122 3Pc式中L氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);Tr氣體對比溫度；Cp氣體質(zhì)量定壓熱容，J/(kg K);Tc氣體臨界溫度，K;Pc一氣體臨界壓力，MPa；M一氣體分子量，kg/kmol。溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響2273 C T0 T C 273式中L氣體在T時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);力一氣體在273K時的導(dǎo)熱溫度，W/(m -K);C一與氣體性質(zhì)有關(guān)的無因次實驗系數(shù)，見表 4-1 對混合氣體，還可按下式計算i 丁2T2Tiyi(36)ii T1式中X)一溫度為T1時混

9、合氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);XT2)一溫度為T2時混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);yi混合氣體i組分摩爾分?jǐn)?shù)；M)一溫度為Ti時i組分氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m -K);MT2)一溫度為T2時i組分氣體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m -K)。壓力對氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響在高壓下，單組分氣體導(dǎo)熱系數(shù)可根據(jù)對比密度在進(jìn)行計算在0.5時0 r 展 2.69654 104 e°.535 r 1(37)0.5< p<2.0 時2.0< 小2.8 時0 rt2.51972 10 4 e°67 r 1.069(38)0 V 展5.74673 10 5 e1.155 r 2.016(39)

10、式中任一氣體對比密度；力一低壓氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);廠高壓下氣體密度，kg/m3;L高壓下氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);Zc一臨界壓縮系數(shù)。公式(36卜(39)也適應(yīng)高壓混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的計算。此時，公式中各量為混 合氣體對應(yīng)參數(shù)。計算氣體導(dǎo)熱系數(shù)步驟如下：(1)由公式(32)或(33)計算低壓氣體各組分在273K時的導(dǎo)熱系數(shù)。由公式(34)或(35)計算低壓氣體各組分在給定溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。(3)由公式(31)計算低壓混合氣體在給定溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。(4)按公式(37卜(39)計算混合氣體在所需溫度和壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)。天然氣管流的溫降根據(jù)能量守恒定律和氣體動力學(xué)理論,2qvv u一 gz

11、xt2若忽略高程并設(shè)流動為穩(wěn)定流，則式hdTT p dx可建立一元?dú)饬鞯哪芰糠匠蹋? v v h gzx2(7-5)可改寫為h dpqp T dxdx式中h一氣流的始，J/kgo引入定壓比熱cp和焦耳一湯姆遜系數(shù)Di后上式可表示為cpdT cpDjdpq由熱量平衡關(guān)系可得dx管段上的熱量損失為K D(T T0)dxM式中K一管道的總傳熱系數(shù)，W/(m2 K)。聯(lián)立式(42)和(43)K D(T T0)dx cDGidp cDdTp p式中對上式積分可得管道x處的溫度為T(x)T0 3 行"Gel 粉xdx(40)(41)(42)(43)(44)(45)a=KQ/(Mcp)。(47)

12、關(guān)于焦耳一湯姆遜系數(shù)Gi的計算，有熱力學(xué)關(guān)系式可知起計算式為PDi1 T.cp 2 PT式中 Di一焦耳一湯女§遜系數(shù)，K/Pa；;Cp質(zhì)量定壓熱熔，J/(Kg K);P一壓力，Pa；T溫度，K;P 一密度，kg/m3V 比容，m3/ kg。總傳熱系數(shù)K指當(dāng)?shù)臏夭顬? C時，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的 熱量。對于埋地管道，管道散熱的傳熱過程由三部分組成，即氣流至管壁的放熱,鋼管壁、瀝青絕緣層或保溫層的熱傳導(dǎo)和管外壁至周圍土壤的傳熱。在穩(wěn)定傳熱 的情況下，已在管內(nèi)外建立了穩(wěn)定的溫度場時，熱平衡關(guān)系可表示為：2 iD(Ty T0)1 D(Ty Tb1) ' (Tbi Tb

13、(i 1) )2 Dw(Tb(i 1) T0)ln Di 1 / Di(47)式中 D一計算直徑，m,對于保溫管道，可取保溫層內(nèi)外直徑的平均值；Di、Di+1一鋼管、絕緣層及保溫層的內(nèi)外徑，m；i一與上述的層相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);Tb1一鋼管內(nèi)壁的溫度，C；Tbi、()一鋼管、絕緣層及保溫層的內(nèi)外壁的溫度，C；1油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/(m2 K);2油流至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)，W/(m2 K)。整理后則有1d1 12 i di(48)(51)流體至管內(nèi)壁換熱系數(shù)a可按下列準(zhǔn)則方程求得NuDi(49)(50)0.80.43cpNu 0.021 Re PrPr(53)Re式中 Nu一努謝

14、爾特準(zhǔn)數(shù)；Rl雷諾數(shù)；Pr普朗特數(shù)；v天然氣流速；m/s廣氣體的動力粘度，Pa s；Cp一氣體定壓比熱，J/(kg K)；L氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m -K)。外部放熱系數(shù)況的計算公式為：2 s2 D 2 h。s/ sD)2hos/ s /D 1(53)式中入一土壤的導(dǎo)熱系數(shù)；h0一管道埋深(管道軸線至地面)。土 壤入 s/W (m - C )-1融化狀態(tài)凍結(jié)狀態(tài)粗砂(12mm)密實的1.741.351.981.35松散的1.351.92細(xì)砂和中砂(0.251mm)密實的2.4412.5松散的2.152.3亞砂土、亞粘土、粉狀 土、融化土1.391.621.742.32粘土0.931.391.39

15、1.74土壤的導(dǎo)熱系數(shù)的某些平均值天然氣管流的壓降在天然氣管流中流動時的能量方程可以根據(jù)流體力學(xué)理論建立起來，即dp dv.2一 v-g sinvdx dxD 2式中p管道內(nèi)的壓力，Pa；p一氣流的密度，kg/m3;v一管道內(nèi)氣流速度，m/s；管道的傾角；L氣流摩阻系數(shù)，無量綱因數(shù)。平原地區(qū)可以忽略管道高差的影響，則上式可寫為22dp dx v dv(54)(55)(57)(57)(58)將式（58）代入（55）并積分,可得P(x)2pQ2M2ZRTAxPq2ln DP(x)(59)在輸氣管的設(shè)計中，關(guān)于氣流摩阻系數(shù)的計算使用水力光滑區(qū)，混合摩擦區(qū) 和粗糙區(qū)都適用的公式1580.067 -Re

16、2e d管壁當(dāng)量粗糙度e,我國通常取0.05毫米由于天然氣為可壓縮流體，所以隨著管道中壓力沿流程的變化，天然氣流的 壓力、密度和流速也要變化。由流量的定義及氣體狀態(tài)方程可得M MZRTA pAPa；Pa；式中p（x）管道內(nèi)的壓力分布, pQ計算管段起點(diǎn)壓力，M一氣流的質(zhì)量流量，kg/s；A一氣流的過流斷面面積，m2;Z一天然氣的壓縮因子，無量綱因數(shù);R一天然氣的氣體常數(shù)，J/（kg K）;x一管道坐標(biāo)位置，m；T一管道內(nèi)氣流的溫度，K;.天然氣水合物的形成預(yù)測模型氣體水合物可以有幾種不同的結(jié)構(gòu)型式，按晶格類型的不同，通常將水合物劃分為兩種結(jié)構(gòu)型式，即結(jié)構(gòu)I型和結(jié)構(gòu)II型。每種結(jié)構(gòu)都存在水相 （

17、冰、液態(tài)水 或為水蒸氣之一）。水合物狀態(tài)與純水態(tài)（冰、液態(tài)或7態(tài)中的水）相比在能量上更 為有利時就會形成。一般認(rèn)為純水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗衔餇顟B(tài)包含以下兩步：純水（a相）至空水合物晶格（B相），空水合物晶格（B相）到填充了氣體的水合 物品體格（H相），其中出B和H用來表示所考慮的三種狀態(tài)，何種狀態(tài)在能量上 處于有利地位與該狀態(tài)具有最低的化學(xué)位有關(guān)。對有水合物生成的相平衡體系水在水合物相（H）相與富水相（W相）中的化學(xué)勢 N應(yīng)當(dāng)相等，即若以水在B相的化學(xué)位/為基準(zhǔn)，則可寫出(2)或者1959年,Van der waals和Platteeuw提出了簡單的氣體吸附模型，計算空水合物 品格和填充晶格相態(tài)的化

18、學(xué)位差A(yù)小為2HRT mln 1 Yjm m 1式中 V完全空的水合物品格中水的化學(xué)位；一完全填充的水合物品格中水的化學(xué)位;P-水合物結(jié)構(gòu)的特性常數(shù)；R氣體常數(shù)，8.31434 J/mol;T 溫度，K;Yjm m型式孔穴被j組分所占據(jù)的分率。YjmCjmfj1 Cjm fj式中fj組分在氣相中的逸度(由一定的狀態(tài)方程計算)，kPa；Cjmj組分在m型孔穴中的有關(guān)常數(shù)，A B jmjmCjm exp 1/kPa。常數(shù)Cjm可表示為:(6)A心表示完全空的水合物品格與水相的化學(xué)位偏差 可按下式進(jìn)行計算：它是溫度、壓力的函數(shù)W T,PRTTo,0RToTWdP lnxW式中 Ahw B相與W相間的

19、摩爾始差， Ww B相與W相間的摩爾體積差, xw溶液中水的摩爾分率。J/mol ；ml /mol ；式中右方第一項表示標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下(T=T°, P=0)水的化學(xué)位偏差，第二、三、四項則分別表示對溫度、壓力和濃度的校正hWhWToCpwdT(8)CpwCPWT ToAh%與AC°pw分別表示T。時(一般取T0=273.15K) B相與 W相的始差(J/mol) 與熱容差(J/(molK) , b則表示熱容的溫度系數(shù)。對不同的水合物結(jié)構(gòu)， 加0w , AC0pw, b和AVw需取不同的值，且均需通過實驗測定。水的摩爾分率XW可按不同條件確定，在溫度低于冰點(diǎn)時，xW可按純水處理，即XW=1.0,溫度高于冰點(diǎn)時按姓:類氣體在水中的溶解度xi確定：xjfjxoj expVj P 182.06T(10)xojexp AojBoj/T(11)式中fj-j組分在氣體相中的逸度;V -j組分在水中的偏摩爾體積(對乙烯取60,其他組分均取32);Aoj、Bojj組分的常數(shù)。富水相中水的摩爾分?jǐn)?shù)可由下式求出xWxii W(12)根據(jù)式(3) , (4)和(7)可得0- TWdT RT