第四章管道热力计算课件

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。ⅡⅡⅠⅠ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ⅡⅡⅠⅠ1、在时间dτ内系统储能的变化4.1气体一元流动的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在时间dτ内控制面上的流动净功和流入的能量Ⅰ截面上对控制体做动和流入的能量Ⅱ截面上对外做功和流出的能量4.1气体一元流动的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在时间dτ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ⅡⅡⅠⅠ3、时间dτ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dτ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ⅡⅡⅠⅠ4.1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ⅡⅡⅠⅠ4.2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ⅡⅡⅠⅠ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质量流量，kg/s起点温度，K距起点Xm处温度，K气体压力，Pa内径，m气体质量定压热容，J/kg·K

总传热系数，W/m2·K管道埋深处地温，K距起点距离，m焦耳汤姆逊系数，K/Pa压力梯度，Pa/m4.2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：4.3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当xTQT0TZT考虑焦耳-汤姆逊效应苏霍夫公式x0TZ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xTQT0TZT输气管输油管相同直径时，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K4.5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K4.5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）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α1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）管壁的导热系数钢管保温层沥青绝缘层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，可以忽略；非金属管材的导热系数小，管壁较厚，热阻相当大；6～9mm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2～5W/m2·℃；可按空气中的受迫对流计算，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K1.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，C2H6·6H2O4.6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天然气水合物参数结构I结构II结构H单位晶胞中水分子数4613634单位晶胞中小孔穴数2163单位晶胞中中孔穴数--2单位晶胞中大孔穴数681小孔穴平均直径（埃）3.913.903.91中孔穴平均直径（埃）--4.06大孔穴平均直径（埃）4.334.685.17单元形体尺寸，mm1.2011.7301.2261.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天然气水合物1）足够的水分（游离水）；（内因internalagency）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internalagency）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intrinsicfactor)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。TPhbWminc

气体的压力、温度、含水率s（距离）daW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。ghtpedabWminfc气体的压力、温度和水合物s（距离）W4.6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５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。

P(MPa)t(0C)水合物存在区水合物不存在区甲烷形成水合物的最高温度称之为形成水合物临界温度。甲烷形成水合物的临界温度为21.50C，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MMN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。LpABMNHCDT5.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。mnCD输气管温度分布曲线。CpAMLBDNnm1rr1mKfHT4.6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，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。J6.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天然气水合物１）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