输气管道热力计算
输气管道课程设计
输气管道课程设计姓名：李轩昂班级：油储1541学号：201521054114指导教师：任世杰目录前言------------------------------------------------------------------------------------------------- 4第一章设计概述---------------------------------------------------------------------------------- 51.1设计原则--------------------------------------------------------------------------------- 51.2 管道设计依据和规范----------------------------------------------------------------- 51.3长输气管道设计原始资料------------------------------------------------------------ 61.3.1天然气管道的设计输量 ------------------------------------------------------- 61.3.2气源特性 ------------------------------------------------------------------------- 61.3.3气源处理 ------------------------------------------------------------------------- 61.3.4管道设计参数 ------------------------------------------------------------------- 71.3.5基本经济参数 ------------------------------------------------------------------- 7第2章管道工艺计算---------------------------------------------------------------------------- 92.1天然气物性参数计算------------------------------------------------------------------ 92.1.1天然气的平均分子质量、平均密度和相对密度------------------------- 92.1.2天然气压缩因子的计算 ------------------------------------------------------- 92.1.3天然气粘度计算 -------------------------------------------------------------- 102.1.4定压摩尔比热 ----------------------------------------------------------------- 102.2输气管道水力计算------------------------------------------------------------------- 112.2.1雷诺数的计算 ----------------------------------------------------------------- 112.2.2管道内压力的推算 ----------------------------------------------------------- 122.2.3管道壁厚推算 ----------------------------------------------------------------- 122.3输气管道热力计算------------------------------------------------------------------- 122.3.1总传热系数 -------------------------------------------------------------------- 122.3.2天然气的平均地温 ----------------------------------------------------------- 132.3.3考虑气体的节流效应时输气管沿管长任意点的温度计算----------- 132.4管道工艺计算结果------------------------------------------------------------------- 142.4.1首站到分输站1 --------------------------------------------------------------- 142.4.2分输站1到分输站2 --------------------------------------------------------- 142.4.3分输点2到末点 -------------------------------------------------------------- 152.5输气方案的确定---------------------------------------------------------------------- 152.5.1管道及各站场投资 ----------------------------------------------------------- 152.5.2其他费用 ----------------------------------------------------------------------- 162.5.3方案经济比较分析 ----------------------------------------------------------- 16 第3章线路校核----------------------------------------------------------------------------- 183.1埋地管道校核------------------------------------------------------------------------- 183.1.1强度计算 ----------------------------------------------------------------------- 183.1.2弹性敷设计算 ----------------------------------------------------------------- 19 第4章储气调峰-------------------------------------------------------------------------------- 214.1用气概况------------------------------------------------------------------------------- 214.2调峰设计------------------------------------------------------------------------------- 214.2.1日调峰方式 -------------------------------------------------------------------- 214.2.2调峰储气量的确定 ----------------------------------------------------------- 214.3管道末端储气------------------------------------------------------------------------- 23 第五章结论-------------------------------------------------------------------------------------- 26 附录A -------------------------------------------------------------------------------------------- 27 附录B -------------------------------------------------------------------------------------------- 30 附录C -------------------------------------------------------------------------------------------- 31 附录D -------------------------------------------------------------------------------------------- 32前言未来几年内，全世界天然气消费年均增长率将保持3.9%，发展速度超过石油、煤炭等其他能源。
天然气输气管线温降计算
（ ｍ。 ・ Ｋ） ； Ｘ ｇ为 管壁 的导热 系 数 ， ｗ／ （ ｍ・ Ｋ） ； 为 保 温层 的导热 系 数 ， Ｗ／ （ ｍ・ Ｋ） ； ｄ为 确定 总传 热 系
响、 长期稳 定运 行等 优 点 ， 所 以在 输油 管道 工程 中得
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ 一Ｏ ５ 一ｌ ８
２ ０ １ ４ 年第 １ ４ 期
桑子 龙
天 然 气 输 气 管 线 温 降 计 算
４ ． ４ 各 参数 对 温 降 的影响及 比较
Байду номын сангаас
７ １
数 的计 算 直 径 ， ｍ， 当ａ 。 ＞＞ａ 时 ， ｄ取 ｄ ３ ； 当 ≈ ａ ２ 时， ｄ取 （ ｄ ＋ｄ 。 ） ／ ｚ ； 当ｏ 【 １ ＜ ＜ａ ｚ时 ， ｄ取 ｄ １ ［ 川 。
输 的温降 提供 了思 路 。 １ 物理模 型
式中 ， Ｐ Ｑ为输 气管 道计 算 段起 点压 力或 上游 压 缩 机 站 的 出站 压 力 ， ＭＰ ａ ； Ｐ Ｚ为 输气 管 道 计算 段 终
点 压力或 下 游压缩 机 站 的进站 压力 ， ＭＰ ａ ］ 。
３ 管道 内天 然气 热 力计 算
３ ． １ 总 传 热 系数
埋 地管 道 的传 热 过 程 由 ３部分 组 成 ： ① 气体 至 管 壁 的放热 ； ②管壁、 保 温 层等 Ｎ 层 的传热 ； ③管 道 至 周 围土壤 的传 热 。总传 热 系数 的计算 公式 为
一 十 ＋ 麦 ｌ ｍ ｎ ８ ２ 十 ￣ １ ｉ － ｍ ｎ 毫 五 ＋ 十 ｏ 一 ￣ ２ ｄ ３ （ ３ ）
关键 词 ： 天然气； 温降计 算 ； 输 气管 道 中 图分类号 ： Ｔ Ｅ９ ７ ３ ． １ 文 献 标识 码 ： Ａ 文 章编号 ： １ Ｏ ｏ ６ —７ ９ ８ １ （ ２ ０ １ ４ ） １ ４ 一Ｏ Ｏ ７ ０ 一Ｏ ２
天然气输气管道设计与管理
一、天然气概况1、天然气定义：从地下开采出来的可以燃烧的气体2、天然气来源：气田气，油田气。
3、天然气组成：60%～90%为甲烷和乙烷，10%～40%的丙，丁，戊烷及重烃，在工标状态下只有甲、乙、丙、丁烷为气态，其余都为液态。
二、输气管道概况1、输气管道分类：矿场集气管道，干线输气管道，城市配气管网2、世界著名大型输气管道:前苏联乌连戈依——中央输气管道，全系统由6条输气干线组成，最著名的属亚马尔输气管道。
该管道在苏联境内长4451km，建设了41座压缩机站和2座冷却站，经西西伯利亚地区穿越水域945km，穿越河流700余处。
3、中沧线是中国第一次采用燃气轮机驱动离心压缩机输送油田伴生气的输气管线。
4、西气东输管线包括：青海涩北至甘肃兰州（2000年开工，02年竣工投产），重庆忠县至武汉（2000年开工），塔里木至上海（02年7开工，全长400多千米，管径1016mm，操作压力10MPa）5、中国未来十年管网总体布局：两纵，两横，四枢纽(在北京，上海，信阳和武汉设立调度中心或分调度中心)，五气库（在北京，上海，大庆，山东，和南阳建立地下储气库）6、管道防腐技术：从简单的人工除锈刷漆发展到外涂层与阴极保护和牺牲阳极相结合的联合保护。
自1964年开始使用阴极保护到今天，所有的输气管道上都建有阴极保护站，单站保护长度可达50～80km.输气管道的主要工艺设备包括压缩机组，阀门，计量设备和调压设备。
三、天然气的性质1、天然气的分类（1）按矿藏特点分：纯气藏天然气（在天然气开发过程中，不论何阶段流体在地层中均成气体，采出地面后可能有部分液体析出），凝析气藏天然气（矿藏流体在地层原始状态呈气态，但开采到一定阶段，随地层压力减小有部分烃类在地层中呈液态析出），油田伴生天然气（与原油共存，开采时与原油同时被采出，经油气分离得到的天然气）（2）按烃类组分关系分：干气（地层中呈气态，开采出后在管线设备中也不会有液态烃析出），湿气（地层中呈气态，在一般地面设备的温度、压力下有液态烃析出），富气（丙烷级以上烃类含量大于100 ml/m3），贫气（丙烷级以上烃类含量小于100 ml/m3）（3）按硫化氢、二氧化碳含量分：酸性天然气（含有显著地以上成分，要经过处理才能达到管输商品天然气的标准的天然气），洁气（以上含量甚微，不需净化处理的天然气）2、工程标准状态：20℃（293.15K），1.01325×10^5Pa，这是中国计量气体体积流量采用的标准标准状态：0℃（273.15K），1.01325×10^5Pa3、理想气体状态方程：PV=nRTP——气体压力，PaV——m kg或n kmol气体体积，m^3n——气体千摩尔数，kmolR——气体常数，Kj/(kg·k)T——气体温度，k实际气体状态方程：PV=ZRTZ——压缩因子，在工标或是标态下认为Z=14、露点定义：在压力一定的情况下，逐渐降低气体温度，当天然气中水蒸气开始凝结时的温度。
管道输气能力理论计算
管道输气能力理论计算管道输气能力是指管道在一定的压力、温度和流量条件下，所能输送的天然气或其他气体的最大量。
管道输气能力的理论计算依赖于流体力学和热力学原理，以及管道的几何特征、材料性质等因素。
以下是关于管道输气能力理论计算的一些主要内容。
首先，管道输气能力的计算需要确定流体的压力、温度和密度等参数。
在计算之前，需要根据设计要求和现场实际情况确定管道的内径、长度、输送气体的物理性质以及管道的工作条件等参数。
其次，根据流体力学原理，可以利用连续方程和能量方程来计算管道内气体的速度和压力变化。
连续方程用来描述流体的连续性原理，即单位时间内流过管道截面的质量必须相等。
能量方程则用来描述气体的能量变化，包括气体的压力、温度和速度等参数的关系。
通过连续方程和能量方程的计算，可以得到管道内气体的流速、压力分布和温度分布等参数。
根据这些参数可以进一步计算输气能力。
然后，根据管道的几何特征和气体的流动性质，可以采用一些经验公式或者理论模型来计算管道的输气能力。
其中最常用的是Colebrook公式和Weymouth公式。
Colebrook公式用来计算流体在光滑管道中的摩擦阻力系数，该公式基于实验数据和经验关系，可以准确地计算管道内气体的摩擦阻力。
根据Colebrook公式，可以计算出管道的摩擦系数，并据此计算管道的压力损失。
Weymouth公式是一种经验公式，可以用于计算管道中天然气的流量和压力降。
该公式基于气体的流动特性和管道的几何参数，根据Weymouth公式可以计算出管道的流量系数和压力降。
利用上述公式和模型，可以计算出管道的输气能力，即单位时间内通过管道的气体质量或体积。
除了上述方法，还可以采用数值模拟方法，如计算流体力学（CFD）方法来计算管道的输气能力。
CFD方法可以更准确地模拟管道内气体的流动和压力变化，从而得到更准确的输气能力计算结果。
总之，管道输气能力的理论计算是一个复杂的过程，需要考虑诸多因素，如管道的几何特征、气体的物理性质、流体力学原理等。
第五章 输气管的热力计算new
26
输油管温降公式
（5-7）
TL = T0 + (TR − T0 )e − aL
3
实际计算时， 实际计算时，干线输气管上可取 Di = 2.5 ~ 3 0 C MPa 。计算 结果表明，输气管的温降曲线如图5-1所示 所示， 结果表明 ，输气管的温降曲线如图 所示， 由于气体的 密度远小于油品密度， 与同样直径的输油管相比 ， 质量 密度远小于油品密度 ， 与同样直径的输油管相比， 而定压比热相差不大， 流量只有油管的1 4 ~1 3，而定压比热相差不大，在同样的 K，T0，D和L条件下，输气管的 值大很多，温降比输油 ， 条件下， 值大很多， 和 条件下 输气管的a值大很多 管快得多，温降曲线较陡。 管快得多，温降曲线较陡。
iC4H10 2.5
nC4H10 1.0
CO2 10.0
H2S 29.0
21
六、防止水合物形成的方法
防止水合物的形成不外乎破坏水合物形成的温度、 防止水合物的形成不外乎破坏水合物形成的温度、压力 和水分条件，使水合物失去存在的可能。这类方法很多， 和水分条件，使水合物失去存在的可能。这类方法很多， 主要有： 主要有： 1.加热 加热 2.降压 降压 3.添加抑制剂 添加抑制剂 4.干燥脱水 干燥脱水
9
第四节 水合物
一、水合物及其形成条件 水合物又称水化物， 水合物又称水化物，是天然气中某些组分与水分在一定 温度压力条件下形成的白色结晶，外观类似密致的冰雪， 温度压力条件下形成的白色结晶，外观类似密致的冰雪， 密度为0.88~0.90g/cm3 ， 遇火可燃烧 ， 俗称 “ 可燃冰 ” 。 遇火可燃烧， 俗称“ 可燃冰” 密度为 研究表明，水合物是一种笼形晶格包络物， 研究表明，水合物是一种笼形晶格包络物，水分子借氢 键结合形成笼形结晶，气体分子被包围在晶格之中。 键结合形成笼形结晶，气体分子被包围在晶格之中。
管道总传热系数计算
KD e1 1i D n 2D WI2 L D L(1-1 )1管道总传热系数管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。
在热油管道稳态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。
1.1利用管道周围埋设介质热物性计算K值管道总传热系数K指油流与周围介质温差为1C时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：式中：K ――总传热系数，W/( m2C)；D e ――计算直径，m；(对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径)；D n ――管道内直径，m；D W ------- 管道最外层直径，m;1――油流与管内壁放热系数，W/(m2C)；2---- 管外壁与周围介质的放热系数，W/(m2C)；i ――第i层相应的导热系数，W/(m・C )；D i，D i 1 ――管道第i层的内外直径，m其中i 1,2,3...n ；D L结蜡后的管内径，m为计算总传热系数K ,需分别计算内部放热系数1、自管壁至管道最外径的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数(1)内部放热系数1的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用2 o1与放热准数N u、自然对流准数G r和流体物理性质准数P r间的数学关系式来表示在层流状态(Re<2000,当Gr Pr 500时:INu y —ld 3.65(1-2)15 C 时的原油密度，kg/m 3；在层流状态(Re<2000,当Gr Pr 500时：― id c 0.33 f 0.43 — 0.1Nu y 一 0.15Re y Pr y Gr y0.25Pr b在激烈的紊流状态(Re>1(4), Pr<2500时:0.80.440.021dRe y Pr y0.25Pr y Pr b在过渡区(2OOOvRev1(0)1= K 0 —d式中：N u ——放热准数，无因次;p 「b(1-3)Pr C—— ——流体物理性质准数，无因次;Gr d 3g t f t自然对流准数，无因次;(1-6)0.1 〜0.16(1-7)Re vd乎—雷诺数;K 。
常用公式
一、输气常用计算公式1． 输气量计算用公式：当管段起终点得相对高差小于200米时[]51.053.2961.0222111522ZTLGP P EdQ -=当管段起终点得相对高差大于200米时()51.01)1(53.2112961.0222111522⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧∑=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+∆+-=-ni i i i L aL h h ZTLG h a P P Ed Q式中：Q ：气体流量（P 0=0.101325Mpa,T 0=293.15K ）,m 3/d ； d ：输气管内径，cm ；P 1,P 2：输气管计算段起点、终点的气体压力（绝），MPa ； Z ：气体的压缩系数；T ：气体的平均温度，非精确计算时可简化为加权平均值； L ：计算段长度，km ； G ：气体的相对密度；E ：输气管的效率系数，DN 为300～800时，E=0.8～0.9； a ：系数，a=0.0683(G/ZL)，m -1; Δh ：输气管段终点和起点的在日常运行管理过程中，针对鄯乌线当前实际（管线长度 L=301.625Km ；管径457×6mm ；），因此，此公式可简化为：Q输 = 7967538⎥⎦⎤⎢⎣⎡-TL PP 22210.51（Nm 3/h ）2． 管道储气量计算公式式中：Q 储=管道的储气量，Nm3; V —管道的容积,m3; T 0—293.15K; P 0—0.101325Mpa; T —气体的平均温度；P 1m —管道计算段内气体的最高平均压力（绝），Mpa ； P 2m —管道计算段内气体的最低平均压力（绝），Mpa ； Z 1、Z 2—对应P1m 、P2m 时的气体压缩系数。
3．平均压力P m 及管道任意点气体压力P x 计算公式：⎪⎪⎭⎫- ⎝⎛=221100Z m P Z m P T P VT Q储)(3221221P P P P P m ++= （MPa ）LXP P P P x )(222121--=(MPa)4．管道内气体平均温度t 、沿线任意点温度t X 计算式：t X =t 0+( t 0+t 0)e -aX式中：t —管道计算段内气体平均温度，℃； t 0—管道周围介质温度，℃； t 1—管道计算段内起点气体温度，℃； t X —管道任意点气体温度，℃； e —自然对数底数，e=2.718； L —管道计算段的实际长度，Km ； X —管道计算段起点至任意点的长度，Km;⎪⎭⎫⎝⎛--+=aL -1010e QL t t t t PQGC KDa610256.225⨯=a—计算常数；K—管道内气体到土壤的总传热系数，W/m2〃℃；D—管道外直径，m；Q—气体流量（p0=0.101325Mpa,T0=293.15K），m3/d；G—气体的相对密度；C P—气体的定压比热，J/kg〃℃。
LNG管道水力计算和热力计算
LNG管道水力计算和热力计算
宿敬群;包培哲;李宇轩
【期刊名称】《煤气与热力》
【年(卷),期】2022(42)11
【摘要】分析LNG管道水力计算和热力计算过程。
在计算中,考虑保冷材料热导率随平均温度变化,LNG物性参数黏度、密度、比定压热容随组成、温度变化,比较准确。
基于微元管段的思路,考虑传热关系,得出LNG管道各节点压力和温度、单位长度传热量的计算方法。
实例验证此方法可行。
【总页数】5页(PV0018)
【作者】宿敬群;包培哲;李宇轩
【作者单位】吉林市大地技术咨询有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE821
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输油管道水力、热力计算
6 热负荷计算 计算热负荷：（kw） 液量（m3/h）
流量（m3/s） 密度（kg/m3） 液量（kg/s） 液量流量（kg/s） 含油（％） 含水（％) 升温（℃） 油比热（J/kg·℃） 水比热（J/kg·℃） 油热负荷（kw） 水热负荷（kw）
λ＝64/Re
3000＜Re＜Re1=59.7/ε8/7
1/λ0.5＝1.8lgRe-1.53， 当Re＜105时，λ＝0.3164/Re0.25
Re1＜Re＜Re2＝（665-765lgε）/ε 1/λ0.5＝-1.8lg（6.8/Re＋（ε/7.4）1.11)
Re＞Re2
λ＝1/（1.74-2×lgε）2
8.2.7
输油管道，系数a的计算 系数a K－管线的总传热系数K【W/m2.℃）】 D－管道外径（m） qm－原油质量流量（kg/s） C－原油比热容【J/（Kg.℃）】 π－圆周率系数，取3.14 原油质量流量（kg/d） 原油密度ρ（kg/m3） 原油体积流量（m3/s） 原油质量流量（t/a） 体积流量（m3/s） 平均温度 t t1－管线起点温度 t2－管线末点温度
1 粘温方程 B
A
y1 x1 y2 x2 y3 x3 y4 x4 y5 x5 n
t温度下的粘度 温度t
2
密温计算
t温度下的密度 ζ ρ20
温度t
3 集输油管道的沿程摩阻计算
h-管道沿程摩阻，液柱（m）
L－管道长度（m）
d－管道内径（m） v－管内液体流速（m/s）; v＝4qv/（πd2）,其中qv－原油体积流量(m3/s) g－重力加速度，g＝9.81m/s2； λ－水力摩阻系数，
气体管道压力计算
气体管道压力计算气体管道压力计算是工程中一个重要的计算环节，它用于确定气体在管道中的压力分布情况，以确保管道系统的安全运行。
本文将介绍气体管道压力计算的基本原理和方法。
一、气体管道压力计算原理气体在管道中的压力变化是由阻力、摩擦和扩散等因素共同作用引起的。
基于热力学和流体力学的原理，可以得出气体管道压力计算的基本公式。
此处省略计算公式。
二、气体属性和流量计算在进行气体管道压力计算前，需要明确气体的物理性质。
常见气体的物理性质包括密度、比热容、黏度等。
根据实际情况和需要，可以参考相关气体手册或者实验数据获取所需气体的属性值。
另外，流量是进行气体管道压力计算的重要参数。
根据实际情况选择合适的流量计算方法，常见的方法有巴拿马公式、韦伯公式等。
根据流量计算结果，可以为后续的压力计算提供准确的数据支持。
三、管道摩擦阻力计算管道中的气体流动会受到摩擦阻力的影响。
根据工程实际情况和流体力学原理，可以选择合适的摩擦阻力计算方法。
常见的方法有达西方程、沃特曼方程等。
摩擦阻力的大小取决于多个因素，包括管道直径、管道表面粗糙度、气体流速等。
通过合理选择计算方法和输入参数，可以准确计算出管道中的摩擦阻力，并结合其他因素进行综合考虑。
四、气体管道压力分布计算基于前面的计算结果，可以得出气体在管道中的压力分布情况。
根据管道的起始点和终点，可以构建压力变化的数学模型。
通过数值计算或者模拟仿真等方法，可以得出管道各点的压力值。
压力分布计算需要综合考虑摩擦阻力、扩散效应、管道走向等因素。
根据实际情况进行合理的假设和简化，可以提高计算的准确性和效率。
五、管道设计与优化根据压力分布计算的结果，可以对管道进行设计和优化。
在设计过程中，需要综合考虑管道直径、支撑方式、材料选择等因素。
通过合理的设计和优化，可以降低管道系统的能耗和成本，提高系统的安全性和可靠性。
六、压力计算实例分析为了更好地理解和应用气体管道压力计算的方法和原理，本节将结合一个实例进行分析。
关于长距离输气管道的热力计算分析
关于长距离输气管道的热力计算分析摘要：由于天然气纯度高，点燃后不向外界排硫化物等有害气体，目前已被广泛应用。
天燃气在开采后需要进行压缩，产生高压气后运输到燃气输出站点再进行缓释，通过压缩气体可以提高其运输效能，解决市民的用气需要。
但是，由于运输天燃气的管线内部受到的压强很大，如果发生断裂或者其他破坏，会导致燃气外泄，甚至可能引发安全事故。
因此，加强天然气管道运行的安全管理工作，具有十分重要的现实意义。
关键词：天然气；长距离；输气管道；热力计算；温度引言天然气属于我国社会发展的重要能源，尽管我国在大力发展可再生能源，但是由于发展可再生能源的难度相对较大，在短时间内可再生能源仍然无法全面代替不可再生能源，因此，在未来的社会发展中，天然气能源仍然十分重要。
天然气能源的输送方式相对较多，例如轮船输送、汽车输送以及管道输送，轮船输送主要用于国际能源交易，汽车输送主要用于加气站能源供给，管道输送主要用于国内能源调配。
对于管道输送方式而言，尽管其安全性相对较高，但是在输送的过程中仍然可能会出现安全问题。
本次研究主要是对影响管道输送的因素进行综合分析，并提出管道输送的安全保障措施，为保障我国的能源供给奠定基础。
1长距离输气管道的热力计算概述燃气管道的优化是通过合理选择操作方法降低管道中压缩机的能耗。
问题很大，目标函数和约束不是凸的和非线性的。
因此，通常很容易“求解”，或者使用仿真软件选择多个运行状态并不理想。
由于算法的特点，动态规划算法和遗传算法都不是由于本文用于优化管道运行概念的非线性和非凸优化问题，从而将动态规划方法与影响结果优化和计算速度的遗传算法进行了比较。
分析了气流优化过程中动态规划和继承算法在不同工况下气流管线数量和流量的适应性。
2输气管道的水力计算输气管水力计算是研究流量与压力之间的关系。
一般输气管水力计算讨论的一切问题都是建立在三个假设的基础之上的：①气体在管内稳定流动，即在任一瞬间、任一截面上的气体质量流量保持不变；②气体在管道中的流动过程温度不变，计算时采用某个平均温度；③水力摩阻系数λ是常数且沿管长不变。
油气管道输送习题
天然气管道输送第一章天然气输送概述1、什么是天然气虚拟临界常数，在实际中有何应用？2、根据热力学稳定判据，推导RK、SRK和PR状态方程的2个参数a、b的表达式。
3、按照压缩系数方程RK、SRK、PR和BWRS，编程计算不同压力和温度下的压缩系数，并说明它们的大致使用范围。
4、什么是气体的对比态原理，在实际中有何应用？5、根据气体焓和熵的热力学关系，利用RK、SRK、PR状态方程分别推导实际气体焓和熵的计算公式。
6、根据表1-1和表1-2所提供的不同气田天然气组分，分别按照式1-95和1-102计算不同压力和温度下的气体焓和熵，并与按照图法得到的结果进行比较。
7、根据热力学关系，证明气体质量定压热容和质量定容热容满足式1-108。
8、根据气体热力学关系，证明气体焦耳-汤姆逊系数满足式1-119。
9、如何用RK、SRK、PR状态方程来计算气体的质量定压热容、质量定容热容和焦耳-汤姆逊系数？10、什么是燃气的燃烧值？在实际生产中为什么采用低热值而不是高热值？11、什么是燃气的爆炸极限？惰性气体含量对爆炸极限有何影响？12、定性说明温度对液体和气体粘度的不同影响。
13、根据粘度计算方法，编程计算天然气在不同压力和温度下的粘度。
14、什么是气体的导热系数？给出计算实际气体导热系数的步骤并编程。
15、什么是天然气的水露点和烃露点？说明确定水露点和烃露点的几种方法。
16、如何根据平成常数列线图计算天然气的烃露点？17、试说明气体流动连续方程1-159、运动方程1-161和能量方程1-163的物理意义和适用条件。
第二章输气管水力计算1、在什么情况下，输气管的流量计算公式中可以忽略速度变化对流量的影响？2、为什么管道沿线地形起伏、高差超过200m以上，要考虑地形对工艺参数Q或P 的影响？3、公式2-53~2-62适用于何种流态？若管内实际流动偏离该液态，应如何处理？4、为什么干线输气管道采用高压输气较为经济？5、对于已建成的一条输气管道，若要增大输气量，其扩建工程可以采用哪些措施？6、流量系数法能解决哪些复杂输气管道的设计计算？7、用公式2-112、2-115、2-120、2-124计算的流量是整个输气管道的通过能力，这一说法是否正确？试说明用上述任意一个公式计算沿线既有分气工况又有进气工况时的步骤，并编写计算机程序。
油气集输专业常用公式
工程标准油气集输专业常用计算公式及参数技术规定管道热力计算及管道、设备保温计算档案号集—9140/标标准号JI11-90一、管道热力计算1．集、输油管道沿程温降计算公式cq DLK t t t t m π=--=0201ln （1） aL e t t t t )(0201-+= （2） aL e t t t t )(0102-+= （3）式中：1t — 管道起点温度，℃； 2t — 管道终点温度，℃； 0t — 管道周围介质温度，℃（埋地管道取中心地温、可按附录三中附表3取值）； D — 管道外径，m ；m q — 管内介质流量，kg/h ；c — 介质比热容，C kg koal ︒⋅/；L —计算管段起、终点距离，m ；K —管内介质至周围介质的总传热系数，2/kcal m h C ⋅⋅︒；a —计算常数，cq DK a m π=。
K 值的确定方法：（1）实测。
对有关数据进行现场实测后由（1）式反算确定K 值。
这种方法可将影响因素考虑周全，使计算更符合实际。
（2）采用经验数据。
埋地沥青绝缘集输油管道总传热系数可参照附录四附表4选用，埋地泡沫塑料保温集输油管道总传热系数可参照附录五附表5选用。
（3）按理论计算方法确定K 值。
2011ln 2111D D D d KD αλα++= 式中：K —总传热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/；1α—管内介质至管壁的放热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/；d —管道内径，m ； D —管道外径，m ；D 0—管道保温层外径，m ；λ—保温层导热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/；2α—保温层外壁至周围环境的外部放热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/。
内部放热系数1α的计算： 1）在层流状态下（R e ≤2000）：25.01.043.033.01)(15.0rwrf rf rf ef yP P G P R dλα⨯= （5）2）在紊流状态下（R e ≥104）：43.08.01021.0rf ef yP R dλα⨯= （6）3）在过渡状态下（2000≤R e ≤104）：25.043.001)(rwrf rf yP P P dK λα⨯= （7）在（5）、（6）、（7）式中：ϑWdR e =—— 雷诺数；λρϑc P r = —— 液体物理性质准数；()ϑβw f t t g d Gr -=3 —— 自然对流准数；()ef R f K =0，0K 值按表1查得；()t yy 00054.0110115-=ρλ —— 原油导热系数：d — 管道内径，m ；g — 重力加速度，g=9.81m/s 2；ϑ—定性温度下流体的运动粘度，m 2/s ； c —定性温度下流体的比热容，C kg koal ︒⋅/； W —流体的流速，m/s ；ρ—定性温度下流体的密度，kg/m 3；β—定性温度下流体的体胀系数，由表2查得； λ—定性温度下流体的导热系数，C h kg koal ︒⋅⋅/；15y ρ—15℃时的油品密度，kg/m 3；t f —流体平均温度，℃； t w —管道内壁平均温度，℃；注：以上各式中参数角码“f”表示以油的平均温度t y 为定性温度，角码“w”表示以管壁温度t w 为定性温度。
第四章管道热力计算
dQ h dT h T dP dx T P dx T P P h dx
cpdT cp Di dP dQ
K D(T T0 ) dx c p Di dP c p dT M
K D a Mc p
可用于预测水合物生成，为管道强度设计，绝缘层设计提供依据。
M
选择微元 管段
TQ
L
TZ
4.2 输气管道热力计算
d Ⅱ
Ⅰ
v
dx
A
能量方程：
dv dQ h dT h dP v g sin dx dx T P dx P T dx dQ h dT h dP dx T P dx P T dx dQ h dT h T dP dx T P dx T P P h dx
——流动净功和流入的净能量∆A
4.1 气体一元流动的能量方程
1、在时间dτ内系统储能的变化
d
Ⅰ
Ⅱ
v
A
Ⅰ
控制体的储存能
dx
Ⅱ
v Adx (u gs) E 2
v2 E [( Adx)(u gs)] d 2
2
在 d 时间内的储存能变化
dP adx Di e dx C dx
当x=0时，T=TQ， 代入上式可求 得积分常数C
T T0 e
ax
0
dP ax Di e dx C dx
C TQ T0
TQ T0 Di dP C
0
4.2 输气管道热力计算
1 R3 L α2 πDw
管道总传热系数计算
1管道总传热系数管道总传热系数是热油管道设计和运行管理中的重要参数。
在热油管道稳态运行方案的工艺计算中，温降和压降的计算至关重要，而管道总传热系数是影响温降计算的关键因素，同时它也通过温降影响压降的计算结果。
1.1 利用管道周围埋设介质热物性计算K值管道总传热系数K指油流与周围介质温差为1℃时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量，它表示油流至周围介质散热的强弱。
当考虑结蜡层的热阻对管道散热的影响时，根据热量平衡方程可得如下计算表达式：（1-1）式中：——总传热系数，W/(m2·℃)；——计算直径，m；（对于保温管路取保温层内外径的平均值，对于无保温埋地管路可取沥青层外径）；——管道内直径，m；——管道最外层直径，m； ——油流与管内壁放热系数，W/(m2·℃)； ——管外壁与周围介质的放热系数，W/(m2·℃)； ——第层相应的导热系数，W/(m·℃)； ，——管道第层的内外直径，m，其中；——结蜡后的管内径，m。
为计算总传热系数，需分别计算内部放热系数、自管壁至管道最外径的导热热阻、管道外壁或最大外围至周围环境的放热系数。
（1）内部放热系数的确定放热强度决定于原油的物理性质及流动状态，可用与放热准数、自然对流准数和流体物理性质准数间的数学关系式来表示[47]。
在层流状态（Re<2000），当时：（1-2）在层流状态（Re<2000），当时：（1-3）在激烈的紊流状态（Re>104），Pr<2500时：（1-4）在过渡区(2000<Re<104)（1-5）式中：——放热准数，无因次；——流体物理性质准数，无因次；——自然对流准数，无因次；——雷诺数；——系数；——管道内径，m；——重力加速度，＝9.81m/s2；——定性温度下的流体运动粘度，m2/s；——定性温度下的流体比热容，J/(kg·K)；——流体体积流量，m3/s；——定性温度下的流体密度，kg/m3；——定性温度下的流体体积膨胀系数，可查得，亦可按下式计算：（1-6）——定性温度下的流体导热系数，原油的导热系数约在0.1～0.16 W/(m·K)间，随温度变化的关系可用下式表示：（1-7）——l5℃时的原油密度，kg/m3；——油(液)的平均温度，℃；——管内壁平均温度，℃；——20℃时原油的相对密度。
油气集输专业常用公式
工程标准油气集输专业常用计算公式及参数技术规定管道热力计算及管道、设备保温计算档案号集—9140/标标准号JI11-90一、管道热力计算1．集、输油管道沿程温降计算公式cq DLK t t t t m π=--=0201ln （1）aL e t t t t )(0201-+= （2） aL e t t t t )(0102-+= （3）式中：1t — 管道起点温度，℃； 2t — 管道终点温度，℃；0t — 管道周围介质温度，℃（埋地管道取中心地温、可按附录三中附表3取值）；D — 管道外径，m ；m q — 管内介质流量，kg/h ； c — 介质比热容，C kg koal ︒⋅/；L —计算管段起、终点距离，m ； K—管内介质至周围介质的总传热系数，2/kcal m h C ⋅⋅︒；a —计算常数，cq DK a m π=。
K 值的确定方法：（1）实测。
对有关数据进行现场实测后由（1）式反算确定K 值。
这种方法可将影响因素考虑周全，使计算更符合实际。
（2）采用经验数据。
埋地沥青绝缘集输油管道总传热系数可参照附录四附表4选用，埋地泡沫塑料保温集输油管道总传热系数可参照附录五附表5选用。
（3）按理论计算方法确定K 值。
2011ln 2111D D D d KD αλα++= 式中：K —总传热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/；1α—管内介质至管壁的放热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/；d —管道内径，m ；D —管道外径，m ；D 0—管道保温层外径，m ；λ—保温层导热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/；2α—保温层外壁至周围环境的外部放热系数，C h m koal ︒⋅⋅2/。
内部放热系数1α的计算： 1）在层流状态下（R e ≤2000）：25.01.043.033.01)(15.0rwrf rfrfef yP P G P Rdλα⨯= （5）2）在紊流状态下（R e ≥104）：43.08.01021.0rf ef yP R dλα⨯= （6）3）在过渡状态下（2000≤R e ≤104）：25.043.001)(rwrf rfyP P PdK λα⨯= （7）在（5）、（6）、（7）式中：ϑWdR e =—— 雷诺数；λρϑc P r = —— 液体物理性质准数； ()ϑβw f t t g d Gr -=3 —— 自然对流准数；()ef R f K =0，0K 值按表1查得；()t yy 00054.0110115-=ρλ —— 原油导热系数：d — 管道内径，m ；g — 重力加速度，g=9.81m/s 2；ϑ—定性温度下流体的运动粘度，m 2/s ；c —定性温度下流体的比热容，C kg koal ︒⋅/； W —流体的流速，m/s ；ρ—定性温度下流体的密度，kg/m 3；β—定性温度下流体的体胀系数，由表2查得；λ—定性温度下流体的导热系数，C h kg koal ︒⋅⋅/；15y ρ—15℃时的油品密度，kg/m 3；t f —流体平均温度，℃；t w —管道内壁平均温度，℃；注：以上各式中参数角码“f”表示以油的平均温度t y 为定性温度，角码“w”表示以管壁温度t w 为定性温度。
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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 。
8
包合物之一：气体水合物
水-水：氢键 (hydrogen bond) 水分子“笼子 (cavity)”
外观为类冰晶体 非化学计量的 包合物 (clathrate)
气体分子：CH4, C2H4, C2H6, C3H8, Ne, Ar, Kr, Xe, N2, H2S, CO2,
9
气体水合物的类型
dQ h dT h dP dx T P dx P T dx
另外由热力学知识可知： P
h
T
h T T P P h
因此：
dQ h dT h T dP dx T P dx T P P h dx
16
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。
1
温降基本公式 h 由于： 则：
T P
CP
T Di P h
C P dT C P Di dp dQ
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： KD(T T0 ) dx dQ
因此： 令
a
KD(T T0 ) dx C P Di dP C P dT M
4
第二节 输气管道的平均温度
输气管道的平均温度
TCP 1 L Tdx L 0
1 e aL T0 (TQ T0 ) aL
PQ PZ 1 e aL T0 (TQ T0 ) Di aL aL 1 1 (1 e aL ) aL
M
KD MC P
则：
非齐次线性微分方程，其通解为：
T T0 Ce ax e ax Di
d (T T0 ) dP a(T T0 ) Di dx dx
dP ax e dx dx
2
由于x=0时，T=TQ，所以：
T T0 (TQ T0 )e ax Di e ax dP ax e dx dx
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：
dQ dv h dT h dP v g sin dx dx T P dx P T dx
忽略高差和速度变化的影响，则：
12
气体水合物的相平衡性质
13
气水合物的研究历史简述
1810年 Humphrg Davy 伦敦皇家研 究院 首次合成氯气水合物。 气水合物（Gas Hydrate）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· 2O，并对水合物的性质作了 10H 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。
18
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。
晶体类型 I型
水分子数 晶穴种类 晶穴数 晶穴结构 46 小 大 小 大 小 中 大 2 6 16 8 3 2 1 512 51262 512 51264 512 435663 51268
10
II型
136
H型
34
11
气体水合物的储气性质
1 m3 水合物
164 Nm3 天然气
＋
0.8 m3水
储气能力：160 atm钢瓶 110 kg甲烷/m3水合物
21
天然气水合物开发的利和弊
可能出现的危害： 1 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。 2 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。
14
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）。
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。
N Di 1 1 1 1 1 ln KD a1 D1 i 1 2i Di a2 DN 1
6
第四节天然气水合物及生成预测
天然气水合物为何物？
天然气水合物是气水合物（Gas Hydrate） 的一种，是天然气与水分子在高压低温 下形成的一种固态晶状物质。 因天然气中80%～90%的成分是甲烷，所 以也叫甲烷水合物(Methane Hydrate)。 天然气水合物外观像冰雪，可以象酒精 块一样被点燃，所以也叫“可燃冰”。
7
天然气水合物结构与物性
CH4•5.99(± 0.07)H2O 1.9 to 9.7 MPa and 263 to 285 K. 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。
22
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。
23
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。
15
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
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。