天然气物性参数及管线压降与温降的计算

整个计算过程的公式包括三部分：

一. 天然气物性参数及管线压降与温降的计算 二. 天然气水合物的形成预测模型 三. 注醇量计算方法

.天然气物性参数及管线压降与温降的计算 20 C 标准状态

1

y i M i

24.055

任意温度与压力下

Y i M i

式中厂混合气体的密度，

P —任意温度、压力下i 组分的密度，kg/m 3; y i — i 组分的摩尔分数； M i —i

组分的分子量， V i —i 组分摩

尔容积， 天然气密度计算公式

pMW g

ZRT

天然气相对密度

天然气相对密度△的定义为：在相同温度，压力下，天然气的密度与空气密 度之比。

天然气分子量

标准状态下，Ikmol 天然气的质量定义为天然气的平均分子量,

Y i M i

M

式中 M —气体的平均分子量，kg/kmol ; y i —

气体第i 组分的摩尔分数；

M —气体第i 组分的分子量，kg/kmol

天然气密度

混合气体密度指单位体积混合气体的质量。 0 °C 标准状态

按下面公式计算:

1 22.414

y i M i

简称分子量。

(1)

kg/m 3；

kg/kmol

；

⑹

式中 △—气体相对密度；

厂气体密度，kg/m 3；

p —空气密度，kg/m 3,在 P o =1O1.325kPa, T o =273.15K 时，p =1.293kg/m 3;

在 P o =1O1.325kPa T O =273.15K 时，p =1.293kg/m 3。

因为空气的分子量为28.96,固有

28.96

假设，混合气和空气的性质都可用理想气体状态方程描述，则可用下列关系 式表示天然气的相对密度

天然气的虚拟临界参数

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，此时状态称为临界状态。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组分的摩尔分数以及临界温度、临界压力和 临界密度求得，按下式计算。

T c

Y i T ci i

(9) P c

Y i P ci

i

(10

) c

Y i ci

(11)

i

式中T c —混合气体虚拟临界温度，K ；

P c —混合气体虚拟临界压力（绝），Pa ；

P —混合气体虚拟临界密度，kg/m 3 ；

T ci —i 组分的临界温度，K ；

P ci —i 组分的临界压力（绝），Pa ； P —i 组分的临界密度，kg/m 3；

y i —i 组分的摩尔分数。

天然气的对比参数

式中 pMW j

RT pMW a

RT

MW a —空气视相对分子质量；

MW g —天然气视相对分子质量。 MW g MW a MW g

28.96 (8)

(21)

式中 K ij —天然气的交互作用参数;

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。

P P r - (12) P c

T r -

(13) T c

r —

(14)

c

式中 P r —气体对比压力；

T r —气体对比温度；

P —气体对比密度。

天然气压缩系数

对于理想气体，在所有状态下都有 P RT 。对于实际气体，引入一个修正 系数以使得

P Z RT

(15)

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，在所有状态下Z 的值都为I 。对于实际气体，Z 是状态函数。

关于天然气压缩因子的计算，主要采用 Pon g-Robi nso n 方程：

RT

a(T)

V b V (V b) b(V b)

(16)

式中

n n

a(T)

X j XjQa j i j )0.5(1 K j )

i 1 j 1

n

b

xb

j 1

a i

0.45724空

P er

(17)

(18)

(19)

m i

RT Cr

b 0.0788 er

P er

0.5

1 m 1 T ri

0.37464 1.5422

0.26992 2

(20)

(22)

p er —组分i 的气体临界压力； T er —组分i 的气体临界温度； T r —组分i 的对比温度； 3i —组分i 的偏心因子。 由方程(16)可得到关于Z 的方程

天然气的粘度计算公式

根据天然气所处压力、温度条件下的密度和标准状态下的相对密度△，可按 下式计算天然气粘度

1 5

2.415 7.77

0.1844 T .

C

10

122.4 377.58 1.8T

天然气的导热系数计算公式

气体碳氢化合物的导热系数随温度或压力的升高而增大，确定气体导热系数 可按查图法和计算法确定。

若压力较低时，混合气体的导热系数按下式计算

1 3 y i i

M i

Z 3

(1 B)Z 2

A 3

B 2 2B Z AB B 2 B 3

aP A —2十2

R T B

bP

天然气质量疋压比热容

混合物质量定压热容

RT

C P

0 y i C

Pi

(23) (24) (25)

(26)

y

C exp x -

1000

x 2.57 0.2781

1063.6 T

y 1.11

0.04x

(27) (28) (29)

(30)

1 3

y i M i

(31)

式中 —混合气体的导热系数， W/(m-K)；

入一混合气体i 组分的导热系数，W/(m ?i

式中 C p°—理想气体混合物质量定压热容，kJ/(kg K)；

y i —组分i 的摩尔分数。

y i —混合气体i 组分摩尔分数；

M i —混合气体i 组分的分子量，kg/kmol 。

低压单组分气体的导热系数

在低压下，对于甲烷、环烷烃、芳香烃

2.04746 10

5

C p M

T r

T r 1

r

对于其它碳氢化合物及其它的对比温度范围

6

4.60104 10

14.52T r

T c 16M 12

)23

c

式中—气体的导热系数，W/(m ?K);

T r —气体对比温度；

C P —气体质量定压热容，J/(kg K ); T c —气体临界温度，K ; P c —气体临界压力，MPa ； M —气体分子量，kg/kmol 。

温度对导热系数的影响

2

273 C T

T C 273 式中 —气体在T 时的导热系

数，W/(m - K);

力一气体在273K 时的导热温度，W/(m -K); C —与气体性质有关的无因次实验系数，见表 4-1 对混合气体，还可按下式计算

T 2

式中 X T 1)—温度为T 1时混合气体导热系数，W/(m ?K);

X T 2)—温度为T 2时混合气体导热系数，W/(m ?K); y i —混合气体i 组分摩尔

分数

A(T 1)—温度为T 1时i 组分气体导热系数，W/(m -K); A(T 2)—温度为T 2时i 组分气体导热系数，W/(m -K)。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

T 1

压力对气体导热系数的影响

在高压下，单组分气体导热系数可根据对比密度p进行计算

P<0.5 时

0 rZ 2.69654 4 0.535 r

10 e r 1(37) 0.5< p<2.0 时

0 rZ 2.5197210 4e0-67 r 1.069(38) 2.0< p<2.8 时

0 rZ 5.7467310 5e"55r 2.016(39)

式中p—气体对比密度；

力一低压气体导热系数，W/(m?K);

厂高压下气体密度，kg/m3;

—高压下气体导热系数，W/(m -K)；

Z c—临界压缩系数。

公式(36)~(39)也适应高压混合气体导热系数的计算。此时，公式中各量为混合

气体对应参数。

计算气体导热系数步骤如下：

(1) 由公式(32)或(33)计算低压气体各组分在273K时的导热系数。

(2) 由公式(34)或(35)计算低压气体各组分在给定温度下的导热系数。

(3) 由公式(31)计算低压混合气体在给定温度下的导热系数。

⑷按公式(37)~(39)计算混合气体在所需温度和压力下的导热系数。

天然气管流的温降

根据能量守恒定律和气体动力学理论，可建立一元气流的能量方程，即

q v2v2

v u gz — v h gz (40)

x t 2 x 2

若忽略高程并设流动为稳定流，则式(7-5)可改写为

dT dp (41)

T p dx p T dx dx

式中h—气流的焓，J/kg。

引入定压比热c p和焦耳一汤姆逊系数D i后上式可表示为

C p dT C p

D i dp q

由热量平衡关系可得dx管段上的热量损失为

式中K—管道的总传热系数, W/(m2 K)。联立式(42)和(43)

K D(T T。)

M dx CpGdp C p dT

(42)

(43)

(44)