天然气输送管线温度计算.pdf

2 011矩 第 7期 第 4 O 卷 第 3 9 页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 0 1 1， 4 0 7 3 9 ～4 3 文 章 编 号 1 0 0 I - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 7 0 0 3 9 - 0 5 天然气输送管线温度计算 高德洁 ， 王鑫。 ， 王春生 ， 孙启 冀 ， 孙 勇 ， 徐 国富 1 ． 东北石油大学 石油工程学院 ， 黑龙 江 大庆 1 6 3 3 1 8 ； 2 ． 海洋石油工程股份有 限公 司 建 造公 司 ， 天津 3 0 0 4 5 7 ； 3 ． 大 庆油 田公 司 储运 销售分公司 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 4 5 3 ； 4 ． 大庆油 田公司 采气分公 司， 黑龙 江 大庆 1 6 3 5 1 8 摘要 天然气管道温降的数值计算可以为输气管道的设计、 判 断水合物的生成、 保证生产运行提供 参考数据。在苏霍夫公式的基础上 ， 考虑 了焦耳一 汤姆逊效应的影响 ， 根据天然气在管道 中流动的 导热基本理论， 结合工程热力学、 传热学、 流体力学知识， 建立天然 气输气管线温降模型 ， 采用循环 迭代方法计算出天然气沿程温度 ， 对影响管道温降的各种因素， 例如气体组成、 管道运行参数、 保温 情况等进行分析比较 ， 为减小天然气管输的温降， 伴热功率、 加热 炉加热温度 的计算及节能优化提 供 了理 论 依 据 。 关键 词 天然 气 ； 温度 ； 计 算 ； 输 气管道 中 图分类 号 TE 9 7 3 ． 1 文 献标 识码 A Te mpe r a t u r e Dr o p Ca l c u l a t i o n f o r Na t u r a l Ga s Tr a n s mi s s i o n Pi pe l i n e GAO De j i e ， W ANG Xi n 。 ， WANG Ch u n s h e n g ， S UN Qi j i ～， S UN Yo n g ， XU Gu o f u 1 ． Co l l e ge o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8， C h i n a； 2 ． Co n s t r u c t i o nC o mp a n y， 0f f s h o r e0i l En g i n e e r i n g Co ． ， Lt d． ， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 7 ， C h i n a； 3 ． St o r a g e a n d Tr a n s p o r t a n d Ma r k e t i n g S u b - c o mp a n y， Da q i n g Oi l f i e l d Co mp a n y， Da q i n g 1 6 3 4 5 3， Ch i n a 4 ． Ga s Pr o d u c t i o n Su b - c o mp a n y， Da q i n gOi l fi e l d Co mp a n y， Da q i n g 1 6 3 5 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t The n ume r i c a l c ompu t a t i o n o f na t u r a l ga s p i pe l i ne t e mpe r a t u r e d r o p wi l l pr o v i de t he r e f e r e n c e d a t a f o r d e s i g n o f g a s p i p e l i n e ， t h e j u d g me n t o f h y d r a t e f o r ma t i o n ， t h e n o r ma l p r o d u c t i o n a n d o p e r a t i o n ． On t h e b a s i s o f S u Hu o Fu f o r mu l a ， c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t o f t h e J o u l e Th o ms o n， a c c o r di n g t o t he n a t ur a l g a s f l o wi ng t hr o ug h a p i pe h e a t c on du c t i o n ba s i c t he o r y， c o m b i ne d wi t h e n gi ne e r i ng t h e r mod yn a mi c s ， he a t t r a ns f e r a n d f l ui d m e c ha ni c s kn owl e dg e， e s t a b l i s hi ng g a s t r a ns mi s s i o n pi p e l i ne t e mpe r a t ur e d r op m o d e l ， a d o pt i t e r a t i v e me t h od， t he na t u r a l ga s t e mpe r a t ur e a l o ng t he p i pe i s c a l c u l a t e d， c o m p a r i ng s o me ki nd of f a c t o r s s uc h a s ga s c o mpo s i t i o n， t he p i pe l i ne o pe r a t i o na l f a c t o r ， t he he a t p r e s e r v a t i o n s i t u a t i o n， a nd a n a l ys i s ho w t he f a c t o r s i nf l u e nt t he t e m p e r a t ur e d r op， pr o vi di n g t he t h e o r y ba s i s f or ho w t o r e du c e t h e t e mpe r a t u r e dr o p i n t he g a s l i ne ， t he he a t i ng p o we r a nd t h e he a t i n g f ur na c e h e a t i ng t e mpe r a t ur e c a l c ul a t i on， a n d e ne r g y c o ns e r v a t i o n a nd o pt i m i z a t i o n． Ke y wo r d s na t u r a l g a s ； t e mpe r a t ur e； c a l c u l a t i o n； g a s l i ne 在天然气管道输送过程 中， 随着温度降低 ， 可能 会生成水合物使管道截面变小 ， 降低输气效率 ， 通常 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 1 1 2 基金项 目 国家 自然科学基金项 目“ 超重力流化床气 固相间作用机理与颗粒流矩模型 的研究” 2 1 0 7 6 0 4 3 资助 作者简介 高德 洁 1 9 8 7 一 ， 女 ， 山东 阳谷人 ， 硕 士研究 生 ， 研 究方 向为储 运系统优 化与 节能降耗 技术 ， E ma i l g a o d e j i e 1 0 4 6 1 2 6 ． c o m。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 1 年 7月 采用脱水 、 加热或伴热输送等方法输送天然气 。天 然气管道温降的数值计算可 以为输气管道 的设计 、 判断水合物的生成 、 保证生产运行提供参考数据口 ] 。 本文从 导 热基 本理 论 出发 ， 根 据 天 然 气 在 管 道 中流 动的导热基本理论 ， 结合工程 热力学 、 传热学 、 流体 力学知识 ， 综合考虑天然气组分、 管道设计参数 、 保 温和埋地情况等因素对天然气管道温降的影 响， 实 现了管道温降的正向计算和反 向计算 ， 并绘制出温 降曲线 ， 得出了天然气输气管线沿程温降的计算公 式。对影响温降的各种 因素， 例如气体组成、 管道运 行参数 、 保温情况等进行比较 ， 为减小天然气管输的 温降提供了思路 。 1 物理模型 由于 埋 地管 道 具 有 受地 形 地 物 限制 因素 少 、 能 缩 短远 输距 离 、 安 全 密 闭 、 基 本 不 受 恶 劣 气 候 的影 响、 长期稳定运行等优点 ， 所 以在输油管道工程 中得 到非常普遍 的应用 。埋地天然气保温管道物理模型 如 图 1 。 J 土壤 但 漏 犀 1 ； l d r 一 2 天然气物性 参数 单一组分气体} 昆 合 而成 ， 其平均参数可 由单一组分 气体 的性质按混合 法则求得 ， 主要体现在天然气的 分子量 、 平均密度 、 虚拟临界参数、 对 比参数等， 计算 过程 中需确定 的物性参数 主要有 比热容、 粘度和导 由热力学 可知 ， 对 于实 际气体 的比热容计算 ㈩ 式中， C 为质量定压热容 ， k J ／ k mo l K ； C v为质 量定 容 热 容 ， k J ／ k mo l K ； T 为 实 际气 体 温 度 ， K； p为 实 际气 体 密 度 ， k g ／ m。 ； P为 实 际气 体 压 力 ， Pa 。 2 ． 2 粘 度 单组分气体的粘度取决于温度和压力 ， 而气体 混合物的粘度还与气体的组成有关 。合气体 的粘度 随着温度 的升高而增大 。温度对气体动力粘度的影 响近似计算公式为 2 一 。 了 L 式中， 为温度为 丁时的气体动力粘度， P as ； 。 为温度为 2 7 3 K时的气体动力粘度， P a S ； C为与 气体种类有关的无因次试验系数。 表 1给出了 1 个绝对大气压力时几种碳氢化合 物 的无 因次 试验 系数 C。 表 1 几种碳氢化合 物无因次试 验系数 c 2 ． 3导 热 系数 气体碳氢化合物的导热系数随温度或压力的升 高 而增 大， 气 体 导 热 系 数 可 用查 图法 和计 算 法 确定 。 2 ． 3 ． 1 温 度对 导热系数的影响 。 2 7 3 F C 丽 T 3 式 中， 为气体 的实际导热 系数， w／ i nK ； 。为 气体在 2 7 3 K时的导热系数 ， w／ mK ； C为与气 体性质有关 的无因次试验系数 。 2 ． 3 ． 2压力对导热 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 r O ． 5时 0 一 2 ． 6 9 6 5 4 1 0 e P r ～1 4 0 ． 5 p 2 ． 0时 第 4 O卷第 7期 高德洁 ， 等 天然气输送管线温度计算 。 P Z 一 2 ． 5 1 9 7 2 1 0 - 4 。 P r 一 1 ． 0 6 9 5 2 ． 0 a 时 ， d取 d 。 ； 当 a ≈ 。 时 ， d取 d 。 ／ 2 ； 当 口 d 时 ， d取 d 。 4 ． 2温 降l_ 7 _ 8 ] 管道温降计算公式为 丁一 To 丁Q T。 e a x _ D。 PQ -- ． P z 1 一 e ⋯ 1 0 式中， Q为管道起点压力 ， P a ； 为管道终点压力 ， P a ； L为 管道 长 度 ， r n ； T为 气体 温度 ， K 或 。 C； T o 为 管 道 埋 深 处 地 温 ， K 或 ℃； D 为 焦 耳 一 汤 姆 逊 系 数 ， ℃／ MP a 。 5 计算 实例及分析 5 ． 1 管道 设计 参数 以徐深 6 集气站至宋一 联输气管道为例 ， 设计参 数为 管径 o 2 1 9 mm7 mm， 长度 1 2 k m； 管道材质 为 2 0 钢 ， 输送 介质 为天 然气 ， 起点 温度 6 O℃， 起 点 压力 1 O MP a ， 终点压力 3 MP a ， 设计输量 8 O 1 O i n 。 ／ d ； 保温材料采用导热系数为 0 ． 0 3 5 w／ m K 的超细玻璃棉毡 ， 保温层厚度 1 5 mm。 5 ． 2管道铺 设条 件 管道 中心 处埋 深 为 1 1T I ， 土 壤 导 热 系数 为 1 ． 5 w／ m K ， 空气温度为一2 0℃ 最恶劣工况 。 天然气各组分所 占百分 比如表 2 。 表 2 天然气各 组分所 占百分 比 5 ． 3 拟 合温 度与 距离 的关 系 由于考虑了节 流效应的影响 ， 管道中的天然气 温度会降至埋 深处地温 以下 。当温度降至最低点 后， 土壤向管道传递热量 ， 所以在管道末端温度会缓 慢上升 。管道拟合温度与距离的关系如图 2 。 越 赠 H 图 2 天然气管道压降曲线 5 ． 4 各 参数对 温 降的影 响及 比较 为了便于分 析各 因 素的影 响 ， 对 某些 设定 值 做 了放大或缩小处理 ] 。管道长度设定为 1 5 0 0 0 I T I ， 其他参 数与 徐深 6集 气站 至宋一 联输 气管道 的 参数相同。管道参数对 温降的影响计算结果如 图 3～ 1 1。 ∞ ∞ ∞ 如 加 m o 4 2 石 油矿场 机 械 2 0 1 1 年 7月 赠 赠 赠 赠 H 赠 H 距管道起点距离L ／ m 图 3 甲烷 和乙烷含量对温降的影响 距管道起点距 离L ／ m 图 4 不同水蒸 气含量的沿程温降 0 30 00 600 0 9 0 0 0 1 2 0 0 0 1 5 00 0 距管道起点距离L ／ m 图 5 不 同管 径的沿程温降 距管道起点距离L ／ m 图 6 不同管道长度 的沿程温 降 距管道起点距离L ／ m 图 7 不 同流量的沿程温降 赠 赠 H 距管道起点距 离L ／ m 图 8 不同起 点压力的沿程温降 0 3 0 0 0 60 00 900 0 1 20 0 0 1 5 0 o 0 距管道起点距离L ／ m 图 9 不 同终点压力 的沿程温 降 O 3 0 0 0 60 0 0 90 0 0 1 20 0 0 1 5 0 0 0 距管道起点距离L ／ m 图 1 O 不 同保温层导热 系数 的沿程 温降 0 3 0 0 0 60 0 0 90 0 0 1 2 0 0 0 1 5 0 O 0 距管道起点距离L ／ m 图 1 1 不同保 温层厚度的沿程温降 6 结论 1 对温降影响较大的因素有气体组成、 管长 、 任务流量、 起点和终点压力、 保温层厚度等 ； 对温 降 影响比较小的因素有水蒸气含量 、 管径和保温层导 热系数等。 2 对于长距离输气管道 ， 温降在管道起点附 近最明显 ， 越往后越趋 于平缓 ； 由于节流效应 的影 响， 天然气的最低温度会低于地温 ， 之后外界对气体 传热 ， 使天然气温度略有升高 。 越赠 赠 2 0 1 1 年 第 4 O卷 第 7 期第 4 3页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 0 1 1 0 7 0 0 4 3 0 4 J C 3 0 DB WZ型单轴绞车结构设计及 起 升系统特性分析 王瑞成 川庆钻探工程有 限公 司 长庆钻井 总公司 ， 西安 7 1 0 0 1 8 摘要 针对我国传统绞车存在传动复杂、 效率低 、 送钻不均匀、 钻压不稳定等缺点， 介绍 了一种新型 电机直驱单轴绞车结构型式J c 3 O DB wZ型交流变频 电驱动单轴绞车， 并对起 升 系统 的特性 进 行 了分析 。该 绞 车采 用 2台大功 率 、 低 速 、 大扭 矩 变频 电机 从 滚 筒 轴 两端 直接 驱动 滚 筒 ， 形成 电 机外置与滚筒一体化单轴绞车结构型式 ， 具有结构简单新颖、 调速 范围宽、 适应能力强等优点， 可满 足 恒扭矩 、 恒功率 等 多种工 况要 求 。 关键 词 绞 车 ； 结构 设计 ； 特 性分析 中图分类 号 TE 9 2 2 文献 标识 码 A De s i g n o f J C3 0 DB W Z S i n g l e S h a f t Dr a wwo r k s S t r u c t u r e a n d Ana l y s i s o f Ho i s t i n g S y s t e m W ANG Ru i c he n g Ch a n g q i n g Dr i l l i n g C o mp a n y， CCDC， X ’ a n 7 1 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi ng a t t he di s a d v a nt a ge o f c o mpl e x i t y， l ow e f f i c i e n c y， une v e nl y d r i l l i ng， a nd u ns t a b l e POB e x i s t i ng i n c o n ve nt i on a l dr a wwor ks ， a ne w t yp e o f s i n gl e s ha f t dr a wwo r k s d r i ve n by DC m o t o r f o r J C3 O DC W Z wa s d e v e l o p e d a n d i n t r o d u c e d， a n d t h e h o i s t i n g s y s t e m WS S a n a l y z e d ． Two h i gh po we r VFD m o t o r a r e a do pt e d， wi t h l o w s p e e d a n d l a r g e t o r qu e， wh i c h a r e di r e c t l y c o nne c t e d 3 影响最低点温度 的因素是起点、 终点压力 和管长 。起点与终点压差越大 ， 管长越小 ， 节流效应 越显著 ， 天然气的最低温度越低 。 4 管线较长 时 ， 管径对 节流效 应 的影 响不 显著 。 参考文献 [ 1 ] 姚莉 ， 张丽娜 ， 赵芸 ． 国内外天然 气储运 技术 现状 与发展趋势综述r J ] ． 天然气经济 ， 2 0 0 4 5 5 3 6 6 ． [ 2 ] 沈维道 ， 蒋智 敏 ， 童钧耕． 工程 热力学 [ M] ． 3版． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 杨世铭， 陶文铨． 传热学[ M] ． 4版． 北京 高等教育出 版社 ， 2 0 0 6 4 - 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