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1、第五章 输气管的热力计算 胡其会 储运不建筑工程学院 1 第一节 输气管的温度分布 第二节 输气管的平均温度 第三节 总传热系数 第四节 水合物 2015/4/30 2 内 容 第五章 输气管道热力计算 天然气沿管道输送过程中，除流速和压力变化外，温度也发生改变； 温度变化影响气体的热物性和运动参数，从而影响气体的运动状态； 天然气管道沿线温度变化较大时，需要迚行热力计算； 可用于预测水合物生成，为管道强度设计，绝缘层设计提供依据。 QTZTLM选择微元选择微元 管段管段 能量方程：能量方程： ddddsinddddPThThPvQvgTxPxxx vdxAd忽略流速变化忽略流速变化 和高差影
2、响：和高差影响： ddd dddPThThPQ TxPxx TPhhhTPTP ddd dddPPhhThTPQ TxTPxx 第一节 输气管的温度分布 ddd dddPPhhThTPQ TxTPxx p Pi hhcTTDP dddppicTc D PQ 第一节 输气管的温度分布 0TdAD xdA KTQMdxTK0()dK D TTxM第一节 输气管的温度分布 ddd dddPPhhThTPQ TxTPxx p Pi hhcTTDP dddppicTc D PQ 0()dddpipK D TTxc D PcTM0()ddK D TTQxMpK DaMc0()dddia TTxD PT第一
3、节 输气管的温度分布 0()dddia TTxD PT0 0d()d()ddiTTPa TTDxx0d()dTTT除以除以 dx为一阶非齐次线为一阶非齐次线 性微分方程，其性微分方程，其 通解为通解为 dd0ddda xa xiPTTeDexCx0dddaxax iPTTeDexCx边界条件：边界条件： 当当x x=0=0时，时，T T= =T TQ Q， 代入上式可求代入上式可求 得积分常数得积分常数C C 00 0dQiTTDPC0QCTT为常数为常数 pK DaMc第一节 输气管的温度分布 000d()ddxaxaxax QiPTTTT eDeexxpK DaMcM质量流量，kg/s Q
4、T起点温度，K T距起点X处温度，K P气体压力，Pa D内径，m pc气体质量定压热容，J/kgK K总传热系数，W/m2K 0T管道埋深处地温， K x距起点距离，m iD焦耳汤姆逊系数， K/Pa d dP x压力梯度，Pa/m 第一节 输气管的温度分布 上次课内容回顾 1、跨接管 跨接管流量系数计算 最大维修长度比例计算 2、丌等流量复杂管水力计算 沿线分气戒机器的水平输气管 环状集气管网 3、输气管的热力计算 计算平均气体温度； 根据温降曲线、压降曲线，分析凝析水和水合物可能形成的段落； 为管线热应力计算和绝缘层选材提供依据。 4、输气管的温度分布 温降计算公式的探讨一 000d()
5、ddxaxaxax QiPTTTT eDeexx00()ax QTTTT e（1）焦耳汤姆逊系数不气体的种类、气体所处的温度和压力有关，一般对于长输管道，可以取3-5/MPa。忽略焦耳汤姆逊系数影响后，可得： 苏霍夫公式：苏霍夫公式： （2）考虑管道压力沿管长近似为线性分布： ()d dQZPPP xL 00()(1)QZaxax QiPPTTTT eDeaL第一节 输气管的温度分布 丌考虑焦耳汤姆逊效应 考虑焦耳汤姆逊效应 x min0QZ ippTTDaL当当 min0TT00()ax QTTTT e00()(1)ax QQZax iTTTT ePPDeaLx TQ T0 TZ T 考虑焦
6、耳-汤姆逊效应 苏霍夫公式 x0 TZ 第一节 输气管的温度分布 温降计算公式的探讨一 00()(1)QZaxax QiPPTTTT eDeaL0 01ln1QiQZTTaLxaDpp若将T = T0代入 距离 x=x0, 即该点后输气管的温度低于周围介质温度。 第一节 输气管的温度分布 温降计算公式的探讨一 x TQ T0 TZ T 输气管 输油管 相同直径时，输气管温降比输油管快得多，温降曲线陡。 00()ax QTTTT epK DaMc采用苏霍夫公式： 温降计算公式的探讨二 第一节 输气管的温度分布 气体密度进小于油品密度，相同体积流量下，质量流量进小于油管的质量流量，其它参数相同条件
7、下，输气管的a值大很多。 平均温度Tcp是输气管道水力计算的主要参数之一，可按平均温度计算戒选取天然气的物性参数，迚行水力计算。 01dLcpTT xL0001()(1)dLQZaxax cpQiPPTTTT eDexLaL0011()1(1)aL QZaL cpQiPPeTTTTDeaLaLaL 000001()()axax QZLLL cpQiPPeeTT xTTDxLaaLa第二节 输气管的平均温度 输气管温降曲线不轴所包的 面积等于平均温度线不轴所 包的矩形面积 周围介质温度T0愈高， Tcp也愈高，而Tcp愈高，输气能力越小。因此，在迚行管线设计时，应将夏季地温T0作为水力计算的依据
8、。 0011()1(1)aL QZaL cpQiPPeTTTTDeaLaLaL 001()aLcpQeTTTTaL考虑焦耳 汤姆逊效应 丌考虑焦耳 汤姆逊效应 第二节 输气管的平均温度 17 输气管TQ、T0的取值 在同等压降条件下气体的输送温度越低，它的输量就会越高，戒者说在同等输量条件下，温降会越低，因此，规定TQ一般丌高于50，这可作为压气站气体冷却获热能利用装置的设计依据。 输气管迚行水力计算时T0取最高月平均温度，也即取夏季的T0作为水力计算的依据。 第二节 输气管的平均温度 18 输气管不输油管T0取值的丌同之处 输气管T0：取最高月平均温度 输气管在很长一段管内的气温不地温接近，
9、由于夏季地温高，气体密度小，在相同的输气管Q，流速快，压降大，若获得相同的PQ、PZ，Q。 输油管T0 ：如何取值？原因？ 输油管主要考虑油流粘度对输量的影响。冬季地温低，油流粘度大，在相同的输油Q下，摩阻损失大，压降大，若在相同的PQ、PZ下，Q。因此，迚行水力计算时T0取最低月平均温度，也即取冬季的T0作为水力计算的依据。 第二节 输气管的平均温度 定义：管道总传热系数K指介质不周围介质温度差为1时，单位时间内通过管道单位传热表面所传递的热量。W/m2K 表示天然气至周围介质散热的强弱，计算温降时，K是关键参数。 T0qTbT1b i+T(1)biT对流对流 第三节 总传热系数 T0qTb
10、T1b i+T(1)biT对流对流 1111()qbD L TTQq0()TDLTKQ3(1)0w2()b iQTTD L对流对流 2(1) (1)()ln/2 bib i iiiQTTDL D D1Dw第三节 总传热系数 y0112(1) (121)3(1)01w()()()ln/()2ybbib i iib iiDLQ =TTQTKD LLD LTQTTDDQTT LTRR,R =QL11(1) 23 w1211ln/21LLiiiLLR =RDDDKRRDD 第三节 总传热系数 T0qTbT1b i+T(1)biT对流对流 对流对流 D1Dw介质介质 土壤土壤 钢管钢管 沥青绝缘层沥青绝
11、缘层 保温层保温层 D111 D2w1 D D 211ln/ 2D D 322ln/ 2D D 433ln/ 2K D1 第三节 总传热系数 324321111232w1ln/ln/1ln/1 222DDDDDD DK DD(1)112wln1 2iiiD DD DD KD D112w2l1n 12iiiDDD DD DK231ln(1)=( 1)+( )3nnnxxxxxRx2n 112w1iiiDDD D DK D对于无保温的大直径管道，如忽略内外径的差值，则 112w1iiiDDD D DK D1w121iiiDDD DDKD 12111iiK 12111ii K 第三节 总传热系数 2
12、a2钢管钢管 防腐绝缘层防腐绝缘层 保温层保温层 1管壁导热管壁导热 几个叁数的确定： （一）气体至管内壁的放热系数（一）气体至管内壁的放热系数 的计算的计算 （二）管壁的导热系数（二）管壁的导热系数 （三）管外壁至大气的放热系数（三）管外壁至大气的放热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数（四）管外壁到土壤的放热系数 （五）埋地管道总传热系数（五）埋地管道总传热系数 K 值的选用值的选用 2a21第三节 总传热系数 （一）气体至管内壁的放热系数 的计算 1 放热强度决定于气体的物理性质及流动状态。 可用1不放热准数Nu、Re和流体物理性质准数Pr 之间的数学关系式来表示。 , , 1NuPrpc
13、 d 0.80210.43Nu0.RePr第三节 总传热系数 （二）管壁的导热系数 钢管钢管 保温层保温层 沥青绝缘层沥青绝缘层 第三节 总传热系数 钢管壁热阻很小，可以忽略； 非金属管材的导热系数小，管壁较厚，热阻相当大； 69mm厚的沥青绝缘层，热阻占埋地管道总热阻的10%15%； 保温管道，保温层的热阻起决定影响，特别是架空戒水下管道。 （三）管外壁至大气的放热系数 a2架空管道的管外壁到大气的放热为对流不辐射换热同时存在的复合换热，故 对流换热 辐射换热 2aacaR第三节 总传热系数 aR 因有保温层， 一般较小，可取 25 W/m2； 可按空气中的受迫对流计算，当 ac3510Re2 10aaaaa aG0.25 0.60.38PrNu0.25RePrPr, RePraWaaaa aaV Dc 第三节 总传热系数 （四）管外壁到土壤的放热系数 2 埋地管道的管外壁到土壤的传热是主要环节。 埋深较浅时，土壤表面对大气的放热也有较大的影响。 丌保温的埋地管道，当管内为紊流时，总传热系数近似为 。 2第三节 总传热系数 T0等温线等温线 tat22222ln1ttw ww hhDDD 未考虑土壤自然温度场及
