天然气物性参数及管线压降与温降的计算

1、整个计算过程的公式包括三部分：一. 天然气物性参数及管线压降与温降的计算二. 天然气水合物的形成预测模型三. 注醇量计算方法一.天然气物性参数及管线压降与温降的计算天然气分子量简称分子量(1)标准状态下，Ikmol天然气的质量定义为天然气的平均分子量,Myi M i式中 M 气体的平均分子量，kg/kmol; yi气体第i组分的摩尔分数；Mi 气体第i组分的分子量，kg/kmol。天然气密度混合气体密度指单位体积混合气体的质量。按下面公式计算：0 °C标准状态1h/lyi m22.41420 C标准状态1y i ivi24.055任意温度与压力下yiMiyiVi式中p混合气体的密度，

2、kg/m3；p任意温度、压力下i组分的密度，kg/m3；yi i组分的摩尔分数; Mii组分的分子量，kg/kmol ；Vii组分摩尔容积，m3 /kmol。天然气密度计算公式pMWgZRT天然气相对密度天然气相对密度的定义为：在相同温度，压力下，天然气的密度与空气密 度之比。 a式中 气体相对密度；P气体密度，kg/m3；p空气密度，kg/m3,在 Po=1O1.325kPa, To=273.15K 时，p=1.293kg/m3; 在 P0=101.325kPa T0=273.15K 时，p=1.293kg/m3因为空气的分子量为28.96,固有28.96假设，混合气和空气的性质都可用理想气

3、体状态方程描述，则可用下列关系 式表示天然气的相对密度pMWg(8)RT MWg MWgpMWa MWa 28.96RT式中 MWa空气视相对分子质量；MWg天然气视相对分子质量。天然气的虚拟临界参数任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液体，但当高于该温度时, 无论压力增加到多大，都不能使气体液化。可以使气体压缩成液态的这个极限温 度称为该气体的临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需压力 称为临界压力，此时状态称为临界状态。混合气体的虚拟临界温度、虚拟临界压 力和虚拟临界密度可按混合气体中各组分的摩尔分数以及临界温度、临界压力和 临界密度求得，按下式计算。Tcyi Tci

4、i(9)PcYiPcii(10)cy i ci(11)i式中Tc混合气体虚拟临界温度，K ；Pc混合气体虚拟临界压力(绝)，Pa；P混合气体虚拟临界密度，kg/m3;Tcii组分的临界温度，K;Pcii组分的临界压力(绝)，Pa；Pi组分的临界密度，kg/m3；yii组分的摩尔分数。天然气的对比参数天然气的压力、温度、密度与其临界压力、临界温度和临界密度 之比称为天然气对比压力、对比温度和对比密度。PPr -(12)巳Tr T(13)I c式中 Pr 气体对比压力;Tr气体对比温度;P气体对比密度。天然气压缩系数对于理想气体，在所有状态下都有 P RT。对于实际气体，引入一个修正系数以使得P

5、Z RT(15)式中Z叫做压缩系数，它表示实际气体与理想气体的偏离程度。对于理想气 体，在所有状态下Z的值都为I。对于实际气体，Z是状态函数。关于天然气压缩因子的计算，主要采用 Pon g-Robi nso n方程：RTa(T)V b V (V b) b(V b)(16)式中n na(T)XjXjQaj i j)0.5(1 KJ(17)i 1 j 1(18)0.45724R2t；(19)b 0.0788-RTeL(20)Peri1m 1T- 2(21)mi0.3746421.5422 i 0.26992 i(22)式中Kij 天然气的交互作用参数；per组分i的气体临界压力； Ter组分i的气

6、体临界温度； Tr组分i的对比温度； coi组分i的偏心因子。由方程(16)可得到关于Z的方程Z3(1 B)Z2 A3B2232B Z AB B2 B30(23)aiPerAaPR2T2(24)bP(25)天然气质量疋压比热谷混合物质量定压热容BRTcP0 yiCPii(26)式中 Cp°理想气体混合物质量定压热容，kJ/(kg K);yi组分i的摩尔分数 天然气的粘度计算公式根据天然气所处压力、温度条件下的密度和标准状态下的相对密度，可按 下式计算天然气粘度y(27)C exp x -1000x 2.57 0.27811063.6T(28)y 1.110.04x(29)1 52.4

7、15 7.770.1844 T .C10122.4 377.581.8T(30)天然气的导热系数计算公式气体碳氢化合物的导热系数随温度或压力的升高而增大，确定气体导热系数 可按查图法和计算法确定。若压力较低时，混合气体的导热系数按下式计算1 3 yiiMi1 3yiMi(31)式中混合气体的导热系数， W/(mK);入一混合气体i组分的导热系数，W/(mK); yi混合气体i组分摩尔分数；Mi 混合气体i组分的分子量，kg/kmol。低压单组分气体的导热系数在低压下，对于甲烷、环烷烃、芳香烃5 CpM2.04746 10 5 P TrTr 1r对于其它碳氢化合物及其它的对比温度范围4.6010

8、4 10 6 14.52Tr5.142旦(33)T16m1223Pc(34)式中气体的导热系数，W/(mK);Tr-气体对比温度；Cp气体质量定压热容，J/(kg K);Tc气体临界温度，K;Pc气体临界压力，MPa；M 气体分子量，kg/kmol。温度对导热系数的影响2273 C T0 T C 273 式中 气体在T时的导热系数，W/(m - K);心一气体在273K时的导热温度，W/(m -K);C与气体性质有关的无因次实验系数，见表4-1对混合气体，还可按下式计算(35)i(36)式中XT1)温度为T1时混合气体导热系数，W/(mK);XT2)温度为T2时混合气体导热系数，W/(mK);

9、 yi混合气体i组分摩尔分数；X(T1)温度为T1时i组分气体导热系数，W/(m -K);X(T2)温度为T2时i组分气体导热系数，W/(m -K)。压力对气体导热系数的影响在高压下，单组分气体导热系数可根据对比密度p进行计算p<0.5 时(37)0 rZ 2.69654 104 e0.535 r 10.5< p<2.0 时o rZ2.5197210 4 e0'67 r1.069(38)2.0< p<2.8 时o rZ5.7467310 5 e1'155 r2.016(39)式中P气体对比密度；心一低压气体导热系数，W/(m -K);P-高压下气体

10、密度，kg/m3;高压下气体导热系数，W/(mK);Zc临界压缩系数。公式(36)(39)也适应高压混合气体导热系数的计算。此时，公式中各量为混 合气体对应参数。计算气体导热系数步骤如下：(1) 由公式(32)或(33)计算低压气体各组分在273K时的导热系数。(2) 由公式(34)或(35)计算低压气体各组分在给定温度下的导热系数。(3) 由公式(31)计算低压混合气体在给定温度下的导热系数。按公式(37)(39)计算混合气体在所需温度和压力下的导热系数。天然气管流的温降根据能量守恒定律和气体动力学理论,2qvvu 一 gzx t可建立一元气流的能量方程，即2v v h gzx2若忽略高程并

11、设流动为稳定流，则式(7-5)可改写为_h dT T p dxh dpP t dxqdx式中 h气流的焓，J/kg。引入定压比热cp和焦耳一汤姆逊系数Di后上式可表示为cPdT CpDjdpq由热量平衡关系可得dx管段上的热量损失为K D(T %)dxq M式中K管道的总传热系数，W/(m2 K)。联立式(42)和(43)K D(T T。)对上式积分可得管道dx cPGidp cPdTMppx处的温度为T(x)T。仇To" G异奢dx(40)(41)(42)(43)(44)(45)式中a=K nD/(Mcp)。关于焦耳一汤姆逊系数Gi的计算，有热力学关系式可知起计算式为Di丄T T

12、cp p2 上式中 Di焦耳一汤姆逊系数，K/Pa；;Cp质量定压热熔，J/(Kg K);P压力，Pa；T温度，K;P 密度，kg/m3V 比容，m3/ kg。总传热系数K指当的温差为1 C时，单位时间内通过单位传热面积所传递的热量。对于埋地管道，管道散热的传热过程由三部分组成，即气流至管壁的放热,钢管壁、沥青绝缘层或保温层的热传导和管外壁至周围土壤的传热。在稳定传热 的情况下，已在管内外建立了稳定的温度场时，热平衡关系可表示为：2 D 仃yT0)1D(TyTb1)(TbiTb(i1) )2 Dw(Tb(i1)T0)In Di 1 / Di(47)式中 D计算直径，m，对于保温管道，可取保温层

13、内外直径的平均值;Di、Di+1钢管、绝缘层及保温层的内外径，m；i与上述的层相应的导热系数，W/(m -K);Tb1钢管内壁的温度，C；Tbi、Tb(i 1)钢管、绝缘层及保温层的内外壁的温度，C；1 油流至管内壁的放热系数， W/(m2 K)；2 油流至管内壁的放热系数， W/(m2 K)。整理后则有1d1 1(48)di流体至管内壁换热系数 a可按下列准则方程求得NuD10.80.43Nu 0.021 Re PrPrcpRe式中 Nu努谢尔特准数；Rl雷诺数；Pr普朗特数；v天然气流速；m/s 厂气体的动力粘度，Pas；Cp气体定压比热，J/(kg K)；气体导热系数，W/(m K)。

14、外部放热系数a的计算公式为：2 ho s/ sD2s/ s /D 1(53)式中入一土壤的导热系数；ho管道埋深(管道轴线至地面)土壤的导热系数的某些平均值土壤入 s/W (m)-1融化状态冻结状态粗砂(12mm)密实的1.741.351.981.35松散的1.351.92细砂和中砂(0.251mm)密实的2.442.5松散的2.152.3亚砂土、亚粘土、粉状 土、融化土1.391.621.742.32粘土0.931.391.391.74天然气管流的压降在天然气管流中流动时的能量方程可以根据流体力学理论建立起来，即(54)dpdvvg sinvdxdxD 2式中p管道内的压力，Pa；p气流的密

15、度，kg/m3； v管道内气流速度，m/s；9-管道的倾角； L气流摩阻系数，无量纲因数。平原地区可以忽略管道高差的影响，则上式可写为2 2dp dx v dv在输气管的设计中，关于气流摩阻系数的计算使用水力光滑区，混合摩擦区 和粗糙区都适用的公式0.067158Re(56)(57)(58)p(x)2pQm2zrtp(x)(59)2e d 管壁当量粗糙度e,我国通常取0.05毫米由于天然气为可压缩流体，所以随着管道中压力沿流程的变化，天然气流的 压力、密度和流速也要变化。由流量的定义及气体状态方程可得M MZRTA pA将式（58）代入（55）并积分，可得式中p（x）管道内的压力分布，Pa；

16、pQ计算管段起点压力，Pa； M 气流的质量流量，kg/s； A气流的过流断面面积，m2;Z天然气的压缩因子，无量纲因数;R天然气的气体常数，J/（kg K）；x管道坐标位置，m；T管道内气流的温度，K ；.天然气水合物的形成预测模型气体水合物可以有几种不同的结构型式，按晶格类型的不同，通常将水合物划分为两种结构型式，即结构I型和结构U型。每种结构都存在水相（冰、液态水或为水蒸气之一）。水合物状态与纯水态（冰、液态或汽态中的水）相比在能量上更 为有利时就会形成。一般认为纯水状态转变为水合物状态包含以下两步：纯水（a相）至空水合物晶格（B相），空水合物晶格（B相）到填充了气体的水合 物晶体格（H

17、相），其中a B和H用来表示所考虑的三种状态，何种状态在能量上 处于有利地位与该状态具有最低的化学位有关。对有水合物生成的相平衡体系水在水合物相（H）相与富水相（W相）中的化学势 卩应当相等，即若以水在B相的化学位 怡为基准，则可写出或者1959年,Van der waals和Platteeuw提出了简单的气体吸附模型,计算空水合物 晶格和填充晶格相态的化学位差为2HRT mln 1 Yjmm 1式中 一完全空的水合物晶格中水的化学位； $完全填充的水合物晶格中水的化学位;Y-水合物结构的特性常数；R气体常数，8.31434 J/mol;T 温度，K;Yjm m型式孔穴被j组分所占据的分率。j

18、mYjmCjm fjjm(由一定的状态方程计算),kPa； Cjmj组分在m型孔穴中的有关常数，C Ajm BjmCjm exp 式中fj组分在气相中的逸度1/kPa。常数Cjm可表示为:表示完全空的水合物晶格与水相的化学位偏差 可按下式进行计算：它是温度、压力的函数W T,PRTTo,ORTo。卩普dP lnXW式中 Mw B相与W相间的摩尔焓差，Vw B相与W相间的摩尔体积差， xw溶液中水的摩尔分率。式中右方第一项表示标准态下(T=To, P=O)水的化学位偏差，第二、三、四项 则分别表示对温度、压力和浓度的校正hwhwJ/mol ；ml /mol ；ToCpwdT(8)CpwCPwT

19、To(9)CmfjAh°w与AC0pw分别表示To时(一般取To=273.15K) B相与 W相的焓差(J/mol) 与热容差(J/(mol K) , b则表示热容的温度系数。对不同的水合物结构，Ai°w ,AC°pw, b和AVw需取不同的值，且均需通过实验测定。水的摩尔分率XW可按不同条件确定，在温度低于冰点时，XW可按纯水处理,即XW=1.0，温度高于冰点时按烃类气体在水中的溶解度xi确定：XjfjXoj expVj P 182.06T(10)x)jexp AojBoj/T(11)式中fj-j组分在气体相中的逸度;V -j组分在水中的偏摩尔体积(对乙烯取60,其他组分均取32);Aoj、Boj-j组分的常数。富水相中水的摩尔分数可由下式求出1xwXii W(12)根据式，(4)和可得RTT 壽dTlnxw