2第二章-天然气管道输送基础

1第二章天然气管道输送基础22主要内容2.1物性参数计算方法2.2气体在管道中流动的基本方程2.3水力计算方法2.4热力计算方法2.5长输管道末段储气32.1.1天然气的组成天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷（CH4）占绝大部分,乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)和戊烷(C5H12)含量不多，庚烷以上(C5+)烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)、氢(H2)、硫化氢(H2S)和水汽(H2O)以及微量的惰性气体氮(He)、氩(Ar)等。2.1天然气管道输送基础4天然气中单一气体的特性是计算其混合气体特性的基础数据。气体的特性与气体所处的状态有关。目前，气体的标准状态有三种。1954年第十届国际计量大会(CGPM)协议的标准状态：温度273.15K(0℃),压力101.325kPa。世界各国科技领域广泛采用这一标准状态。国际标准化组织(ISO)和美国国家标准(ANSI)：温度288.15K(15℃)，压力101.325kPa，是计量气体体积流量的标准。我国《天然气流量的标准孔板计量方法》(SYL04):温度293.15K(20℃)，压力101.325kPa，是计量气体体积流量的标准。第二章天然气管道输送基础52.1.2天然气虚拟临界参数和对比参数1.天然气虚拟临界参数当计算天然气的某些物性参数时，常常要用到虚拟临界常数值（临界压力、临界温度、临界密度）。任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液体，但当高于该温度时，无论压力增加到多大，都不能使气体液化。可以使气体压缩成液态的这个极限温度称为该气体的临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需压力称为临界压力，对应的气体密度称为临界密度：此时状态称为临界状态。第二章天然气管道输送基础6混合气体的虚拟临界温度、虚拟临界压力和虚拟临界密度可按混合气体中各单一组分的摩尔分数及其临界温度、临界压力、临界密度求得：ciiicTyTciiicPyPciiicy第二章天然气管道输送基础72.天然气对比参数天然气的压力、温度、密度与其临界压力、临界温度和临界密度之比称为天然气对比压力、对比温度和对比密度。crPPPcrTTTcr第二章天然气管道输送基础82.1.3天然气的PVT关系一、实际气体状态方程可压缩气体的压力P、密度ρ（或摩尔体积V）和温度T之间的关系式是十分重要的。表达这种关系的方程叫做状态方程。对于1kmol的理想气体，状态方程：或得到上述经验方程，是基于两点基本假设：分子是质点；分子间没有相互作用力RTPRTPV第二章天然气管道输送基础9这两个假设对于压力为零的气体是合理的。但是，当压力升高或密度增大时，气体分子本身占据的体积大得越来越重要，而分子间的相互作用力也变得越来越明显。为了考虑这些效应，范得瓦尔在1873年提出另一个状态方程，即范得瓦尔状态方程。尽管该方程能够描述实际气体的一般特性，但只是定性的。在范得瓦尔方程提出之后，为了考虑实际气体的性质，又提出了大量的状态方程：一些是基于理论的论证另一些则完全是经验方程第二章天然气管道输送基础10描述天然气方面的一些常用方程如下：RK状态方程SRK方程PR状态方程：天然气管网模拟推荐选用BWRS状态方程：天然气管网模拟推荐选用第二章天然气管道输送基础11（1）RK状态方程Redlich-kwong方程是1949年提出的二参数状态方程：式中a和b是常数，其数值求法对应于单组分气体和混合气体分别有不同的计算方式。)(5.0bVVTabVRTP第二章天然气管道输送基础12（2）SRK方程SRK方程是Soave在改进Redlich-kwong状态方程基础上，于1972年提出的一种状态方程，其形式为式中a和b的计算方法对应于单组分气体和混合气体同样有不同算法。SRK方程适用于气相、液态烃和气液平衡计算，但在预测液体密度时欠准确：对烃类组分（甲烷除外），预测的液相密度普遍较实验数据小。)(bVVabVRTP第二章天然气管道输送基础13（3）PR状态方程为进一步提高对热力学性质和汽液平衡数据预测的准确性，Peng和Robinson在Soave模型的基础上又于1976年作了些改进，提出以下PR状态方程。式中a和b的计算方法对应于单组分气体和混合气体同样有不同算法，具体算法与SRK方法类似。)()(bVbbVVabVRTP第二章天然气管道输送基础14（3）PR状态方程优点：在较大的压力、温度范围内都比较精确。在相变区或相变区附近也比较精确。可以作气体组分跟综。计算量少于BWRS。缺点：需要输入气体的全部组分PR方程适用于气相、液态烃和气液平衡计算，在液相较多时推荐选用。第二章天然气管道输送基础15（4）BWRS状态方程上面介绍的状态方程对于高压低温条件下不能完全适合。为了扩大应用范围及提高在高压、低温下的精确度，Benedict-Webb-Rubin于1940年提出了能适应汽液的8参数BWR状态方程。较之上面所述状态方程，这一方程在预测轻烃及其混合物的热力学和容积数据具有很高的准确性。但对非烃气体含量较多的混合物，较重的短组分以及较低的温度(Tr0.6)适应性较差。因此Starling和Han在关联大量实验数据的基础上对BWR方程进行了修正，于1970年提出了含有11个参数的BWRS方程：)exp()1()()()(22236340302000TcTdaTdabRTTETDTCARTBRTP第二章天然气管道输送基础16（4）BWRS状态方程优点：在很大的压力、温度范围内都很精确（优于PR方程）。在相变区或相变区附近也比较精确。可以作气体组分跟踪。可以处理含有较多非碳氢化合物的气体。缺点：–需要输入气体的全部组分–计算量最大，因而速度最慢。天然气管网分析推荐选用。第二章天然气管道输送基础17第二章天然气管道输送基础（5）Sarem状态方程：Sarem状态方程是一个老的状态方程。它解决了在通用气体状态方程中，在通常输气管道的条件下，如何计算压缩系数的问题。它使用对比压力和对比温度(天然气的压力、温度与其临界压力、临界温度之比)的概念，用勒让德多项式计算压缩系数。优点：在大多数天然气系统的正常运行压力范围内精度高。描述气体的参数少，只需要相对密度，热值和CO2含量（可由气体组份求得）。定压比热容CP和定容比热容CV根据假定的理想气体求得。缺点：低压无效。靠近相变区时结果不正确。18二、对比态原理及压缩系数图1.对比态原理对于理想气体，在所有状态下都有P=ρRT。对于实际气体，引入一个修正系数以使得式中Z叫做压缩系数，它表示实际气体与理想气体的偏离程度。对于理想气体，所有状态下Z的值都等于1。对于实际气体，Z是状态的函数。任何气体的压缩系数的数值可由实验来确定。但是，利用某些普通化的资料将使我们在计算压缩系数的近似值中得到极大的简化。在P≤1.6MPa以下管道，Z≈Z0=1。RTZP第二章天然气管道输送基础19在相同的压力和温度下，不同介质的密度是不同的。但是，实验表明在相同的对比压力和对比温度下，不同介质的对比密度近似相同。这一实验事实首先被范得瓦尔利用，他对气态和液态的所有物质提出了范得瓦尔对比态原理，得到了临界压缩系数Zc。第二章天然气管道输送基础20Zc的实验值对于大多数物质都在0.2~0.3的狭窄范围内。因此，作为一级近似，可以认为Zc是一个普通常数。Z=f(Pr,Tr)上式通常被称为修正的对比态原理。第二章天然气管道输送基础212.压缩系数图根据上式，用Pr和Tr为坐标绘出Z的曲线图，则对所有气体可以使用一张图来表示。这种图叫做通用压缩系数图。第二章天然气管道输送基础22三、压缩系数的计算方法压缩系数也可以通过计算方法求得，下面介绍常用几种公式：1.美国加利福尼亚天然气协会(CNGA)公式2.前苏气体研究所（BHИИГАЗ）公式对于干燥天然气对于脱去轻烃的伴生气61.7853.82515.07210101ZPT15.1734.1100100PZ25.1916.2100100PZ第二章天然气管道输送基础233.RK计算公式其中：a、b的确定方法与前述RK方程中一致。4.SRK计算公式其中：a、b的确定方法与前述SRK方程中一致。0)(223ABZBBAZZ5.22TRaPARTbPB0)(223ABBBAZZ22TRaPARTbPB第二章天然气管道输送基础245.PR计算公式其中，a、b的确定方法与前述PR方程中一致。6.BWRS计算公式0)()32()1(32223BBABZBBAZBZ22TRaPARTbPB)exp()1()()()(1223252250403000RTcTdaRTRTdRTabRTERTDRTCRTABZ第二章天然气管道输送基础257.标准状态下压缩系数国家标准《天然气发热量、密度和相对密度的计算方法》（GB11062-89）和《天然气流量的标准孔板计量方法》（SY/T6143-1996）中给出了标准状态下的压缩系数Z0的计算方法：20)(1iiibyZ第二章天然气管道输送基础268.美国煤气协会（AGA）计算方法美国煤气协会(AGA)压缩系数计算公式也为我国《天然气流量的标准孔板计量方法》(SY/T6143-1996)中采用。当天然气主要含量为甲烷、乙烷，重烃含量较少，且真实相对密度Δ≤0.75，氮气和二氧化碳气体摩尔分数分别不超过0.15时，压缩系数Z按下式进行计算：HnDDBZZ3)00132.01(0225.3第二章天然气管道输送基础272.1.4天然气的焓将气体内能和体积与压力乘积之和称为气体的焓。焓是一种热力学状态参数，在工程计算中，一般用焓差计算物质加热或冷却时热量的变化。焓的零点通常取绝对温度和绝对压力都为0的状态。一、理想气体焓h0天然气中常见组分的理想气体状态焓(h0)如图1-2和图1-3所示。此外，对理想气体单组分给hi0可按下面多项式计算：54320TFTETDTCTBAhiiiiiii第二章天然气管道输送基础28二、实际气体的焓1.计算法由热力学关系可知：或结合各类状态方程可得到：dPTVTVhhpP])([00dTPTPRTPhh2001])([第二章天然气管道输送基础,,hhZTp（）292.查图法第二章天然气管道输送基础302.1.5天然气的熵熵是一个状态参数，随状态变化而变化，且它的变化与过程无关，而只决定于初始状态与终了状态。熵的变化表征了可逆过程中热交换的方向与大小。它的计算方法类似于焓的计算。一、理想气体的熵s0天然气中几种组分的理想气体熵si0如图所示。此外，对理想气体单组分熵si0可按下面的多项式计算。iiiiiiiGTFTETDTCTBs43204534232ln第二章天然气管道输送基础31二、实际气体的熵1.计算法由热力学关系可知，或TpPdPTVss])([00TdTPss])([200第二章天然气管道输送基础),(0ZTsss322.查图法查图法：第二章天然气管道输送基础332.1.6天然气的比热容均匀简单可压缩系统的质量定容热容CV和质量定压热容CP：由热力学可知，对于理想气体有：VVTuCPPThCRCCVP第二章天然气管道输送基础34一、理想气体比热容对于纯组分理想气体，质量定压热容可按下述方程拟合对于混合物质量定压热容则为二、实际气体比热容1、计算法或2、查图法43205432TFTETDTCBCiiiiiPi00