天然气管道输送(第四章：输气管道热力计算)

2013-04-27天然气管道输送1天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算第四章第四章输气管道的热力计算输气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送2第一节输气管道的温度变化规律1温降基本公式由能量方程推导温降公式。稳定流动的能量方程：忽略高差和速度变化的影响，则：另外由热力学知识可知：因此：第一节第一节输气管道的温度变化规律输气管道的温度变化规律11温降基本公式温降基本公式由能量方程推导温降公式。稳定流动的能量方程：由能量方程推导温降公式。稳定流动的能量方程：忽略高差和速度变化的影响，则：忽略高差和速度变化的影响，则：另外由热力学知识可知：另外由热力学知识可知：因此：因此：天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算dxdQgdxdvvdxdPPhdxdTThTP−=++⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂θsindxdQdxdPPhdxdTThTP−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂hPTPTThPh⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂dxdQdxdPPTThdxdTThhPP−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂2013-04-27天然气管道输送31温降基本公式由于：则：dQ表示单位质量气体在单位管长上的热量损失，由传热学关系可知：因此：令则：非齐次线性微分方程，其通解为：11温降基本公式温降基本公式由于：由于：则：则：dQdQ表示单位质量气体在单位管长上的热量损失，由传热学关系可表示单位质量气体在单位管长上的热量损失，由传热学关系可知：知：因此：因此：令令则：则：非齐次线性微分方程，其通解为：非齐次线性微分方程，其通解为：ihPPDPTCTh=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂dQdPDCdTCiPP−=−dxMTTDKdQ)(0−=πdTCdPDCdxMTTDKPiP−=−)(0πPMCDKaπ=dxdPDTTadxTTdi=−+−)()(00∫−−+=−dxedxdPDeCeTTaxiaxax0天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送4由于x=0时，T=TQ，所以：(4-10)公式分析：（1）公式中最后一项是考虑焦耳—汤姆逊效应的影响，焦耳—汤姆逊效应也叫节流效应，这一项是小于零的，说明考虑节流效应后温度比不考虑节流效应时下降得快。所谓节流效应，就是气体在不与外界进行热交换的情况下，其本身的冷却现象。输气管道沿线压力逐渐降低，气体不断膨胀，气体分子间的距离增大，从而必须消耗能量来克服分子间的引力，在外界不补充能量的情况下，这个能量就由气体本身供给，从而使气体本身冷却。由于由于x=0x=0时，时，T=TT=TQQ，，所以：所以：(4(4--10)10)公式分析：公式分析：（（11）公式中最后一项是考虑）公式中最后一项是考虑焦耳焦耳——汤姆逊汤姆逊效应的影响，焦耳效应的影响，焦耳——汤姆逊效应汤姆逊效应也叫节流效应，这一项是小于零的，说明考虑节流效应后温度比不考虑节流也叫节流效应，这一项是小于零的，说明考虑节流效应后温度比不考虑节流效应时下降得快。效应时下降得快。所谓节流效应，就是气体在不与外界进行热交换的情况所谓节流效应，就是气体在不与外界进行热交换的情况下，其本身的冷却现象。下，其本身的冷却现象。输气管道沿线压力逐渐降低，气体不断膨胀，气体输气管道沿线压力逐渐降低，气体不断膨胀，气体分子间的距离增大，从而必须消耗能量来克服分子间的引力，在外界不补充分子间的距离增大，从而必须消耗能量来克服分子间的引力，在外界不补充能量的情况下，这个能量就由气体本身供给，从而使气体本身冷却。能量的情况下，这个能量就由气体本身供给，从而使气体本身冷却。∫−−+−+=dxedxdPeDeTTTTaxaxiaxQ)(00天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送5（2）若不考虑节流效应，则得到苏霍夫公式(4-11)（3）若考虑压力沿管长为近似线性分布，即：则：(4-12)（（22）若不考虑节流效应，则得到苏霍夫公式）若不考虑节流效应，则得到苏霍夫公式(4(4--11)11)（（33）若考虑压力沿管长为近似线性分布，即：）若考虑压力沿管长为近似线性分布，即：则：则：(4(4--12)12)axQeTTTT−−+=)(00LPPdxdpZQ−−=)1()(00axZQiaxQeaLPPDeTTTT−−−−−−+=温降变化示意图，1-输油管；2-输气管道天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送6第二节输气管道的平均温度输气管道温降曲线与沿线坐标所包的面积和某一温度与沿线坐标所包的面积相等时，称该温度为平均温度，即将(4-11)和(4-12)代入上述公式，由此得到温降公式：从公式中可以看出，地温越高，平均温度也越高，由水力计算公式可知道，温度越高，输气能力越小，因此，在进行管道设计时，应按照夏季地温的平均温度（即输量最小的情况）作为计算温度。第二节第二节输气管道的平均温度输气管道的平均温度输气管道温降曲线与沿线坐标所包的面积和某一温度与沿线坐标所包的输气管道温降曲线与沿线坐标所包的面积和某一温度与沿线坐标所包的面积相等时，称该温度为平均温度，即面积相等时，称该温度为平均温度，即将将(4(4--11)11)和和(4(4--12)12)代入上述公式，由此得到温降公式：代入上述公式，由此得到温降公式：从公式中可以看出，地温越高，平均温度也越高，由水力计算公式可知从公式中可以看出，地温越高，平均温度也越高，由水力计算公式可知道，温度越高，输气能力越小，因此，在进行管道设计时，应按照夏季地温道，温度越高，输气能力越小，因此，在进行管道设计时，应按照夏季地温的平均温度（即的平均温度（即输量最小的情况输量最小的情况）作为计算温度。）作为计算温度。∫=LCPTdxLT01aLeTTTTaLQCP−−−+=1)(00⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−−−−+=−−)1(111)(00aLZQiaLQCPeaLaLPPDaLeTTTT天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送7第四节天然气水合物及生成条件预测1天然气水合物的结构天然气水合物（Gashydrates）也称水化物。它是由碳氢化合物和水组成的一种复杂的、但又不稳定的白色结晶体。一般用M·nH2O表示，M为水合物中的气体分子，n为水分子数。水合物是天然气中的某些组分与液态水在一定的温度、压力条件下所形成的一种外形象冰霜的物质，其密度为0.88～0.90g/cm3水合物的形成机理及条件与水结冰完全不同，即使温度高达29℃，只要天然气的压力足够高，其仍然可以与水形成水合物第四节第四节天然气水合物及生成条件预测天然气水合物及生成条件预测11天然气水合物的结构天然气水合物的结构天然气水合物（天然气水合物（GashydratesGashydrates）也称水化物。它是由碳氢化合物和水组）也称水化物。它是由碳氢化合物和水组成的一种复杂的、但又不稳定的白色结晶体。一般用成的一种复杂的、但又不稳定的白色结晶体。一般用MM··nHnH22OO表示，表示，MM为水为水合物中的气体分子，合物中的气体分子，nn为水分子数。为水分子数。水合物是天然气中的某些组分与液态水在一定的温度、压力条件下所形水合物是天然气中的某些组分与液态水在一定的温度、压力条件下所形成的一种外形象冰霜的物质，其密度为成的一种外形象冰霜的物质，其密度为0.880.88～～0.90g/cm30.90g/cm3水合物的形成机理及水合物的形成机理及条件与水结冰完全不同，即使温度高达条件与水结冰完全不同，即使温度高达2929℃℃，只要天然气的压力足够高，其，只要天然气的压力足够高，其仍然可以与水形成水合物仍然可以与水形成水合物天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送8从微观结构上讲，水合物是液态水与一些气体组分借助于分子力而形成的一种称为笼形包络物的固态结构。在这种结构中，若干个水分子通过氢键形成由五面体或六面体构成的笼孔，每个笼中可以容纳一个气体分子。天然气水合物的笼形结构有两种类型。从微观结构上讲，水合物是液态水与一些气体组分借助于分子力而从微观结构上讲，水合物是液态水与一些气体组分借助于分子力而形成的一种称为笼形包络物的固态结构。在这种结构中，若干个水分子形成的一种称为笼形包络物的固态结构。在这种结构中，若干个水分子通过氢键形成由五面体或六面体构成的笼孔，每个笼中可以容纳一个气通过氢键形成由五面体或六面体构成的笼孔，每个笼中可以容纳一个气体分子。天然气水合物的笼形结构有两种类型。体分子。天然气水合物的笼形结构有两种类型。天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送9天然气水合物是天然气水合物是2020世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有体酒精，点火即可燃烧，有““可燃水可燃水””、、““气冰气冰””、、““固体瓦斯固体瓦斯””之称，天之称，天然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，全球天然气水合物然气水合物使用方便，燃烧值高，清洁无污染。据了解，全球天然气水合物的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本的储量是现有天然气、石油储量的两倍，具有广阔的开发前景，美国、日本等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然等国均已经在各自海域发现并开采出天然气水合物，据测算，我国南海天然气水合物的资源量为气水合物的资源量为700700亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资亿吨油当量，约相当我国目前陆上石油、天然气资源量总数的二分之一源量总数的二分之一天然气管道的热力计算天然气管道的热力计算2013-04-27天然气管道输送102天然气水合物生成条件的预测天然气水合物的形成是需要一定条件的，形成水合物的三个必要条件¾必须有液态水与天然气接触。¾天然气中的水蒸气分压等于或高于天然气的温度对应的水的饱和蒸汽压；¾天然气的温度必须等于或低于其在给定压力下的水合物形成温度。因此，对于一定组分的天然气，在给定压力下，就有水合物形成温度，低于这个温度将形成水合物，而高于这个温度则不形成水合物或已形成的水合物将发生分解。随着压力升高，形成水合物的温度也随之升高。如果天然气中没有自由水，则不会形成水合物。此外，生成水合物还有一些次要条件，如高的气体流速、任何形式的搅动及晶种的存在以及天然气中含有硫化氢和二氧化碳。（两种酸性气体比烃类气体更容易溶于水等）22天然气水合物生成条件的预测天然气水合物生成条件的预测天然气水合物的形成是需要一定条件的，形成水合物的三个必要条件天然气水合物的形成是需要一定条件的，形成水合物的三个必要条件¾必须有液态水与天然气接触。必须有液态水与天然气接触。¾¾天然气中的水蒸气分压等于或高于天然气的温度对应的水的饱和蒸汽压；天然气中的水蒸气分压等于或高于天然气的温度对应的水的饱和蒸汽压；¾¾天然气的温度必须等于或低于其在给定压力下的水合物形成温度。天然气的温度必须等于或低于其在给定压力下的水合物形成温度。因此，对于一定组分的天然气，在给定压力下，就有水合物形成温度，因此，对于一定组分的天然气，在给定压力下，就有水合物形成温度，低于这个温度将形成水合物，而高于这个温度则不形成水合物或已形成的水低于这个温度将形成水合物，而高于这个温度则不形成水合物或已形成的水合物将发生分解。随着压力升高，形成水合物的温度也随之升高。如果天然合物将发生分解。随着压力升高，形成水合物的温度也随之升高。如果天然气中没有自由水，则不会形成水合物。气中没有自由水，则不会形成水合物。此外，生成水合物还有一些次要条件，如高的气体流速、任何形式的搅此外，生成水合物还有一些次要条件，如高的气体流速、任何形式的搅