高等工程热力学论文

后的焓值是相等的。由热力学第二定律可得稳流开系的熵方程： （7） 稳流条件时，系统的熵变;由于绝热，熵流，又，则节流阀的不可逆熵 产可以表示为： （8） 由于理想气体，且节流前后温度不变，故节流阀的损失可以表示 为： （9） 1.2膨胀机分析 节流阀虽然可以满足工艺要求，但是蕴藏在高压燃气中的压力和温度 不能得到合理利用。能量回收装置—透平膨胀机利用气体体积膨胀向 外输出机械功，在气体温度降低过程中获得冷量，可显著减少过程 损，对节约能源和提高燃气管道效率有重大意义。 膨胀机平衡方程为： （10） 式中：为膨胀机的输出功。 考虑稳流工质的焓表达式，其损可表示为： （11） 式中：为膨胀机的绝热效率。 效率为： （12） 2 实例与数据分析 以南方某城市门站为研究对象，选取夏、冬季代表性工作日，对其运行 参数进行计算分析。 2.1 基础数据处理 2.1.1 气源的物性参数（详见表1）
表1 天然气组分及摩尔分数表 %
组分 摩尔分 96.12 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ37 0.26 0.12 1.65 0.48
数 2.1.2 门站的运行参数 该站8:00开机，22:00关机，输气量34000，每隔2h对站内运行参数（进 出口温度、压力等）进行1次记录。用绝热率为85%的透平膨胀机代替原 有流程中得节流阀，在进站温度、压力不变的条件下，完成相同的调压 任务，使出战压力稳定在2.50Mpa。整理后的数据详见表2：
际能量系统中不可避免地存在着摩擦、温差等，会引起能量品质的贬 值，产生损。将损的概念应用于能量系统可得平衡方程：体系中的 增量=进入体系的—离开体系的—体系中的损失；效率=体系 输出的有效／体系输入的有效。运用和损失的概念，对能量利 用和转化过程中的传递、转化、利用、损失等进行热力学分析，可揭 示出能量利用体系中损失的部位、大小和原因，为改善过程的能量利 用效率指出方向和途径。 1 调压过程的分析 燃气调压过程的分析基于以下假设而展开：流动工质为理想气体；研 究对象为稳定流动开口系统，且与外界绝热；在所研究的范围内，在常 数。从给定的进口状态到出口环境状态的稳定物流的焓为： （1） 则单位质量温度物流的比焓为： （2） 忽略稳定流动工质的宏观动能和位能，则稳定的就仅考虑焓一种形式 的能量的，即： （3） 根据热力学熵的关系式可得焓为： （4） 其中：为压力，为温度。 1.1节流阀分析 传统节流调压方法中，设管道伴热输入的热量为，进入系统的 为，离开系统的为，损失为，则根据效率的定义可得该过程的 效率为： （5） 节流阀的损为： （6） 节流阀膨胀是一个典型的不可逆过程，忽略势能和动能的变化，节流前
比较分析不同的设备间性能差异，选择最佳的调压设别。在天然气输送 管网的各个调压站，可以采用各种装置来回收天然气管网的压力能，但 是调压计量站的分散性、处理量和压力的差异等使压力能利用受到一定 限制。为了使得回收装置和天然气管网的压力匹配，并能很好的适应燃 气管网输气量的变化，还需要进行深入的研究。 参考文献 [1] 吴玉国,李小玲. 城市燃气门站压力能回收热力学分析. 辽宁抚 顺：石油化工大学石油天然气工程学院. 113001. [2] 李静静,彭世尼. 高压天然气降压过程中冷能的计算方法研究. 重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院.400045. [3] 郑志,王树立,王帮华. 天然气城市门站调压过程的分析. 中海 广东天然气有限责任公司.2009,29(5):104-106. [4] 郑志,王树立,宋琦. 天然气调压装置不可逆损失的比价与分析. 江苏 常州：江苏工业学院 江苏省油气储运技术重点实验 室.213016. [5] 孙洁. 城市门站压力能回收设备研究应用进展. 北京：中国石 油化工股份有限公司石油勘探开发研究院.100083. [6] 徐明仿. 天然气管网压力能得回收及利用. 西安交通大学能源 与动力工程学院.2007,27（7）：106-108. [7] Mahmood F G, Shahram H, Meisam S. Energy destruction in Iran’s natural gas pipeline network [J]. Energy Exploration & ,2007,25(6):393-406. [8] 吴存真,张诗针，孙志坚. 热力过程分析基础[M]. 杭州：浙江 大学出版社,2000:17-49,80-120.
2.2 计算结果及分析
表3 计算结果表
损（） 夏季 节流阀流 程 膨胀机流 程 358.339 41.636 冬季 584.712 43.069
效率（%） 夏季 38.05 92.80 冬季 24.20 92.65
通过分析表3中的数据，可以得出以下认识： （1）在相同的工况下，采用透平膨胀机代替原有调压流程中的节流 阀，充分的利用了高压燃气的温度和压力能使过程损失大为减 少，效率显著提高；门站单位运行时间可回收可用能7554760 (夏季) 和12920569 (冬季)，可以作为调压站内的工作、生活用电，若将其转 化为电能上网，符合节能环保要求，并且可创造巨大的经济效益。 （2）调压过程中的利用情况受外界环境温度的影响。较之夏季， 冬季采用膨胀机代替节流阀不仅可利用更多数量的，而且在其利用程 度上增幅也更大。 3 结论与展望 利用分析法评价燃气管网调压过程是比较科学的，不仅得到了能量 的“数量”损失，还能得到能量的“质量”贬值情况。通过对传统的节 流阀调压流程和带膨胀机的调压流程进行分析，发现透平膨胀机在减 少损、回收可用能方面的卓越性能。鉴于此，针对调压流程做出节能 改进优化，以回收利用高压管网的压力和温度，提高了能源的利用 率。 透平膨胀机是提高效率的一种设备，取得了较好的成果，另外，可以
年 季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告）
考 核 科: 目 学生所在院 : （系） 学生所在学 : 科 学 生 姓 名 学 :
高等工程热力学
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天然气调压过程的分析
摘 要：长输管道天然气需要在门站内经过调压过程将高压天然气降到 较低的压力才可以输送到城市燃气输配管网。在节流降压过程中存在压 力能的损失和冷能的浪费，本文采用能量系统的分析法对燃气的调压 过程进行分析和优化，结果表明采用透平膨胀剂流程较节流阀可显著 减少损失，提高系统的效率，达到了合理用能的要求。 关键词： 分析 天然气 调压 优化 0 引言 长距离输气管线将上游的燃气输送至下游用户进行使用，为了配合城市 各级输气管网的正常运行，在城市门站内将高压燃气进行调压降到较低 的压力。传统的方法是采用节流阀膨胀降压，管道、阀件外壁经常形成 厚实的冰冻层，为了避免工况恶化而影响正常管输，需要采用电伴热， 这必将耗费大量的电能。高压燃气具有大量的温度和压力，传统调 压方法压降完全消耗在克服流动阻力上，没有推动任何机械做功，压力 未能得到回收利用，为了响应可持续发展的号召，必须采取节能减排的 措施。能源的回收利用时，必须同时依据热力学第一定律和第二定律， 不仅要分析能量的“数量”损失，还要分析能量的“质量”贬值情况。 用分析法对燃气调压过程进行热力学分析，找出系统中用能的薄弱环 节，提出了针对性的节能改进措施。 分析法，又称平衡法，其本质是结合热力学第一、第二定律 (以第二定律为主)，从能量的数量和质量相结合的角度出发，分析和揭 示能量中的在装置或设备中的转换、传递、利用和损失的情况。在实
表2 门站运行参数表
流程
状态
夏季 温度（K） 压力 （Mpa） 5.52 2.50 0.101325 温度（K） 297.40 279.01 250.87 273.00
冬季 压力 （Mpa） 5.91 2.50 0.101325
进站 节流阀 膨胀机 出站 环境
300.90 285.65 256.71 293.00