第四章管道熱力計(jì)算課件

連續(xù)性方程運(yùn)動(dòng)方程能量方程第四章輸氣管道熱力計(jì)算氣體一元流動(dòng)基本方程連續(xù)性方程運(yùn)動(dòng)方程能量方程第四章輸氣管道熱力計(jì)算氣體一元14.1氣體一元流動(dòng)的能量方程能量方程的基礎(chǔ)是能量守恒定律，能量既不能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量總量保持不變。ⅡⅡⅠⅠ系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化?E——控制體與外界的熱交換?Q——流動(dòng)凈功和流入的凈能量?A

4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程能量方程的基礎(chǔ)是能量守恒定律2控制體的儲(chǔ)存能在時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)存能變化4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ1、在時(shí)間dτ內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)能的變化控制體的儲(chǔ)存能在時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)存能變化4.1氣體一元流34.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制面上的流動(dòng)凈功和流入的能量Ⅰ截面上對控制體做動(dòng)和流入的能量Ⅱ截面上對外做功和流出的能量4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制44.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制面上的流動(dòng)凈功和流入的能量兩者之差即進(jìn)入控制體的流動(dòng)靜功和能量4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制54.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ3、時(shí)間dτ內(nèi)的熱交換單位質(zhì)量流量氣體在單位管長上的熱交換率管長dx上單位時(shí)間的熱交換為則在dτ時(shí)間內(nèi)從長度dx管段上熱損失為4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ3、時(shí)間dτ內(nèi)的熱交64.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ74.1氣體一元流動(dòng)的能量方程對于穩(wěn)定流動(dòng)Q——單位質(zhì)量氣體向外界放出的熱量，J/kg；4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程對于穩(wěn)定流動(dòng)Q——單位質(zhì)量84.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ94.2輸氣管道熱力計(jì)算天然氣沿管道輸送過程中，除流速和壓力變化外，溫度也發(fā)生改變；溫度變化影響氣體的熱物性和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而影響氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；天然氣管道沿線溫度變化較大時(shí)，需要進(jìn)行熱力計(jì)算；可用于預(yù)測水合物生成，為管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)，絕緣層設(shè)計(jì)提供依據(jù)。選擇微元管段4.2輸氣管道熱力計(jì)算天然氣沿管道輸送過程中，除流速和壓10能量方程：4.2輸氣管道熱力計(jì)算ⅡⅡⅠⅠ忽略流速變化和高差影響：能量方程：4.2輸氣管道熱力計(jì)算ⅡⅡⅠⅠ忽略流速變化和114.2輸氣管道熱力計(jì)算4.2輸氣管道熱力計(jì)算124.2輸氣管道熱力計(jì)算4.2輸氣管道熱力計(jì)算134.2輸氣管道熱力計(jì)算4.2輸氣管道熱力計(jì)算144.2輸氣管道熱力計(jì)算除以為一階非齊次線性微分方程，其通解為當(dāng)x=0時(shí)，T=TQ，代入上式可求得積分常數(shù)C4.2輸氣管道熱力計(jì)算除以為一階非齊次線性微分方程，其15質(zhì)量流量，kg/s起點(diǎn)溫度，K距起點(diǎn)Xm處溫度，K氣體壓力，Pa內(nèi)徑，m氣體質(zhì)量定壓熱容，J/kg·K總傳熱系數(shù)，W/m2·K管道埋深處地溫，K距起點(diǎn)距離，m焦耳湯姆遜系數(shù)，K/Pa壓力梯度，Pa/m4.2輸氣管道熱力計(jì)算質(zhì)量流量，kg/s起點(diǎn)溫度，K距起點(diǎn)Xm處溫度，K氣體164.3溫降計(jì)算公式的探討（1）焦耳湯姆遜系數(shù)與氣體的種類、氣體所處的溫度和壓力有關(guān)，一般對于長輸管道，可以去3-5℃/MPa。忽略焦耳湯姆遜系數(shù)影響后，可得：蘇霍夫公式：（2）考慮管道壓力沿管長近似為線性分布：4.3溫降計(jì)算公式的探討（1）焦耳湯姆遜系數(shù)與氣體的種類174.3溫降計(jì)算公式的探討不考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)當(dāng)xTQT0TZT考慮焦耳-湯姆遜效應(yīng)蘇霍夫公式x0TZ4.3溫降計(jì)算公式的探討不考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)考慮焦耳湯18若將T=T0代入距離

x=x0,

即該點(diǎn)后輸氣管的溫度低于周圍介質(zhì)溫度。4.3溫降計(jì)算公式的探討若將T=T0代入距離x=x0,即該點(diǎn)后輸氣管的溫度19xTQT0TZT輸氣管輸油管相同直徑時(shí)，輸氣管溫降比輸油管快得多，溫降曲線陡。4.3溫降計(jì)算公式的探討采用蘇霍夫公式：xTQT0TZT輸氣管輸油管相同直徑時(shí)，輸氣管溫降比輸油管快204.4輸氣管道的平均溫度平均溫度Tcp是輸氣管道水力計(jì)算的主要參數(shù)之一，可按平均溫度計(jì)算或選取天然氣的物性參數(shù)，進(jìn)行水力計(jì)算。4.4輸氣管道的平均溫度平均溫度Tcp是輸氣管道水力計(jì)算214.4輸氣管道的平均溫度周圍介質(zhì)溫度T0愈高，Tcp也愈高，而Tcp愈高，輸氣能力越小。因此，在進(jìn)行管線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將夏季地溫T0作為水力計(jì)算的依據(jù)。考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)不考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)4.4輸氣管道的平均溫度周圍介質(zhì)溫度T0愈高，Tcp也22定義：管道總傳熱系數(shù)K—指介質(zhì)與周圍介質(zhì)溫度差為1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過管道單位傳熱表面所傳遞的熱量。W/m2K表示天然氣至周圍介質(zhì)散熱的強(qiáng)弱，計(jì)算溫降時(shí)，K是關(guān)鍵參數(shù)。對流4.5總傳熱系數(shù)K定義：管道總傳熱系數(shù)K—指介質(zhì)與周圍介質(zhì)溫度差為1℃時(shí)，單位23對流對流4.5總傳熱系數(shù)K對流對流4.5總傳熱系數(shù)K244.5總傳熱系數(shù)K4.5總傳熱系數(shù)K25對流對流介質(zhì)土壤鋼管瀝青絕緣層保溫層4.5總傳熱系數(shù)K對流對流介質(zhì)土壤鋼管瀝青絕緣層保溫層4.5總傳熱系數(shù)K26第四章管道熱力計(jì)算課件274.5總傳熱系數(shù)K4.5總傳熱系數(shù)K28對于無保溫的大直徑管道，如忽略內(nèi)外徑的差值，則4.5總傳熱系數(shù)K對于無保溫的大直徑管道，如忽略內(nèi)外徑的差值，則4.5總傳熱29鋼管防腐絕緣層保溫層管壁導(dǎo)熱鋼管防腐絕緣層保溫30幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.531（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算放熱強(qiáng)度決定于氣體的物理性質(zhì)及流動(dòng)狀態(tài)?？捎忙?與放熱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re和流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)Pr之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示。4.5總傳熱系數(shù)K（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算放熱強(qiáng)度決定于氣32幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.533（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)鋼管保溫層瀝青絕緣層4.5總傳熱系數(shù)K（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)鋼管保溫層瀝青絕緣層4.5總傳熱系數(shù)K34硅酸鋁管硅酸鋁氈硅酸鋁板復(fù)合型高溫保溫管（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)4.5總傳熱系數(shù)K硅酸鋁管硅酸鋁氈硅酸鋁板復(fù)合（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)4.5總傳35鋼管壁熱阻很小，可以忽略；非金屬管材的導(dǎo)熱系數(shù)小，管壁較厚，熱阻相當(dāng)大；6～9mm厚的瀝青絕緣層，熱阻占埋地管道總熱阻的10%～15%；

保溫管道，保溫層的熱阻起決定影響，特別是架空或水下管道；4.5總傳熱系數(shù)K鋼管壁熱阻很小，可以忽略；4.5總傳熱系數(shù)K36幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.537（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)架空管道的管外壁到大氣的放熱為對流與輻射換熱同時(shí)存在的復(fù)合換熱，故對流換熱輻射換熱4.5總傳熱系數(shù)K（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)架空管道的管外壁到大氣的38因有保溫層，一般較小，可取2～5W/m2·℃；可按空氣中的受迫對流計(jì)算，當(dāng)4.5總傳熱系數(shù)K因有保溫層，一般較小，可取2～5W/m2·℃；39幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.540（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)埋地管道的管外壁到土壤的傳熱是主要環(huán)節(jié)。埋深較淺時(shí)，土壤表面對大氣的放熱也有較大的影響。不保溫的埋地管道，當(dāng)管內(nèi)為紊流時(shí)，總傳熱系數(shù)近似為。4.5總傳熱系數(shù)K（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)埋地管道的管外壁到土壤的傳熱41等溫線等溫線42未考慮土壤自然溫度場及土壤表面與大氣熱交換對管道散熱的影響。計(jì)算大口徑淺埋管道時(shí)誤差較大。4.5總傳熱系數(shù)K未考慮土壤自然溫度場及土壤表面與大氣熱交換對管道散熱的影43幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.544（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用埋地不保溫管道的K值主要取決于管道至土壤的放熱系數(shù)，而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)受多種因素的影響，故難以得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)方法確定K值。常采用反算法計(jì)算已正常運(yùn)行的管道的K值，作同類設(shè)計(jì)參考。4.5總傳熱系數(shù)K（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用埋地不保溫管道的451.天然氣水合物(NGH)概念物理性質(zhì)：水合物又稱水化物，白色結(jié)晶，外觀類似壓實(shí)的冰雪。密度0.88-0.90g/cm3，是一種籠形晶格包絡(luò)物。氣體分子被包圍在晶格中，水分子借氫鍵結(jié)合形成籠形結(jié)晶。分子式：M·nH2O，如CH4·6H2O，CH4·7H2O，C2H6·6H2O4.6天然氣水合物1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物461.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物471.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物481.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物現(xiàn)有一種天然氣運(yùn)輸方式---天然氣水合物運(yùn)輸，這方面研究比較多的是挪威、美國。地球上，尤其是海底中，水合物的資源非常多，可用作一種能源。水合物的開采還沒有成熟的方式。

輸氣管道中有水合物形成，會(huì)影響管道的正常運(yùn)行，降低管道輸送效率，甚至堵塞管道。1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物現(xiàn)有一種49第四章管道熱力計(jì)算課件50第四章管道熱力計(jì)算課件51第四章管道熱力計(jì)算課件522.形成水合物的條件4.6天然氣水合物1）足夠的水分（游離水）；（內(nèi)因internalagency）溫度低于水汽的露點(diǎn)溫度，出現(xiàn)“自由水”。沒有自由水，一定不會(huì)生成水合物。

2）適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫?；（?nèi)因internalagency）低溫、高壓條件。

3）氣體處于脈動(dòng)、紊流擾動(dòng)中，并有結(jié)晶中心存在。

（外因intrinsicfactor)2.形成水合物的條件4.6天然氣水合物1）足夠的水分（游離533.輸氣管道中氣體含水量變化c點(diǎn)以后含水量不可能再增大。TPhbWminc

氣體的壓力、溫度、含水率s（距離）daW飽和含水量曲線4.6天然氣水合物a-c，壓力p變化小，溫度t下降快，飽和含水量W也隨之下降。c-d，P壓力下降快，溫度t變化小，飽和含水量W上升。如進(jìn)入輸氣管的氣體未被飽和，例如含水量相當(dāng)于h點(diǎn)，氣體向前流動(dòng)，含水量W并不改變，由于溫度t下降，到b點(diǎn)飽和，b-c

有水析出。3.輸氣管道中氣體含水量變化c點(diǎn)以后含水量不可能再增大。T54欲使輸氣管不具備水分條件，則進(jìn)入氣管的氣體含水量要遠(yuǎn)小于

c點(diǎn)的含水量，如fg直線。ghtpedabWminfc氣體的壓力、溫度和水合物s（距離）W4.6天然氣水合物干線輸送的氣體的露點(diǎn)要低于周圍介質(zhì)最低溫度５度以上。3.輸氣管道中氣體含水量變化欲使輸氣管不具備水分條件，則進(jìn)入氣管的氣體含水量要遠(yuǎn)小于c55曲線左上方為水合物存在區(qū)，右下方為水合物不存在區(qū)。由平衡曲線可知，低溫、高壓易形成水合物。P(MPa)t(0C)水合物存在區(qū)水合物不存在區(qū)甲烷形成水合物的最高溫度稱之為形成水合物臨界溫度。甲烷形成水合物的臨界溫度為21.50C，高于此溫度，任何壓力下也不可能形成水合物。4.6天然氣水合物4.形成水合物的溫度、壓力條件M曲線左上方為水合物存在區(qū)，右下方為水合物不存在區(qū)。P(56MN對應(yīng)于輸氣管壓力分布曲線的水合物形成的溫度曲線。AB輸氣管壓力分布曲線。LpABMNHCDT5.輸氣管道上水合物可能形成區(qū)4.6天然氣水合物MN曲線上的Mm,nN兩段水合物形成溫度低于輸氣管溫度，水合物根本不可能形成。mn段水合物形成溫度高于輸氣管溫度，溫度、壓力條件滿足，但水分條件是否滿足應(yīng)具體分析。mnCD輸氣管溫度分布曲線。MN對應(yīng)于輸氣管壓力分布曲線的水合物形成的溫度曲線。AB輸氣57CpAMLBDNnm1rr1mKfHT4.6天然氣水合物氣體露點(diǎn)為J，低于輸氣管溫度。隨著壓力下降，露點(diǎn)也下降，到K點(diǎn)飽和，K-m段滿足水分條件，但不滿足溫度、壓力條件。5.輸氣管道上水合物可能形成區(qū)r點(diǎn)等于氣體露點(diǎn)，滿足壓力、溫度條件，再次生成水合物，露點(diǎn)下降為r1。m點(diǎn)滿足壓力、溫度和水分條件，有水合物生成，露點(diǎn)下降為m1。f點(diǎn)后，氣體由于水的析出而不飽和，始終保持最小含水量Wmin到終點(diǎn)，形成水合物條件不具備。JCpAMLBDNnm1rr1mKfHT4.6天然氣水合物氣586.水合物生成預(yù)測4.6天然氣水合物曲線上方為水合物形成區(qū)，下方為不存在區(qū)。壓力越高，溫度越低，越易形成水合物。天然氣中若含有H2S，則誤差較大，不宜使用。相對密度在兩條曲線之間，可以通過插值近似計(jì)算。也可通過公式，計(jì)算水合物生成所需要的壓力條件。6.水合物生成預(yù)測4.6天然氣水合物曲線上方為水合物形成594.6天然氣水合物１）加熱防止水合物生成，排除已生成水合物的有效方法之一。該方法能量消耗大，且提高輸送溫度導(dǎo)致輸氣量下降，一般不適用于干線輸氣管道中。在配氣站、集氣站等場所，經(jīng)常大幅度對天然氣進(jìn)行節(jié)流降壓，由于焦耳湯姆遜效應(yīng)，氣體溫度下降，為了防止節(jié)流閥、孔板等發(fā)生凍結(jié)，常采用加熱氣體的方式防止水合物生成。7.防止水合物形成方法2134用加熱的方法防止生成和排除已生成的水合物1-壓降曲線;2-加熱后的溫降曲線;3-生成水合物溫度曲線;4-溫降曲線

4.6天然氣水合物１）加熱7.防止水合物形成方法213604.6天然氣水合物2）降壓降低天然氣壓力，使生成水合物溫度曲線下降，從而解決水合物冰堵。該方法也可用于排除在輸氣管道中已形成的水合物，其途徑就是通過放空管放空。但需在環(huán)境溫度高于0℃以上條件進(jìn)行，否則水合物分解后可能轉(zhuǎn)化為冰塞。當(dāng)干線輸氣管的最低溫度可能接近０度時(shí)，相應(yīng)的水合物形成壓力范圍在1-1.5MPa，但輸氣管上最優(yōu)輸送壓力在5.0-7.0MPa，所以降壓無效。7.防止水合物形成方法1341-壓降曲線;2-降壓后的壓降曲線;3-生成水合物溫度曲線;4-溫降曲線；5降壓后的生成水合物溫度曲線

254.6天然氣水合物2）降壓7.防止水合物形成方法13614.6天然氣水合物3）干燥防止天然氣在輸氣管道中生成水合物最根本的辦法就是干燥天然氣，脫去其中的水分，降低其露點(diǎn)。7.防止水合物形成方法1341-壓降曲線;2-降壓后的壓降曲線;3-生成水合物溫度曲線;4-溫降曲線；5降壓后的生成水合物溫度曲線

254）添加抑制劑抑制劑主要是醇類，包括甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇等。氯化鈣和氨也可以作為抑制劑。4.6天然氣水合物3）干燥7.防止水合物形成方法1362連續(xù)性方程運(yùn)動(dòng)方程能量方程第四章輸氣管道熱力計(jì)算氣體一元流動(dòng)基本方程連續(xù)性方程運(yùn)動(dòng)方程能量方程第四章輸氣管道熱力計(jì)算氣體一元634.1氣體一元流動(dòng)的能量方程能量方程的基礎(chǔ)是能量守恒定律，能量既不能被創(chuàng)造，也不可能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)換中能量總量保持不變。ⅡⅡⅠⅠ系統(tǒng)儲(chǔ)存能的變化?E——控制體與外界的熱交換?Q——流動(dòng)凈功和流入的凈能量?A

4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程能量方程的基礎(chǔ)是能量守恒定律64控制體的儲(chǔ)存能在時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)存能變化4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ1、在時(shí)間dτ內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)能的變化控制體的儲(chǔ)存能在時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)存能變化4.1氣體一元流654.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制面上的流動(dòng)凈功和流入的能量Ⅰ截面上對控制體做動(dòng)和流入的能量Ⅱ截面上對外做功和流出的能量4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制664.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制面上的流動(dòng)凈功和流入的能量兩者之差即進(jìn)入控制體的流動(dòng)靜功和能量4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ2、在時(shí)間dτ內(nèi)控制674.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ3、時(shí)間dτ內(nèi)的熱交換單位質(zhì)量流量氣體在單位管長上的熱交換率管長dx上單位時(shí)間的熱交換為則在dτ時(shí)間內(nèi)從長度dx管段上熱損失為4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ3、時(shí)間dτ內(nèi)的熱交684.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ694.1氣體一元流動(dòng)的能量方程對于穩(wěn)定流動(dòng)Q——單位質(zhì)量氣體向外界放出的熱量，J/kg；4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程對于穩(wěn)定流動(dòng)Q——單位質(zhì)量704.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ4.1氣體一元流動(dòng)的能量方程ⅡⅡⅠⅠ714.2輸氣管道熱力計(jì)算天然氣沿管道輸送過程中，除流速和壓力變化外，溫度也發(fā)生改變；溫度變化影響氣體的熱物性和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而影響氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；天然氣管道沿線溫度變化較大時(shí)，需要進(jìn)行熱力計(jì)算；可用于預(yù)測水合物生成，為管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)，絕緣層設(shè)計(jì)提供依據(jù)。選擇微元管段4.2輸氣管道熱力計(jì)算天然氣沿管道輸送過程中，除流速和壓72能量方程：4.2輸氣管道熱力計(jì)算ⅡⅡⅠⅠ忽略流速變化和高差影響：能量方程：4.2輸氣管道熱力計(jì)算ⅡⅡⅠⅠ忽略流速變化和734.2輸氣管道熱力計(jì)算4.2輸氣管道熱力計(jì)算744.2輸氣管道熱力計(jì)算4.2輸氣管道熱力計(jì)算754.2輸氣管道熱力計(jì)算4.2輸氣管道熱力計(jì)算764.2輸氣管道熱力計(jì)算除以為一階非齊次線性微分方程，其通解為當(dāng)x=0時(shí)，T=TQ，代入上式可求得積分常數(shù)C4.2輸氣管道熱力計(jì)算除以為一階非齊次線性微分方程，其77質(zhì)量流量，kg/s起點(diǎn)溫度，K距起點(diǎn)Xm處溫度，K氣體壓力，Pa內(nèi)徑，m氣體質(zhì)量定壓熱容，J/kg·K總傳熱系數(shù)，W/m2·K管道埋深處地溫，K距起點(diǎn)距離，m焦耳湯姆遜系數(shù)，K/Pa壓力梯度，Pa/m4.2輸氣管道熱力計(jì)算質(zhì)量流量，kg/s起點(diǎn)溫度，K距起點(diǎn)Xm處溫度，K氣體784.3溫降計(jì)算公式的探討（1）焦耳湯姆遜系數(shù)與氣體的種類、氣體所處的溫度和壓力有關(guān)，一般對于長輸管道，可以去3-5℃/MPa。忽略焦耳湯姆遜系數(shù)影響后，可得：蘇霍夫公式：（2）考慮管道壓力沿管長近似為線性分布：4.3溫降計(jì)算公式的探討（1）焦耳湯姆遜系數(shù)與氣體的種類794.3溫降計(jì)算公式的探討不考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)當(dāng)xTQT0TZT考慮焦耳-湯姆遜效應(yīng)蘇霍夫公式x0TZ4.3溫降計(jì)算公式的探討不考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)考慮焦耳湯80若將T=T0代入距離

x=x0,

即該點(diǎn)后輸氣管的溫度低于周圍介質(zhì)溫度。4.3溫降計(jì)算公式的探討若將T=T0代入距離x=x0,即該點(diǎn)后輸氣管的溫度81xTQT0TZT輸氣管輸油管相同直徑時(shí)，輸氣管溫降比輸油管快得多，溫降曲線陡。4.3溫降計(jì)算公式的探討采用蘇霍夫公式：xTQT0TZT輸氣管輸油管相同直徑時(shí)，輸氣管溫降比輸油管快824.4輸氣管道的平均溫度平均溫度Tcp是輸氣管道水力計(jì)算的主要參數(shù)之一，可按平均溫度計(jì)算或選取天然氣的物性參數(shù)，進(jìn)行水力計(jì)算。4.4輸氣管道的平均溫度平均溫度Tcp是輸氣管道水力計(jì)算834.4輸氣管道的平均溫度周圍介質(zhì)溫度T0愈高，Tcp也愈高，而Tcp愈高，輸氣能力越小。因此，在進(jìn)行管線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將夏季地溫T0作為水力計(jì)算的依據(jù)。考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)不考慮焦耳湯姆遜效應(yīng)4.4輸氣管道的平均溫度周圍介質(zhì)溫度T0愈高，Tcp也84定義：管道總傳熱系數(shù)K—指介質(zhì)與周圍介質(zhì)溫度差為1℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過管道單位傳熱表面所傳遞的熱量。W/m2K表示天然氣至周圍介質(zhì)散熱的強(qiáng)弱，計(jì)算溫降時(shí)，K是關(guān)鍵參數(shù)。對流4.5總傳熱系數(shù)K定義：管道總傳熱系數(shù)K—指介質(zhì)與周圍介質(zhì)溫度差為1℃時(shí)，單位85對流對流4.5總傳熱系數(shù)K對流對流4.5總傳熱系數(shù)K864.5總傳熱系數(shù)K4.5總傳熱系數(shù)K87對流對流介質(zhì)土壤鋼管瀝青絕緣層保溫層4.5總傳熱系數(shù)K對流對流介質(zhì)土壤鋼管瀝青絕緣層保溫層4.5總傳熱系數(shù)K88第四章管道熱力計(jì)算課件894.5總傳熱系數(shù)K4.5總傳熱系數(shù)K90對于無保溫的大直徑管道，如忽略內(nèi)外徑的差值，則4.5總傳熱系數(shù)K對于無保溫的大直徑管道，如忽略內(nèi)外徑的差值，則4.5總傳熱91鋼管防腐絕緣層保溫層管壁導(dǎo)熱鋼管防腐絕緣層保溫92幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.593（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算放熱強(qiáng)度決定于氣體的物理性質(zhì)及流動(dòng)狀態(tài)?？捎忙?與放熱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re和流體物理性質(zhì)準(zhǔn)數(shù)Pr之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示。4.5總傳熱系數(shù)K（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算放熱強(qiáng)度決定于氣94幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.595（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)鋼管保溫層瀝青絕緣層4.5總傳熱系數(shù)K（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)鋼管保溫層瀝青絕緣層4.5總傳熱系數(shù)K96硅酸鋁管硅酸鋁氈硅酸鋁板復(fù)合型高溫保溫管（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)4.5總傳熱系數(shù)K硅酸鋁管硅酸鋁氈硅酸鋁板復(fù)合（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)4.5總傳97鋼管壁熱阻很小，可以忽略；非金屬管材的導(dǎo)熱系數(shù)小，管壁較厚，熱阻相當(dāng)大；6～9mm厚的瀝青絕緣層，熱阻占埋地管道總熱阻的10%～15%；

保溫管道，保溫層的熱阻起決定影響，特別是架空或水下管道；4.5總傳熱系數(shù)K鋼管壁熱阻很小，可以忽略；4.5總傳熱系數(shù)K98幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.599（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)架空管道的管外壁到大氣的放熱為對流與輻射換熱同時(shí)存在的復(fù)合換熱，故對流換熱輻射換熱4.5總傳熱系數(shù)K（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)架空管道的管外壁到大氣的100因有保溫層，一般較小，可取2～5W/m2·℃；可按空氣中的受迫對流計(jì)算，當(dāng)4.5總傳熱系數(shù)K因有保溫層，一般較小，可取2～5W/m2·℃；101幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.5102（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)埋地管道的管外壁到土壤的傳熱是主要環(huán)節(jié)。埋深較淺時(shí)，土壤表面對大氣的放熱也有較大的影響。不保溫的埋地管道，當(dāng)管內(nèi)為紊流時(shí)，總傳熱系數(shù)近似為。4.5總傳熱系數(shù)K（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)埋地管道的管外壁到土壤的傳熱103等溫線等溫線104未考慮土壤自然溫度場及土壤表面與大氣熱交換對管道散熱的影響。計(jì)算大口徑淺埋管道時(shí)誤差較大。4.5總傳熱系數(shù)K未考慮土壤自然溫度場及土壤表面與大氣熱交換對管道散熱的影105幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算（二）管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（三）管外壁至大氣的放熱系數(shù)（四）管外壁到土壤的放熱系數(shù)（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用4.5總傳熱系數(shù)K幾個(gè)叁數(shù)的確定（一）氣體至管內(nèi)壁的放熱系數(shù)的計(jì)算4.5106（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用埋地不保溫管道的K值主要取決于管道至土壤的放熱系數(shù)，而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)受多種因素的影響，故難以得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)方法確定K值。常采用反算法計(jì)算已正常運(yùn)行的管道的K值，作同類設(shè)計(jì)參考。4.5總傳熱系數(shù)K（五）埋地管道總傳熱系數(shù)K值的選用埋地不保溫管道的1071.天然氣水合物(NGH)概念物理性質(zhì)：水合物又稱水化物，白色結(jié)晶，外觀類似壓實(shí)的冰雪。密度0.88-0.90g/cm3，是一種籠形晶格包絡(luò)物。氣體分子被包圍在晶格中，水分子借氫鍵結(jié)合形成籠形結(jié)晶。分子式：M·nH2O，如CH4·6H2O，CH4·7H2O，C2H6·6H2O4.6天然氣水合物1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1081.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1091.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物1101.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物現(xiàn)有一種天然氣運(yùn)輸方式---天然氣水合物運(yùn)輸，這方面研究比較多的是挪威、美國。地球上，尤其是海底中，水合物的資源非常多，可用作一種能源。水合物的開采還沒有成熟的方式。

輸氣管道中有水合物形成，會(huì)影響管道的正常運(yùn)行，降低管道輸送效率，甚至堵塞管道。1.天然氣水合物(NGH)概念4.6天然氣水合物現(xiàn)有一種111第四章管道熱力計(jì)算課件112第四章管道熱力計(jì)算課件113第四章管道熱力計(jì)算課件1142.形成水合物的條件4.6天然氣水合物1）足夠的水分（游離水）；（內(nèi)因internalagency）溫度低于水汽的露點(diǎn)溫度，出現(xiàn)“自由水”。沒有自由水，一定不會(huì)生成水合物。

2）適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫?；（?nèi)因internalagency）低溫、高壓條件。

3）氣體處于脈動(dòng)、紊流擾動(dòng)中，并有結(jié)晶中心存在。

（外因intrinsicfactor)2.形成水合物的條件4.6天然氣水合物1）足夠的水分（游離1153.輸氣管道中氣體含水量變化c點(diǎn)以后含水量不可能再增大。TPhbWminc

氣體的壓力、溫度、含水率s（距離）daW飽和含水量曲線4.6天然氣水合物a-c，壓力p變化小，溫度t下降快，飽和含水量W也隨之下降。c-d，P壓力下降快，溫度t變化小，飽和含水量W上升。如進(jìn)入輸氣管的氣體未被飽和，例如含水量相當(dāng)于h點(diǎn)，氣體向前流動(dòng)，含水量W并不改變，由于溫度t下降，到b點(diǎn)飽和，b-c

有水析出。3.輸氣管道中氣體含水量變化c點(diǎn)以后含水量不可能再增大。T116欲使輸氣管不具備水分條件，則進(jìn)入氣管的氣體含水量要遠(yuǎn)小于

c點(diǎn)的含水量，如fg直線。ghtpedabWminfc氣體的壓力、溫度和水合物s（距離）W4.6天然氣水合物干線輸送的氣體的露點(diǎn)要低于周圍介質(zhì)最低溫度５度以上。3.輸氣管道中氣體含水量變化欲使輸氣管不具備水分條件，則進(jìn)入氣管的氣體含水量要遠(yuǎn)小于c117曲線左上方為水合物存在區(qū)，右下方為水合物不存在區(qū)。由平衡曲線可知，低溫、高壓易形成水合物。P(MPa)t(0C)水合物存在區(qū)水合物不存在區(qū)甲烷形成水合物的最高溫度稱之為形成水合物臨界溫度。甲烷形成水合物的臨界溫度為21.50C，高于此溫度，任何壓力下也不可能形成水合物。4.6天然氣水合物4.形成水合物的溫度、壓力條件M曲線左上方為水合物存在區(qū)，右下方為水合物不存在區(qū)。P(118MN對應(yīng)于輸氣管壓力分布