输气管道设计第三章

1、 3.3 3.3 天然气体积计量的标准状态天然气体积计量的标准状态 标准状态：标准状态：用来计量气体体积的特定压力和温度。用来计量气体体积的特定压力和温度。 标准体积：标准体积：在标准状态下计量的气体体积。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。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中国石油行业标准状态: p0=101325Pa , t=20 美国石油行业标准状态美国石油行业标准状态: p0=101325Pa, t=60 (15.6) ISO标

2、准状态标准状态: p0=101325Pa, t=15 标准立方米（标方）标准立方米（标方）：Nm3（Sm3），现在改为），现在改为 m3。 注意：注意：物理标准大气压与工程标准大气压的区别物理标准大气压与工程标准大气压的区别3.3.4 4 天然气组成的表示方法天然气组成的表示方法体积分数体积分数y yi i : : 各组分的分体积在天然气总体积中的比例。各组分的分体积在天然气总体积中的比例。分体积分体积: : 对一个对一个混合气体体系，在与混合气体温度、压力相同混合气体体系，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。的条件下，其中每种气体组分单独存在时具有的体积

3、。分压分压: : 对对一个混合气体体系，在与混合气体温度、体积相同的一个混合气体体系，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。条件下，其中每种气体组分单独存在时具有的压力。摩尔分数摩尔分数y yi i : : 各组分的摩尔数在天然气总摩尔数中的比例。工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。程上有时近似地将天然气的体积分数等同于摩尔分数。摩尔摩尔: : 物质的质量单位，物质的质量单位，1 1摩尔某种纯物质的质量在数量上等于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。该物质的分子量，而质量的

4、单位为克。质量分数质量分数: : 各组分的质量在天然气总质量中的比例。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天然气组成测定方法: : 普遍采用气相色谱法普遍采用气相色谱法(chromatogram)(chromatogram)。天然气组成测定方法天然气组成测定方法: 普遍采用气相色谱法普遍采用气相色谱法(chromatogram) 。气相色谱仪气相色谱仪 Gas Chromatograph3.3.5 5 气体状态方程与混合气体定律气体状态方程与混合气体定律l l 状态方程：状态方程：EOS（Equation of State），），PVT方程方程 一、理想气体状态方程一、理想气

5、体状态方程 pvm=RmT pVm=mRmT pv=RT pV=nRT p 气体绝对压力气体绝对压力,Pa,Pa T气体绝对温度气体绝对温度, K vm 气体摩尔比容气体摩尔比容, m3/kmol v 气体比容气体比容, m3/kg Vm m千摩尔（千摩尔（kmol）气体的体积）气体的体积, m3 V n 千克（千克（kg）气体的体积）气体的体积, m3 m 气体摩尔数气体摩尔数, kmol n 气体质量气体质量, kg Rm=8.314 (kJ /kmol . K) 通用气体常数通用气体常数 R=Rm /M (kJ /kg . K) 气体常数气体常数, M为气体分子量为气体分子量 理想气体?

6、二、理想气体混合定律二、理想气体混合定律分压定律分压定律pj / p = mj /m p =pj分体积定律分体积定律Vj / V= mj /m V=Vj为什么可以近似认为气体的体积分数等于摩尔分数？为什么可以近似认为气体的体积分数等于摩尔分数？三、真实气体状态方程三、真实气体状态方程 1、带压缩因子的真实气体状态方程、带压缩因子的真实气体状态方程 Compressibility factor / Supercompressibility factor: Z = Vactual / Videal pVm /Z= mRmT pVm =Z(mRmT)真实气体的真实气体的Z值取决于其化学组成、温度与压

7、力。对于只含微量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，就可以利用可以利用Standing-Katz 通用压缩因子图通用压缩因子图确定其在不同温度与压确定其在不同温度与压力下的力下的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缩因子图确定的Z 值进行修正。值进行修正。 对比温度对比温度(reduced temperature): Tr=T/Tc ,对比压力对比压力(reduced pressure): pr=p/ pc临

8、界温度临界温度(critical temperature): 气体通过加压可以被液化的最高温度。气体通过加压可以被液化的最高温度。临界压力临界压力(critical pressure) : 对应临界温度的饱和蒸汽压。对应临界温度的饱和蒸汽压。 甲烷甲烷: Tc =-82, pc = 4.64MPa混合气体临界参数：视混合气体临界参数：视/假临界参数假临界参数 pseudo critical parameters视临界参数的计算：视临界参数的计算：Kay（凯）规则。将混合气体中各组分的（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临界参数按其摩尔分数或体积分数作线性加权。作线性加

9、权。对应状态原理对应状态原理: F(pr , Tr , vr)=0 (5)将将(5)(5)代入代入(4)(4)得到得到: : Z=f (pr , Tr ) (6)Standing-Katz 通用压缩因子图通用压缩因子图(适用于烃类气体适用于烃类气体) 任一状态任一状态: pv=ZRT临界状态临界状态: pcvc=ZcRTc(1)(2)(1)(2)得到：得到：prvr=ZTr/Zc (3)同一类物质：同一类物质：Zcconst于是有于是有: Z=g(pr , Tr , vr) (4)分析：对应给定的分析：对应给定的T Tr r，随着随着P Pr r增大，增大，Z Z的变化的变化趋势？趋势？Why

10、?确定压缩因子确定压缩因子Z Z的另外三种方法的另外三种方法 真实气体状态方程：真实气体状态方程： 经验公式经验公式 CNGACNGA公式公式(California Natural Gas Association)(California Natural Gas Association)pp绝对压力，绝对压力，Pa Pa TT绝对温度，绝对温度，K K适用范围适用范围: * *= 0.55= 0.550.70.7（相对密度）（相对密度） p = 0 p = 01000psi1000psi（0 068.9468.94 10105 5Pa)Pa) T = 272.2 T = 272.2333.3K3

11、33.3K AGA 8-92DC 计算模型计算模型 AGA: American Gas Association RTpvZ 825. 3785. 1*10172. 511TpZ 2、不带压缩因子的真实气体状态方程、不带压缩因子的真实气体状态方程lVan der Waals 方程方程 lR-K方程方程lS-R-K方程方程lP-R方程方程lB-W-R方程方程lB-W-R-S方程方程 （1970年，最精确）年，最精确）11个参数：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利用这些状态方程，可以根据真实气体的温

12、度和压力求出其比容，进而可进一步求出相应的压缩因子。出其比容，进而可进一步求出相应的压缩因子。RTbvvapmm)(2一、密度与相对密度一、密度与相对密度密度密度(density)：取决于温度与压力。在物理标准状态下：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，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。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甲烷：在物理标准状态下密度为0.7143 kg/m3

13、标准状态下天然气密度一般小于但又比较接近于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 3.6 天然气的基本物性及其计算天然气的基本物性及其计算相对密度相对密度(specific density) ： 在相同温度、压力下，天然气与在相同温度、压力下，天然气与干空气干空气的密度比。的密度比。 标准状态下的相对密度。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。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

14、估算天然气物性参数，例如：因此，工程上通常根据相对密度估算天然气物性参数，例如： 估算压缩因子的估算压缩因子的CNGA公式公式 确定天然气水合物形成温度确定天然气水合物形成温度 甲烷：甲烷：P=101325Pa，t=0，* =0.7143/1.2931=0.5524 气田天然气：气田天然气：0.580.58 0.620.62 石油伴生气：石油伴生气：0.70.7 0.850.85二、天然气的粘度二、天然气的粘度(viscosity黏度黏度)流体的黏性：流体的黏性：在流体流动过程中，相邻两个流体层的速度不在流体流动过程中，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

15、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流体流动产生阻碍作用，流体的这种性质称为黏黏性。性。气体黏性的机理与液体不完全相同。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，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。也会产生与内摩擦相同的效果。 l l 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 ：相邻流体层之间的剪切应力相邻流体层之间的剪

16、切应力, ,P Pa a ；du/dy: 相邻流体层接触面处的速度梯度相邻流体层接触面处的速度梯度, 1/s：流体的：流体的动力粘度动力粘度，PaS天然气的动力粘度：天然气的动力粘度：10-5 PaS的数量级的数量级。 l l 运动粘度运动粘度: =/, 单位为单位为m2/s (cm2/s)粘度是反映流体流动性好坏的数量指标。粘度是反映流体流动性好坏的数量指标。 dydu气体的粘温特性气体的粘温特性: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

17、近液体。当压力升高到一定限度时，温度升高将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，界限压力大约为导致气体粘度降低。对于甲烷，界限压力大约为10MPa10MPa 。压力对天然气粘度影响：压力对天然气粘度影响：在相同温度下，压力越高，天然气粘在相同温度下，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。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。注意注意: 在输气管道工程中一般不关心天然气粘度，通常取在输气管道工程中一般不关心天然气粘度，通常取 = 1010-5-5 Pa.S Pa.S三、天然气的比热（三、天然气的比热

18、（specific heat，specific heat capacity）l l 定压比热定压比热Cp的定义的定义l l 定容比热定容比热Cv的定义的定义l 天然气的比热是温度和压力的函数天然气的比热是温度和压力的函数l l 理想气体：理想气体：C Cp p- C- Cv v=R=R （注意单位的一致性）（注意单位的一致性）l l 定压过程：定压过程：dh=dh= C Cp pdTdTl l 定容过程：定容过程：du=du= C Cv vdTdTl l 比热比：比热比：k k= C= Cp p/C/Cv v（对理想气体可称为绝热指数）（对理想气体可称为绝热指数）l l 容积绝热指数容积绝热指

19、数kv l 温度绝热指数温度绝热指数kT constPvvkconstPTTTkk1实际气体天然气比热数量级？与原油相当天然气比热数量级？与原油相当P1P2四、气体的节流效应（四、气体的节流效应（Joule-Thomson effect）T1T2节流节流(throttling)：气体在流动过程中因摩擦导致压力降低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。量计等阻力元件的过程都属于节流。节流效应节流效应(Joule-Thomson effect): 节流引起气体温度变化。节

20、流引起气体温度变化。 对对真实气体真实气体，当节流前温度不太高时，节流导致气体，当节流前温度不太高时，节流导致气体温度下降，称为正节流效应温度下降，称为正节流效应（致冷效应）（致冷效应）。当节流前温度。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）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，称为负节流效应时，节流导致气体温度升高，称为负节流效应（致热效应，（致热效应，如氢气，氦气）如氢气，氦气）。节流效应系数（节流效应系数（J-T coefficient）: 经热力学推导得到：经热力学推导得到：hiPTD112TpiPTPTCD)(1vTvT

21、CDppiPrTr930.756.75Di0Di=0基于基于Van der Waals方程的方程的J-T效应转变曲线效应转变曲线 节流过程中节流过程中J-T系数系数随压力和温度变化。随压力和温度变化。在计算节流过程温差在计算节流过程温差时，可将时，可将其分解为一其分解为一系列微元节流过程。系列微元节流过程。等焓过程等焓过程（教材）表（教材）表1-20 1-20 甲烷节流效应系数甲烷节流效应系数D Di i (/MPa)(/MPa) P1 (bar)T1 ()-50-2502550751000.987.045.714.894.183.573.062.655.106.735.614.794.083

22、.473.062.6525.306.025.104.383.673.162.652.3550.505.204.593.873.372.862.452.14101.014.183.673.262.752.552.141.94输气管道输气管道天然气天然气Di近似值：近似值：3/MPa3/MPa 气体气体节流效应节流效应上转变温度上转变温度一般约为临界温度的一般约为临界温度的4.854.856.26.2倍，倍，且随节流前压力且随节流前压力P P1 1变化。变化。 甲烷甲烷: T: Tc c=191.05K,=191.05K,上转变温度约上转变温度约926926 1185K1185K（653653 9

23、12 912 ) 当当P P1 1=1atm=1atm时，天然气中几种非烃类气体的时，天然气中几种非烃类气体的上转变温度：上转变温度： 大多数气体：大多数气体：在通常温度压力范围内，节流将导致气体温在通常温度压力范围内，节流将导致气体温度降低（度降低（正节流效应正节流效应）。）。 节流的热力学特征：节流的热力学特征：绝热？可逆？等焓？等熵？绝热？可逆？等焓？等熵？气体HeH2N2O2CO2H2O温度K 33.6216865104020504370p1,T1p2,T2v1,w1v2,w2流体通过孔板流体通过孔板绝热节流绝热节流过程示意图过程示意图22222222211111wgzpuwgzpu能

24、量方程能量方程:忽略位能和动能，得到忽略位能和动能，得到:222111pupu即：即：21hh 绝热节流过程起、绝热节流过程起、终点状态的比焓相等。终点状态的比焓相等。绝热节流温差计算绝热节流温差计算（p1, T1, h1）（p2, T2, h2）假想等焓过程：假想等焓过程： dppTdpDTTTpphppi2121)(12西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站西气东输管道某分输站 3.3.7 7 湿天然气湿天然气湿天然气：湿天然气：含有水蒸气的天然气。含有水蒸气的天然气。注意注意: 湿天然气

25、湿天然气(湿气湿气)的另一种含义。的另一种含义。水蒸汽对天然气储运和利用过程的危害：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）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；堵塞管道或设备； （2）析出液态水与天然气中酸性组分（）析出液态水与天然气中酸性组分（ CO2，H2S）结）结合形成弱酸性溶液，导致管内壁腐蚀；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；）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。）水蒸气将使湿天然气热值降低。含水量：含水量：在湿天然气中，在

26、湿天然气中，标准单位体积干气分摊到标准单位体积干气分摊到的水蒸气质量称为含水量。的水蒸气质量称为含水量。单位：单位：g/Nm3，mg/ Nm3。国外统计数据：国外统计数据：l 气田井口天然气气田井口天然气: 6 8 g/ Sm3l 管输天然气管输天然气 96 128 mg/ Sm3天然气含水指标天然气含水指标l含水量含水量l绝对湿度绝对湿度l相对湿度相对湿度l水露点水露点绝对湿度：绝对湿度：单位体积湿天然气所含水蒸气质量。单位体积湿天然气所含水蒸气质量。单位：单位：g/m3，mg/m3。（对应实际状态的体积）（对应实际状态的体积）相对湿度：相对湿度：天然气的天然气的 实际绝对湿度与同温度下水蒸

27、气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。饱和状态的绝对湿度之比。（水蒸气饱和程度的度量）（水蒸气饱和程度的度量）水蒸气饱和状态：水蒸气饱和状态：天然气中水蒸气分压刚好等于天然气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。温度下水的饱和蒸气压。（水）露点（水）露点(dew point)：在任一给定压力下，湿天然气中的水在任一给定压力下，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。然气在给定压力下的（水）露点。通俗表达：通俗表达：在给定压力下，天然气析出第一滴液态水时

28、的温度。在给定压力下，天然气析出第一滴液态水时的温度。烃露点：烃露点：在一定压力下，天然气析出第一滴液态烃时的温度。在一定压力下，天然气析出第一滴液态烃时的温度。Pw0TPwTd输气管道的天然气露点控制：输气管道的天然气露点控制：防止天然气储运和利用过程防止天然气储运和利用过程中析出液态水（烃）。中析出液态水（烃）。输气管道工程设计规范输气管道工程设计规范GB 50251-2003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低环境温度低5，而烃露点不得高于最低环境温度。，而烃露点不得高于最低环境温度。GB 50251-2003

29、原文原文 3.1.2 进入输气管道的气体必须清除机械杂质进入输气管道的气体必须清除机械杂质;水露点应比水露点应比？输送条件下输送条件下？最低环境温度低最低环境温度低5，烃露点应低于最低，烃露点应低于最低环境温度；气体中硫化氢含量不应大于环境温度；气体中硫化氢含量不应大于20mg/m3。 3.3.8 8 管输天然气的气质要求管输天然气的气质要求l管输管输/商品天然气商品天然气: 长输管道输送的天然气。长输管道输送的天然气。 pipeline gasl制定气质要求的目的：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。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。天然气的燃烧产物满足环保要求。l 主要控制指标：主要控制指标：水露点水露点、 烃露点烃露点 硫化氢硫化氢、 有机硫有机硫 、 总硫总硫 二氧化碳二氧化碳 固体杂质固体杂质 液体杂质液体杂质 GB 17820-2012 天然气天然气 1 范围范围 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。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