1、天然气管道输送,主讲教师：赵健 邮箱：,连续性方程,运动方程,能量方程,第四章 输气管道热力计算,气体一元流动基本方程,4.1 气体一元流动的能量方程,能量方程的基础是能量守恒定律，能量既不能被创造，也不可能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式，在转换中能量总量保持不变。,系统储存能的变化E 控制体与外界的热交换Q 流动净功和流入的净能量A,控制体的储存能,在 时间内的储存能变化,4.1 气体一元流动的能量方程,1、在时间d内系统储能的变化,4.1 气体一元流动的能量方程,2、在时间d内控制面上的流动净功和流入的能量,截面上对控制体做动和流入的能量,截面上对外做功和流出的能量,4.1 气体一
2、元流动的能量方程,2、在时间d内控制面上的流动净功和流入的能量,两者之差即进入控制体的流动静功和能量,4.1 气体一元流动的能量方程,3、时间d内的热交换,单位质量流量气体在单位管长上的热交换率,管长dx上单位时间的热交换为,则在d时间内从长度dx管段上热损失为,4.1 气体一元流动的能量方程,4.1 气体一元流动的能量方程,对于稳定流动,Q单位质量气体向外界放出的热量，J/kg；,4.1 气体一元流动的能量方程,4.2 输气管道热力计算,天然气沿管道输送过程中，除流速和压力变化外，温度也发生改变； 温度变化影响气体的热物性和运动参数，从而影响气体的运动状态； 天然气管道沿线温度变化较大时，需
3、要进行热力计算； 可用于预测水合物生成，为管道强度设计，绝缘层设计提供依据。,选择微元 管段,能量方程：,4.2 输气管道热力计算,忽略流速变化和高差影响：,4.2 输气管道热力计算,4.2 输气管道热力计算,4.2 输气管道热力计算,4.2 输气管道热力计算,除以,为一阶非齐次线性微分方程，其通解为,当x=0时，T=TQ，代入上式可求得积分常数C,4.2 输气管道热力计算,4.3 温降计算公式的探讨,（1）焦耳汤姆逊系数与气体的种类、气体所处的温度和压力有关，一般对于长输管道，可以去3-5/MPa。忽略焦耳汤姆逊系数影响后，可得：,苏霍夫公式：,（2）考虑管道压力沿管长近似为线性分布：,4.
4、3 温降计算公式的探讨,不考虑焦耳汤姆逊效应,考虑焦耳汤姆逊效应,若将T = T0代入,距离 x=x0, 即该点后输气管的温度低于周围介质温度。,4.3 温降计算公式的探讨,相同直径时，输气管温降比输油管快得多，温降曲线陡。,4.3 温降计算公式的探讨,采用苏霍夫公式：,4.4 输气管道的平均温度,平均温度Tcp是输气管道水力计算的主要参数之一，可按平均温度计算或选取天然气的物性参数，进行水力计算。,4.4 输气管道的平均温度,周围介质温度T0愈高， Tcp也愈高，而Tcp愈高，输气能力越小。因此，在进行管线设计时，应将夏季地温T0作为水力计算的依据。,考虑焦耳 汤姆逊效应,不考虑焦耳 汤姆逊
5、效应,定义：管道总传热系数K指介质与周围介质温度差为1时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量。W/m2K 表示天然气至周围介质散热的强弱，计算温降时，K是关键参数。,对流,4.5 总传热系数K,对流,对流,4.5 总传热系数K,4.5 总传热系数K,对流,对流,介质,土壤,钢管,沥青绝缘层,保温层,4.5 总传热系数K,4.5 总传热系数K,对于无保温的大直径管道，如忽略内外径的差值，则,4.5 总传热系数K,钢管,防腐绝缘层,保温层,管壁导热,几个叁数的确定,（一）气体至管内壁的放热系数 的计算 （二）管壁的导热系数 （三）管外壁至大气的放热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数 （五）
6、埋地管道总传热系数 K 值的选用,4.5 总传热系数K,（一）气体至管内壁的放热系数 的计算, 放热强度决定于气体的物理性质及流动状态。 可用1与放热准数Nu、Re和流体物理性质准数Pr 之间的数学关系式来表示。,4.5 总传热系数K,几个叁数的确定,（一）气体至管内壁的放热系数 的计算 （二）管壁的导热系数 （三）管外壁至大气的放热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数 （五）埋地管道总传热系数 K 值的选用,4.5 总传热系数K,（二）管壁的导热系数,4.5 总传热系数K,硅酸铝管,硅酸铝毡,硅酸铝板,复合 型高 温保 温管,（二）管壁的导热系数,4.5 总传热系数K, 钢管壁热阻很小，可以忽
7、略； 非金属管材的导热系数小，管壁较厚，热阻相当大； 69mm厚的沥青绝缘层，热阻占埋地管道总热阻的10%15%； 保温管道，保温层的热阻起决定影响，特别是架空或水下管道；,4.5 总传热系数K,几个叁数的确定,（一）气体至管内壁的放热系数 的计算 （二）管壁的导热系数 （三）管外壁至大气的放热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数 （五）埋地管道总传热系数 K 值的选用,4.5 总传热系数K,（三）管外壁至大气的放热系数,架空管道的管外壁到大气的放热为对流与辐射换热同时存在的复合换热，故,对流换热,辐射换热,4.5 总传热系数K, 因有保温层， 一般较小，可取 25 W/m2； 可按空气中的受迫
8、对流计算，当,4.5 总传热系数K,几个叁数的确定,（一）气体至管内壁的放热系数 的计算 （二）管壁的导热系数 （三）管外壁至大气的放热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数 （五）埋地管道总传热系数 K 值的选用,4.5 总传热系数K,（四）管外壁到土壤的放热系数, 埋地管道的管外壁到土壤的传热是主要环节。 埋深较浅时，土壤表面对大气的放热也有较大的影响。 不保温的埋地管道，当管内为紊流时，总传热系数近似为 。,4.5 总传热系数K,等温线, 未考虑土壤自然温度场及土壤表面与大气热交换对管道散热的影响。 计算大口径浅埋管道时误差较大。,4.5 总传热系数K,几个叁数的确定,（一）气体至管内壁的放
9、热系数 的计算 （二）管壁的导热系数 （三）管外壁至大气的放热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数 （五）埋地管道总传热系数 K 值的选用,4.5 总传热系数K,（五）埋地管道总传热系数 K 值的选用, 埋地不保温管道的 K 值主要取决于管道至土壤的放热系数，而土壤的导热系数受多种因素的影响，故难以得到准确的计算结果，设计时采用经验方法确定 K 值。 常采用反算法计算已正常运行的管道的K 值，作同类设计参考。,4.5 总传热系数K,1. 天然气水合物(NGH)概念 物理性质：水合物又称水化物，白色结晶，外观类似压实的冰雪。 密度0.88-0.90g/cm3，是一种笼形晶格包络物。气体分子被包围在
10、晶格中，水分子借氢键结合形成笼形结晶。 分子式：M nH2O，如CH4 6H2O， CH4 7H2O， C2H6 6H2O,4.6 天然气水合物,1. 天然气水合物(NGH)概念,4.6 天然气水合物,1. 天然气水合物(NGH)概念,4.6 天然气水合物,1. 天然气水合物(NGH)概念,4.6 天然气水合物,现有一种天然气运输方式-天然气水合物运输，这方面研究比较多的是挪威、美国。 地球上，尤其是海底中，水合物的资源非常多，可用作一种能源。水合物的开采还没有成熟的方式。 输气管道中有水合物形成，会影响管道的正常运行，降低管道输送效率，甚至堵塞管道。,2.形成水合物的条件,4.6 天然气水合
11、物,1）足够的水分（游离水）；（内因 internal agency）温度低于水汽的露点温度，出现“自由水”。没有自由水，一定不会生成水合物。,2）适当的温度和压力； （内因 internal agency）低温、高压条件。,3）气体处于脉动、紊流扰动中，并有结晶中心存在。 （外因 intrinsic factor ),3.输气管道中气体含水量变化,c 点以后含水量不可能再增大。,气体的压力、温度、含水率,s（距离）,饱和含水量曲线,4.6 天然气水合物,a - c ，压力 p 变化小，温度 t 下降快，饱和含水量 W 也随之下降 。,c - d ，P 压力下降快，温度 t 变化小，饱和含水量
12、 W 上升。,如进入输气管的气体未被饱和，例如含水量相当于 h 点，气体向前流动，含水量 W 并不改变，由于温度 t 下降，到 b 点饱和，b - c 有水析出。,欲使输气管不具备水分条件，则进入气管的气体含水量要远小于 c 点的含水量，如 fg 直线。,g,h,t,p,e,d,a,b,Wmin,f,c,气体的压力、温度和水合物,s（距离）,W,4.6 天然气水合物,干线输送的气体的露点要低于周围介质最低温度度以上。,3.输气管道中气体含水量变化,曲线左上方为水合物存在区，右下方为水合物不存在区。 由平衡曲线可知，低温、高压易形成水合物。,形成水合物的最高温度称之为形成水合物临界温度。甲烷形成
13、水合物的临界温度为21.5 0C，高于此温度，任何压力下也不可能形成水合物。,4.6 天然气水合物,4. 形成水合物的温度、压力条件,M,MN对应于输气管压力分布曲线的水合物形成的温度曲线。,AB输气管压力分布曲线。,H,5. 输气管道上水合物可能形成区,4.6 天然气水合物,MN曲线上的Mm,nN两段水合物形成温度低于输气管温度，水合物根本不可能形成。,mn 段水合物形成温度高于输气管温度，温度、压力条件满足，但水分条件是否满足应具体分析。,CD输气管温度分布曲线。,C,p,A,M,L,B,D,N,n,r,r1,T,4.6 天然气水合物,气体露点为J，低于输气管温度。随着压力下降，露点也下降
14、，到K点饱和，K-m段满足水分条件，但不满足温度、压力条件。,5. 输气管道上水合物可能形成区,r点等于气体露点，满足压力、温度条件，再次生成水合物，露点下降为r1。,m点满足压力、温度和水分条件，有水合物生成，露点下降为m1。,f点后，气体由于水的析出而不饱和，始终保持最小含水量Wmin到终点，形成水合物条件不具备。,6. 水合物生成预测,4.6 天然气水合物,曲线上方为水合物形成区，下方为不存在区。 压力越高，温度越低，越易形成水合物。 天然气中若含有H2S，则误差较大，不宜使用。 相对密度在两条曲线之间，可以通过插值近似计算。 也可通过公式，计算水合物生成所需要的压力条件。,4.6 天然
15、气水合物,）加热 防止水合物生成，排除已生成水合物的有效方法之一。 该方法能量消耗大，且提高输送温度导致输气量下降，一般不适用于干线输气管道中。 在配气站、集气站等场所，经常大幅度对天然气进行节流降压，由于焦耳汤姆逊效应，气体温度下降，为了防止节流阀、孔板等发生冻结，常采用加热气体的方式防止水合物生成。,7. 防止水合物形成方法,2,用加热的方法防止生成和排除已生成的水合物 1-压降曲线;2-加热后的温降曲线;3-生成水合物温度曲线;4-温降曲线,4.6 天然气水合物,2）降压 降低天然气压力，使生成水合物温度曲线下降，从而解决水合物冰堵。 该方法也可用于排除在输气管道中已形成的水合物，其途径
16、就是通过放空管放空。但需在环境温度高于0以上条件进行，否则水合物分解后可能转化为冰塞。 当干线输气管的最低温度可能接近度时，相应的水合物形成压力范围在1-1.5MPa，但输气管上最优输送压力在5.0-7.0MPa，所以降压无效。,7. 防止水合物形成方法,1-压降曲线;2-降压后的压降曲线;3-生成水合物温度曲线;4-温降曲线；5降压后的生成水合物温度曲线,4.6 天然气水合物,3）干燥 防止天然气在输气管道中生成水合物最根本的办法就是干燥天然气，脱去其中的水分，降低其露点。,7. 防止水合物形成方法,1-压降曲线;2-降压后的压降曲线;3-生成水合物温度曲线;4-温降曲线；5降压后的生成水合物温度曲线,4）添加抑制剂 抑制剂主要是醇类，包括甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇等。氯化钙和氨也可以作为抑制剂。,
