输气管道热力计算PPT课件.ppt

1 第八章输气管道热力计算 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 2 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 3 由于x 0时 T TQ 所以 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 4 2 若不考虑节流效应 则得到苏霍夫公式 3 若考虑压力沿管长为近似线性分布 即 则 温降变化示意图 1 输油管 2 输气管道 5 第二节输气管道的平均温度 输气管道的平均温度由此得到温降公式 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作为计算温度 6 第三节总传热系数 对埋地管道 其传热过程由三部分组成 即气体至管壁的放热 罐壁 绝缘层 防护层等N层的传热 管道至土壤的放热 7 第四节天然气水合物及生成预测 天然气水合物为何物 8 天然气水合物结构与物性 CH4 5 99 0 07 H2O1 9to9 7MPaand263to285K 天然气水合物的密度接近并稍低于冰的密度 剪切系数 电介常数和热传导率均低于冰 天然气水合物的声波传播速度明显高于含气沉积物和饱和水沉积物 中子孔隙度低于饱和水沉积物 天然气水合物的毛细管孔隙压力较高 这些差别是物探方法识别天然气水合物的理论基础 9 包合物之一 气体水合物 水 水 氢键 hydrogenbond 水分子 笼子 cavity 气体分子 CH4 C2H4 C2H6 C3H8 Ne Ar Kr Xe N2 H2S CO2 外观为类冰晶体非化学计量的包合物 clathrate 10 气体水合物的类型 11 12 气体水合物的储气性质 储气能力 160atm钢瓶 110kg甲烷 m3水合物 1m3水合物 0 8m3水 164Nm3天然气 13 气体水合物的相平衡性质 14 气水合物的研究历史简述 1810年HumphrgDavy伦敦皇家研究院首次合成氯气水合物 气水合物 GasHydrate 一词最早出现在Davy次年所著的书中 1832年Faraday在实验室合成氯气水合物Cl2 10H2O 并对水合物的性质作了较系统的描述 其后陆续在实验室合成了Br2 SO2 CO2 H2S等的气水合物 著名的Debray规则 在给定温度下 所有可分解成固体和气体的固态物质都有一个确定的分解压力 其随温度变化 1884年Roozeboom提出了天然气水合物形成的相理论 15 气水合物的研究历史简述 不久 Villard在实验室合成了CH4 C2H6 C2H4 C2H2等的水合物 1919年 Scheffer和Meijer建立了一种新的动力学理论方法来直接分析天然气水合物 他们应用Clausius Clapeyron方程建立三相平衡曲线 来推测水合物的组成 1942年 Carson和Katz年研究了气水合物和富烃流体存在下的四相平衡 50年代曾用X射线晶体结构分析的方法研究了水合物的结构 近年来用中子图示法做了研究 给出了水合物结构更完整的概念 补充了X射线分析中关于水晶格中氢原子排列的资料 16 天然气水合物形成的地理地质条件 三个基本条件 低温 10 高压 天然气气源 水 高纬度地区的永久冻土带 海底水深300 500m以下 由温度决定 主要附存于陆坡 岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中 也可以散布于洋底以颗粒状出现 从大地构造角度来讲 天然气水合物主要分布在聚合大陆边缘大陆坡 被动大陆边缘大陆坡 海山 内陆海及边缘海深水盆地和海底扩张盆地等构造单元内 据估计 陆地上20 7 和大洋底90 的地区 具有形成天然气水合物的有利条件 绝大部分的天然气水合物分布在海洋里 其资源量是陆地上的100倍以上 17 自然界中天然气水合物的发现 1934年前苏联在天然气输气管道里发现了天然气水合物 由于水合物的形成 输气管道被堵塞 这一发现引起前苏联对天然气水合物的重视 1965年前苏联首次在西西伯利亚永久冻土带发现天然气水合物矿藏 并引起多国科学家的注意 1970年前苏联开始对天然气水合物矿床进行商业开采 1971年美国学者Stoll等人在深海钻探岩心中首次发现海洋天然气水合物 并正式提出 天然气水合物 概念 1974年 前苏联在黑海1950米水深处发现了天然气水合物的冰状晶体样品 1979年 国际深海钻探计划 DSDP 第66和67航次在墨西哥湾实施深海钻探 从海底获得91 24米的天然气水合物岩心 首次验证了海底天然气水合物矿藏的存在 18 自然界中天然气水合物的发现 1981年 DSDP计划利用 格罗玛 挑战者号 钻探船也从海底取上了3英尺长的水合物岩心 1992年 大洋钻探计划 ODP 第146航次在美国俄勒冈州西部大陆边缘Cascadia海台取得了天然气水合物岩心 1995年 ODP第164航次在美国东部海域布莱克海台实施了一系列深海钻探 取得了大量水合物岩心 首次证明该矿藏具有商业开发价值 到1997年 DSDP和ODP在10个深海地区发现了大规模天然气水合物 秘鲁海沟陆坡 中美洲海沟陆坡 哥斯达黎加 危地马拉 墨西哥 美国东南大西洋海域 美洲西部太平洋海域 日本的两个海域 阿拉斯加近海和墨西哥湾等海域 1998年 日本与加拿大合作 在加拿大西北Mackenzie三角洲进行了水合物钻探 在890 952米深处获得37米水合物岩心 该钻井深1150米 是高纬度地区永冻土带研究气体水合物的第一口井 19 自然界中天然气水合物的发现 1999年 日本在其静冈县御前崎近海挖掘出天然气水合物 2004年 中德首次发现了我国南海天然气水合物气体 冷泉 喷溢形成的巨型碳酸盐岩 证实了该工作海域陆坡浅表层存在天然气水合物 此次考察还通过海底电视观测和海底电视监视抓斗取样 首次发现了自生碳酸盐岩分布面积约430万平方公里的巨大区域 到目前为止 在世界海域内已有60处直接或间接发现了天然气水合物 其中在18处钻探岩心中见到天然气水合物 42处见有天然气水合物的地震标志BSR 20 天然气水合物的调查和研究意义 涉及领域 能源工业 地球科学包括 新一代能源的探查开发 天然气运输 油气管道堵塞 温室效应 全球碳循环和气候变化 古海洋 海洋地质灾害等 有可能对能源工业 环境科学和地质学的发展产生深刻的影响 21 天然气水合物开发的利和弊 利 美国地质调查局经过多年调查研究认为 按保守估计 全世界以天然气水合物形式存在的碳总量是地球上已知化石燃料中碳含量的2倍 谁掌握天然气水合物的开采技术 谁就可以执21世纪世界能源之牛耳 天然气水合物的开发利用可能改变世界能源结构和对中东石油的重要性产生极大的影响 日本和印度在其领海中发现大量的天然气水合物的矿藏 具有重大的地缘政治意义 这两个国家已在大张旗鼓地研究开发和利用天然气水合物 22 天然气水合物开发的利和弊 可能出现的危害 影响海底稳定性 天然气水合物在一定的压力和低温条件下是稳定的 如果压力减小或温度增加就可能造成天然气水合物的离解 从而造成地质灾害 井喷 海底塌陷和沿岸滑坡等 可能对海洋生态也有巨大的影响 对气候的影响 据测算 甲烷的全球变暖的潜能在20年期间内是二氧化碳的56倍 开采天然气水合物将有大量的甲烷气体向大气中释放 这将对气候产生很大的影响 23 天然气水合物的调查和识别方法 调查技术手段 地震地球物理探查 电磁探测 流体地球化学探查 海底微地貌勘测 海底视象探查 海底热流探查 海底地质取样 深海钻探等 但这些技术手段都不够成熟 有待进一步探索和完善 识别方法 直接识别 如底质沉积物取样 钻探取样和深潜考察等 间接识别 拟海底反射层 BSR 速度和震幅异常结构 地球化学异常 多波速测探与海底电视摄像等 24 天然气水合物的资源评价 要评价某海域天然气水合物的资源量 至少需要知道两个参数 该海域天然气水合物矿藏的体积和富集率 或孔隙充填率 通过多道地震的BSR及速度 振幅异常结构分析技术 海底取样和深海钻探技术 可以获得天然气水合物矿藏的分布 深度 厚度 产状 并可计算出体积 通过多道地震 测井 垂直地震速度等方法 可以估算出天然气水合物的富集率 25 天然气水合物的开采方法 开采方法 目前主要有热激化法 减压法和注入剂法三种 开发的最大技术难点 保证井底稳定 使甲烷气不泄漏 不引发温室效应 日益增多的研究成果表明 由自然或人为因素所引起的温度压力变化 均可使水合物分解 造成海底滑坡 生物灭亡和气候变暖等环境灾害 26 夹杂着白色颗粒状 可燃冰 的海底沉积物放入水中随即冒出大量气泡 27 这是夹杂着白色颗粒状 可燃冰 的海底沉积物 28 可燃冰 释放的气体能够在空气中燃烧 资料照片 29 30 天然气水合物资源量 天然气水合物中的碳量 1 1013吨相当于已探明所有化石能源碳量总和的2倍 31 目前最大的国际合作项目参与国 加拿大 日本 德国 美国 印度研究 天然气水合物性质天然气水合物的开采技术对全球气侯变化的影响大陆的稳定性 32 可能的用途 天然气储运 33 天然气储运的原理 34 可能的用途 气体分离 35 气体分离的原理 36 天然气水合物生成条件预测 1 形成条件主要条件 1 天然气必须处于或低于水汽的露点 出现 自由水 2 适当的压力 即水蒸气的分压等于或超过在水合物体系中与天然气的温度所对应的水的饱和蒸汽压 3 适当的温度 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 次要条件 4 高流速 气流扰动或压力脉动 5 出现小的水合物晶种 6 含有硫化氢或二氧化碳 37 水合物生成装置图 38 水合物分解流程 39 40 天然气形成水合物有一个临界温度 也是水合物存在的最高温度 若超过这个温度 再高的压力也不能生成水合物 天然气在输气管道中流动 其温度压力都是在变化的 可能会生成水合物 41 2 水合物形成条件预测1 经验图解法 通过长期的实践或实验的方法 找到了不同相对密度的天然气生成水合物的条件 并把它绘制成图 图中曲线为形成水合物的压力 温度曲线 曲线上方为水合物的形成区 曲线下方为不存在区 根据该图可以大致确定水合物形成的压力和温度 但对含H2S的天然气误差较大 不宜使用 42 2 相平衡常数法 基于气 固平衡常数来估计天然气水合物生成条件的方法 在给定的压力下 水合物形