输气管道设计第三章PPT课件.ppt

3 3天然气体积计量的标准状态标准状态 用来计量气体体积的特定压力和温度 标准体积 在标准状态下计量的气体体积 目前不同国家 不同行业采用不同的标准状态 物理 中国城市燃气 标准状态 p0 101325Pa t 0 中国石油行业标准状态 p0 101325Pa t 20 美国石油行业标准状态 p0 101325Pa t 60 15 6 ISO标准状态 p0 101325Pa t 15 标准立方米 标方 Nm3 Sm3 现在改为m3 注意 物理标准大气压与工程标准大气压的区别 1 3 4天然气组成的表示方法体积分数yi 各组分的分体积在天然气总体积中的比例 分体积 对一个混合气体体系 在与混合气体温度 压力相同的条件下 其中每种气体组分单独存在时具有的体积 分压 对一个混合气体体系 在与混合气体温度 体积相同的条件下 其中每种气体组分单独存在时具有的压力 摩尔分数yi 各组分的摩尔数在天然气总摩尔数中的比例 工程上有时近似地将天然气的体积分数等同于摩尔分数 摩尔 物质的质量单位 1摩尔某种纯物质的质量在数量上等于该物质的分子量 而质量的单位为克 质量分数 各组分的质量在天然气总质量中的比例 天然气组成测定方法 普遍采用气相色谱法 chromatogram 2 天然气组成测定方法 普遍采用气相色谱法 chromatogram 气相色谱仪GasChromatograph 3 3 5气体状态方程与混合气体定律l状态方程 EOS EquationofState PVT方程一 理想气体状态方程pvm RmTpVm mRmTpv RTpV nRTp 气体绝对压力 PaT 气体绝对温度 Kvm 气体摩尔比容 m3 kmolv 气体比容 m3 kgVm m千摩尔 kmol 气体的体积 m3V n千克 kg 气体的体积 m3m 气体摩尔数 kmoln 气体质量 kgRm 8 314 kJ kmol K 通用气体常数R Rm M kJ kg K 气体常数 M为气体分子量 理想气体 4 二 理想气体混合定律 分压定律pj p mj mp pj 分体积定律Vj V mj mV Vj 为什么可以近似认为气体的体积分数等于摩尔分数 5 三 真实气体状态方程1 带压缩因子的真实气体状态方程Compressibilityfactor Supercompressibilityfactor Z Vactual VidealpVm Z mRmTpVm Z mRmT 真实气体的Z值取决于其化学组成 温度与压力 对于只含微量非烃类气体的非酸性天然气 只要知道其中各组分的比例 就可以利用Standing Katz通用压缩因子图确定其在不同温度与压力下的Z值 对于酸性天然气 可以根据一定的法则对通用压缩因子图确定的Z值进行修正 6 对比温度 reducedtemperature Tr T Tc 对比压力 reducedpressure pr p pc临界温度 criticaltemperature 气体通过加压可以被液化的最高温度 临界压力 criticalpressure 对应临界温度的饱和蒸汽压 甲烷 Tc 82 pc 4 64MPa混合气体临界参数 视 假临界参数pseudocriticalparameters视临界参数的计算 Kay 凯 规则 将混合气体中各组分的临界参数按其摩尔分数或体积分数作线性加权 7 对应状态原理 F pr Tr vr 0 5 将 5 代入 4 得到 Z f pr Tr 6 Standing Katz通用压缩因子图 适用于烃类气体 任一状态 pv ZRT 临界状态 pcvc ZcRTc 1 2 1 2 得到 prvr ZTr Zc 3 同一类物质 Zc const于是有 Z g pr Tr vr 4 8 分析 对应给定的Tr 随着Pr增大 Z的变化趋势 Why 9 确定压缩因子Z的另外三种方法真实气体状态方程 经验公式CNGA公式 CaliforniaNaturalGasAssociation p 绝对压力 PaT 绝对温度 K适用范围 0 55 0 7 相对密度 p 0 1000psi 0 68 94 105Pa T 272 2 333 3KAGA8 92DC计算模型AGA AmericanGasAssociation 10 2 不带压缩因子的真实气体状态方程VanderWaals方程R K方程S R K方程P R方程B W R方程B W R S方程 1970年 最精确 11个参数 A0 B0 C0 D0 E0 a b c d 利用这些状态方程 可以根据真实气体的温度和压力求出其比容 进而可进一步求出相应的压缩因子 11 12 一 密度与相对密度密度 density 取决于温度与压力 在物理标准状态下 Mg 22 414 天然气在物理标准状态下的密度 kg m3 Mg 天然气的视分子量 可以按摩尔分数或体积分数对天然气中各组分的分子量求加权平均 甲烷 在物理标准状态下密度为0 7143kg m3标准状态下天然气密度一般小于但又比较接近于1kg m3 3 6天然气的基本物性及其计算 13 相对密度 specificdensity 在相同温度 压力下 天然气与干空气的密度比 标准状态下的相对密度 对于非烃类气体含量很低的天然气 相对密度大小间接反映了其中重烃组分含量高低 或者说粗略反映了天然气的组成 因此 工程上通常根据相对密度估算天然气物性参数 例如 估算压缩因子的CNGA公式确定天然气水合物形成温度甲烷 P 101325Pa t 0 0 7143 1 2931 0 5524气田天然气 0 58 0 62石油伴生气 0 7 0 85 14 二 天然气的粘度 viscosity黏度 流体的黏性 在流体流动过程中 相邻两个流体层的速度不同 其分子之间会发生摩擦 称为内摩擦 和交换 从而对流体流动产生阻碍作用 流体的这种性质称为黏性 气体黏性的机理与液体不完全相同 当两层气体之间有相对运动时 气体分子间不仅因两层气体相对滑动而产生内摩擦 而且由于气体分子的无序热运动 两层气体之间的分子交换也会产生与内摩擦相同的效果 15 l牛顿内摩擦定律 相邻流体层之间的剪切应力 Pa du dy 相邻流体层接触面处的速度梯度 1 s 流体的动力粘度 Pa S天然气的动力粘度 10 5Pa S的数量级 l运动粘度 单位为m2 s cm2 s 粘度是反映流体流动性好坏的数量指标 16 气体的粘温特性 当压力不太高时 气体粘度随温度升高而增大 随着压力升高 气体性质逐渐接近液体 温度对其粘度的影响也逐渐接近液体 当压力升高到一定限度时 温度升高将导致气体粘度降低 对于甲烷 界限压力大约为10MPa 压力对天然气粘度影响 在相同温度下 压力越高 天然气粘度越大 在输气管道工艺中一般不考虑压力对气体粘度的影响 注意 在输气管道工程中一般不关心天然气粘度 通常取 10 5Pa S 17 三 天然气的比热 specificheat specificheatcapacity l定压比热Cp的定义l定容比热Cv的定义天然气的比热是温度和压力的函数l理想气体 Cp Cv R 注意单位的一致性 l定压过程 dh CpdTl定容过程 du CvdTl比热比 k Cp Cv 对理想气体可称为绝热指数 l容积绝热指数kv温度绝热指数kT 实际气体 天然气比热数量级 与原油相当 18 P1 P2 四 气体的节流效应 Joule Thomsoneffect T1 T2 19 节流 throttling 气体在流动过程中因摩擦导致压力降低的过程 例如气体在管段中的流动 通过调节阀或孔板流量计等阻力元件的过程都属于节流 节流效应 Joule Thomsoneffect 节流引起气体温度变化 对真实气体 当节流前温度不太高时 节流导致气体温度下降 称为正节流效应 致冷效应 当节流前温度超过某界限值 称为节流效应转变温度 与气体组成有关 时 节流导致气体温度升高 称为负节流效应 致热效应 如氢气 氦气 20 节流效应系数 J Tcoefficient 经热力学推导得到 Pr Tr 9 3 0 75 6 75 Di 0 Di 0 Di 0 基于VanderWaals方程的J T效应转变曲线 节流过程中J T系数随压力和温度变化 在计算节流过程温差时 可将其分解为一系列微元节流过程 等焓过程 21 教材 表1 20甲烷节流效应系数Di MPa 输气管道天然气Di近似值 3 MPa 22 气体节流效应上转变温度一般约为临界温度的4 85 6 2倍 且随节流前压力P1变化 甲烷 Tc 191 05K 上转变温度约926 1185K 653 912 当P1 1atm时 天然气中几种非烃类气体的上转变温度 大多数气体 在通常温度压力范围内 节流将导致气体温度降低 正节流效应 节流的热力学特征 绝热 可逆 等焓 等熵 23 p1 T1 p2 T2 v1 w1 v2 w2 流体通过孔板绝热节流过程示意图 能量方程 忽略位能和动能 得到 即 绝热节流过程起 终点状态的比焓相等 绝热节流温差计算 p1 T1 h1 p2 T2 h2 假想等焓过程 24 西气东输管道某分输站 25 西气东输管道某分输站 26 西气东输管道某分输站 27 西气东输管道某分输站 28 3 7湿天然气湿天然气 含有水蒸气的天然气 注意 湿天然气 湿气 的另一种含义 水蒸汽对天然气储运和利用过程的危害 1 析出液态水与天然气中某些组分形成水合物 从而堵塞管道或设备 2 析出液态水与天然气中酸性组分 CO2 H2S 结合形成弱酸性溶液 导致管内壁腐蚀 3 若析出液态水量大 管道中可能出现段塞流 4 水蒸气将使湿天然气热值降低 29 含水量 在湿天然气中 标准单位体积干气分摊到的水蒸气质量称为含水量 单位 g Nm3 mg Nm3 国外统计数据 气田井口天然气 6 8g Sm3管输天然气 96 128mg Sm3 天然气含水指标 含水量绝对湿度相对湿度水露点 30 绝对湿度 单位体积湿天然气所含水蒸气质量 单位 g m3 mg m3 对应实际状态的体积 相对湿度 天然气的实际绝对湿度与同温度下水蒸气饱和状态的绝对湿度之比 水蒸气饱和程度的度量 水蒸气饱和状态 天然气中水蒸气分压刚好等于天然气温度下水的饱和蒸气压 31 水 露点 dewpoint 在任一给定压力下 湿天然气中的水蒸气分压必然等于某温度下水的饱和蒸气压 该温度称为湿天然气在给定压力下的 水 露点 通俗表达 在给定压力下 天然气析出第一滴液态水时的温度 烃露点 在一定压力下 天然气析出第一滴液态烃时的温度 Pw0 T Pw Td 32 输气管道的天然气露点控制 防止天然气储运和利用过程中析出液态水 烃 输气管道工程设计规范 GB50251 2003管输天然气在最高输送压力下的水露点至少比管道周围最低环境温度低5 而烃露点不得高于最低环境温度 GB50251 2003原文3 1 2进入输气管道的气体必须清除机械杂质 水露点应比 输送条件下 最低环境温度低5 烃露点应低于最低环境温度 气体中硫化氢含量不应大于20mg m3 33 34 3 8管输天然气的气质要求管输 商品天然气 长输管道输送的天然气 pipelinegas制定气质要求的目的 输气管道线路 设备及用气设施安全 可靠 高效运行 天然气的燃烧产物满足环保要求 主要控制指标 水露点 烃露点硫化氢 有机硫 总硫二氧化碳固体杂质液体杂质 35 GB17820 2012 天然气 1范围本标准规定了天然气的技术要求 试验方法和检验规则 本标准适用于经过处理的通过管道输送的商品天然气 3产品分类和技术要求 强制性条款 3 1天然气按高位发热量 总硫 硫化氢和二氧化碳含量分为一类 二类和三类 3 2天然气的技术指标应符合表1的规定 3 3作为民用燃料的天然气 总硫和硫化氢含量应符合一类气