输气管温度分布规律
输气管道最低环境温度取值分析
能源环保与安全一、概述随着中俄管道等高寒地区管道建设的发展，防止钢管及管件发生低温脆断的问题也越来越受到关注，最低设计温度成为亟待明确的工艺关键参数。
从目前国内外相关国家、企业标准对最低设计温度的定义和规定来看国内外各个标准对最低设计温度的定义本质是一致的，即：管道最低设计温度应为金属管件所能达到的最低温度。
管道温度主要受管道内介质温度和管道外环境温度的影响，管道最低设计温度应充分考虑介质温度和环境温度，择低选取，因此管道最低环境温度取值对明确管道设计温度和钢管材质选取等至关重要。
本文主要对输气管道最低环境温度取值进行分析。
二、标准对比分析国内外不同标准规范对管道最低环境温度的选取要求不尽相同．目前国内外标准中对最低环境温度的取值不尽相同，主要集中在以下四个参数的选取中：１）极端最低气温；２）历年来月平均最低气温的最低值；３）最冷月连续五日最低气温平均值；４）历年来最低日平均气温。
通过对规范的对比可以看出：１）国内规范选用历年来月平均最低气温的最低值作为最低环境温度； ２）国外欧、美标准中选取历年来最低日平均气温作为最低环境温度； ３）俄罗斯标准中提到寒冷季节气温保证率，干线管道为０．９２，站内管道为０．９５，在工程中一般选用了最冷月连续五日最低气温平均值作为最低环境温度。
三、管道最低环境温度取值分析对于同一个地区的极端最低气温、历年来月平均最低气温的最低值、最冷月连续五日最低气温平均值和历年来日平均气温最低值这几个温度的差异，我们依次选取齐齐哈尔至北京等１３个气温监测站点进行了统计对比（１９８１－２０１０年气象资料数据库），气温对比趋势图见图１。
图１ １３个气温监测站点不同环境温度对比折线图根据数据统计图表，分析可知：（１）１３个站点的四种气温趋势一致，历年月平均最低＞历年日平均最低＞连续五日最低气温平均值＞极端最低。
（２）从１３个站点的各温度差值来看，连续五日－极端气温差值大约为１～３ ℃，平均为２ ℃；历年日平均最低－极端气温差值大约为４～８ ℃，平均为５ ℃；历年月平均最低－极端气温差值７～１２ ℃，平均为９ ℃。
26输气管道参数对输气量的影响(修改)
第六节 输气管道参数对输气量的影响现在我们有了输气管的基本公式，也有了常用的一些适用公式，讨论一下管径、管长、压力、温度对输气量的影响，在实际生产过程中，我们对不同的管径它的输量有什么关系，不同的输送压力、不同的输送温度，致使我们的流量增加还是减小，在设计的时候心里有数。
现在以输气管威莫斯公式讨论各种参数对输气量的影响，从而得出某些结论：0.5222.6700.3967Q z P P Q D z TL ⎡⎤-=⎢⎥∆⎢⎥⎣⎦管径D 对输量的影响：Q 0∝D 2.67假设起终点压力、温度、管长都保持一定的条件下，我们可以看出来，输量与管径的22.67成正比，D 增大一倍，输量增加22.67=6.4倍（例子：如果是600mm 的管径，它的输量是每年100亿方，如果管径提高到1200mm ，这时候它的输量可以达到640亿方每年，管径增大1倍，输气的成本不会增加6.4倍，600mm 的管线投资时30个亿，但是1200mm 的管道投资不会是30乘以6.4倍，应该远远低于这个数，因此在设计中管径的选取时非常重要的，当然我们还是希望采用管径比较大的管线，如果是大口径管道，那么它的输量就很高，就要涉及到后备的气源，就是说如果你的大管线的管道建成之后，你的气源得不到保证，这时候尽管可以输送很高的输量，但是你没有那么多气让它输，这时候也是一个比较大的浪费，设计时既不能太小，太小满足不了我们的要求，输送单位体积的气体它的运价就要比较高，如果太大，就会使我们管道不是满负的），所以，加大输气管直径是提高输量的主要措施。
管径的选取是我们在设计一条管线中一个最重要的环节，就是如何来确定输气管的管径，确定的时候我们刚才说了，要考虑气源，同时还要考虑市场的需求，就是我能不能需要这么多的气体，尽管我有很大的输气量，但是我们末端的市场得不到保证，没有人用这个气，用气量很少，这样气体输送过去后也没有地方储存，这也是一个问题，这就是管径对输量的影响。
第五章 输气管的热力计算
（5-13）
式中 N u——努谢尔数， Nu 1 Dn
，
Re —— 雷诺数；
Pr c p Pr ——普朗特数，
、c p、 ——平均温度下气体的动力粘度、定压比热和导热系
数。
20
外部放热系数 2 决定于管道铺设条件。地下管为
2
2t
2 2 H 2 H Dw ln 1 Dw Dw
（5-19）
如果管道没有绝缘层，甚至取
K 2
（5-20）
24
第四节 水合物
一、水合物及其形成条件
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， 密度为 0.88~0.90g/cm3。
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。水
pQ pZ aL
1 e
ax
pQ pZ 1 L ax ax Tpj T0 (TQ T0 )e Di 1 e dx 0 L aL aL p p 1 e 1 Q Z aL T0 (TQ T0 ) Di 1 1 e aL aL aL
时，可求得最低温度为
Tmin T0 Di
pQ pZ aL
若将 T=T0代入式（5-6），距离x=x0，即该点以后输气管的温度低 于周围介质温度。
1 aL TQ T0 x0 ln 1 a Di pQ pZ
(5-8)
15
第二节 输气管的平均温度
合物有两种结构，低分子的气体（如 CH4， C2H6， H2S）
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。
第三章 天然气管输系统
2) 在T、d、G、P1 、P2 不变时,管线长度的影响 Q1/Q2=(L2/L1)1/2 即输气量与管长的0.5次方成反比,若管长缩小一半, 即:L2=0.5L1,则Q2=1.41Q1,如在原有两加压站间再增设一个加压站,输
天然气管输系统示意图
矿场 集气 支线 集气 站 加压站 配气 站 输 气 干 线 输配气 站 配气管 线
矿场 集气 集气 干线 净化 站 厂 首站 集气 站 集气 站 加压站
配气 站
1、矿场集气
气田集气从井口开始，经分离、计量、调压、净化和集中等一 系列过程，到向干线输气为止。包括井场、集气管网、集气站、天 然气处理厂、外输总站等。
2、干线输气
输气干线从矿场附近的输气首站开始，到终点配气站为止。长 距离管线管径大，压力高，距离长。
3、城市配气
城市配气从配气站开始，通过各级配气管网和气 体调压站根据用户的要求供气。 储气库以调节输气和供气之间的不平衡。
第二节 输气干线的工艺计算
一、一般输气管道通过能力公式及分析
1. 通过能力公式（潘汉德公式） 1)一般输气管指管线敷设在平坦地区，管线沿线地形起 伏的高差在200米以内。 Q=11500Ed2.53〔 (P12-P22)/(ZTLG0.961) 〕0.51
2 2
l输气管线运行的几项基本技术指标 运行操作参数
表征输气管线内气流状况的基本指标是压力、流 量、温度等，用以表明严密性、管内有无积液、污物、 水化物的堵塞。
输气管道设计与管理
1气田气：从地层内开发生产出来的、可燃的烃和非烃混合气体，这种气体有的是基本上以气态形式从气井中开采出来的，称为气田气2油田伴生气：有的是随液态原油一块儿从油井中开采出来的，称为油田伴生气3习惯上把这两类气体都称为天然气。
气田气60%和油田伴生气40%4天然气热值很高33MJ/m5天然气的有那些优点？利用天然气作燃料与煤相比有那些优越性？干净、清洁、使用方便、燃料效率高比较价格低等优点6天然气的主要成分是甲烷，及少量的乙烷，丙烷，丁烷等。
7煤层气、油页岩、油砂是我国常规石油资源的重要补充，对提高我国油气资源的保障能力将起到重要作用。
煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），是主要存在于煤矿的伴生气体，也是造成煤矿井下事故的主要原因之一。
油页岩，又称油母页岩，一种高矿物质的腐泥煤，为低热值固态化石燃料。
色浅灰至深褐，含有机质和矿物质；有机质的绝大部分不溶于溶剂，称油母。
油页岩是人造石油的重要原料。
经低温干馏可得页岩油、干馏气和页岩半焦。
所谓油砂，实质上是一种沥青、砂、富矿黏土和水的混合物，其中，沥青含量为10%～12％，砂和黏土等矿物占80%～85％，其余3%～5％是水。
82010年需求量将达到1000亿立方米，而缺口在200亿立方米左右，2020年求量将达到2000亿立方米，而缺口在1000亿立方米左右9我国天然气发展策略：立足国内、利用海外、西气东输、海气登陆、北气南下、就进共应、走国内生产与国外进口相结合的液化天然气发展道路10天然气水合物是21世纪的新能源。
1m3天然气水合物的能量相当于164m3天然气的热值11输气系统的组成：矿场集气管网、干线集气管网、城市配气管网和这些管网相匹配的的站、场装置组成12气田集气从井口开始，进分离、计量、净化、和集中处理等一系列过程，到向干线输气为止13干线输气管:从输气首站至管线的终点配气站，中间可能还设有若干压气站.主要是线路和压气站。
14储气库一般都设在城市附近，以调节输气的与供气之间的不平衡15气体可压缩性对输气和储气的影响：（1）上、下站输量不等时，压力变化较平缓（2）输气管中体积流量沿管长而改变，起始Q 小，终点Q大。
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〃℃。
26输气管道参数对输气量的影响(修改)
第六节 输气管道参数对输气量的影响现在我们有了输气管的基本公式，也有了常用的一些适用公式，讨论一下管径、管长、压力、温度对输气量的影响，在实际生产过程中，我们对不同的管径它的输量有什么关系，不同的输送压力、不同的输送温度，致使我们的流量增加还是减小，在设计的时候心里有数。
现在以输气管威莫斯公式讨论各种参数对输气量的影响，从而得出某些结论：0.5222.6700.3967Q z P P Q D z TL ⎡⎤-=⎢⎥∆⎢⎥⎣⎦管径D 对输量的影响：Q 0∝D 2.67假设起终点压力、温度、管长都保持一定的条件下，我们可以看出来，输量与管径的22.67成正比，D 增大一倍，输量增加22.67=6.4倍（例子：如果是600mm 的管径，它的输量是每年100亿方，如果管径提高到1200mm ，这时候它的输量可以达到640亿方每年，管径增大1倍，输气的成本不会增加6.4倍，600mm 的管线投资时30个亿，但是1200mm 的管道投资不会是30乘以6.4倍，应该远远低于这个数，因此在设计中管径的选取时非常重要的，当然我们还是希望采用管径比较大的管线，如果是大口径管道，那么它的输量就很高，就要涉及到后备的气源，就是说如果你的大管线的管道建成之后，你的气源得不到保证，这时候尽管可以输送很高的输量，但是你没有那么多气让它输，这时候也是一个比较大的浪费，设计时既不能太小，太小满足不了我们的要求，输送单位体积的气体它的运价就要比较高，如果太大，就会使我们管道不是满负的），所以，加大输气管直径是提高输量的主要措施。
管径的选取是我们在设计一条管线中一个最重要的环节，就是如何来确定输气管的管径，确定的时候我们刚才说了，要考虑气源，同时还要考虑市场的需求，就是我能不能需要这么多的气体，尽管我有很大的输气量，但是我们末端的市场得不到保证，没有人用这个气，用气量很少，这样气体输送过去后也没有地方储存，这也是一个问题，这就是管径对输量的影响。
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输气管温度分布规律
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输气管段的热力计算主要有两个目的，一是为同一管段的水力计算服务，二是预测管段中出现凝析液及水合物的情况。
由输气管段的流量公式可知：在其他条件一定的前提下，输气管段的流量取决于整个管段中气体的平均温度，而这一平均温度又取决于整个管段沿轴向的温度分布。
另一方面，输气管段的稳态温度分布又取决于该管段的流量。
因此，输气管段的稳态水力计算与热力计算实际上是相互耦合的一对问题。
为了求出一个输气管段的流量与沿线温度分布，需要联立求解输气管段的流量关系式和温度分布关系式。
由于这两个关系式中的气体物性取决于气体温度和压力，故要进行精确的联立求解是相当困难的。
为此，在工程上通常采用近似解法，即：先假定输气管段的平均温度，按该温度计算输气管段中气体的物性
参数并计算输气管段的流量，然后根据该流量求出输气管段沿线的温度分布及平均温度，若该平均温度与假设的平均温度之差满足工程精度的要求，则计算结束；否则，以计算出的平均温度作为新的假设平均温度并重复前面的计算过程，直到输气管段平均温度的假设值与新的计算值之差满足工程上的精度要求为止。
对于一个等直径、等流量的输气管段，若已知管道起点x=0处的温度T=T₁，则其沿线轴向温度分布可以用输气管道温降基本公式(3-14)描述：
其中a是一个综合系数：
式中T——管段上到起点的距离为z处的气体温度，K；
T₁——管段起点处的气体温度，K；
T₀——管段周围环境的自然温度，对于埋地管道，此温度系指管道中心线处的自然地温，K；
K——管段与周围环境之间的总传热系数，W/(m
²·K)；
M一管段中气体的质量流量，kg/s；
dm——管段的外径，m；
Cp——管段中气体质量定压比热容，J/(kg·K) Di——管段中气体的焦耳一汤姆逊效应系数，℃/MPa。
式(3-14)中其他符号的意义与式(3-1)对应符号相同。
式(3-14)中最后一项是由焦耳-汤姆逊效应引起的温降，在干线输气管道上该项一般为3～5℃。
若忽略该项的影响后，式(3-14)可变为：
T=T₀+(T₁-T₀)e-ax
(3-15)
式(3-15)就是著名的苏霍夫公式。
分析研究表明，当x→∞时，由式(3-15)计算出的温度T→T₀，即输气管道的温度接近地温；但由式(3-14)计算出的温度T→T₀-Di(p₁-p₂)/aL，即输气管道中的温度低于地温，这与实际是符合的。
图3-
4给出了两种公式计算的示意图。
请在这里输入公司或组织的名字
Enter The Name Of The Company Or Organization Here。