仙敦输气管道总传热系数的确定

一、概述

1. 工程简介

南八仙—敦煌天然气长输管道沿线大部分地区人烟稀少, 沿途区域为盐湖风蚀残丘区、盐湖滨湖区、花海子戈壁平原区、当金山区、赛什腾山区、沙山区、七里镇平原区。管线全长278.6公里, 采用国家标准GB9711-88生产的材质S360, 螺旋缝双面埋弧焊钢管, 管径为φ323.9, 大部分地段壁厚为6 mm, 当金山区有长度约为12.5公里, 壁厚为7mm。沿线多为风积沙及洪积碎石, 有较少的砂质粉土, 管线埋深为1.5m。

2. 主要设计参数

设计输气量:3亿方/年;

天然气水露点温度:T≤-40℃ (在5.0MPa压力下) ;

天然气烃露点温度:T≤-25℃ (在5.0MPa压力下) ;

设计压力:起输点6.4MPa, 末站4.0MPa;

工作压力:起输点5.0MPa, 末站1.5MPa;

设计温度:-40~80℃;

工作温度:-30~60℃;

土壤导热系数:1.19 Kcal/n·m·℃ (1.3840 W/m·k) ;

钢管导热系数:43.16 Kcal/n·m·℃ (50.009 W/m·k) ;

三层PE导热系数:0.13 Kcal/n·m·℃ (0.14 W/m·k) ;、

二、马仙采油厂天然气组成检验结果

三、主要运用计算公式说明:

1. 总传热系数的计算公式

总传热系数K是指当气体与周围介质的温差为1℃时, 单位时间内通过单位传热表面所传递的热量, 其表明了气体周围介质的传热强弱。

对埋地管道, 其传热由三部分组成, 即气体与管内壁的放热、管壁、绝缘层、防护层等为N层的导热, 管道与土壤的放热, 即:

式中a1—气体至管道内壁的放热系数, W/ (m2·K) ;

a2—管道外壁至周围介质的放热系数, W/ (m2·K) ;

λi—第i层 (管壁、防护层、绝缘层) 导热系数, W/m·k;

D1—管道内径, m;

DN+1—管道最外层外径, m;

Di—管道上第i层 (管壁、防护层、绝缘层等) 的外径, m;

D—确定总传热系数的计算管径, m。当a1≥a2, D取外径;当a1≈a2时, D取平均值, 即内外直径之和的一半;若a1≤a2, D取内径。

2. 管内壁放热系数a1的计算公式:

内壁放热系数a1可按下列准则方程求得:

式中Nu—努谢尔特准数;

μ—雷诺数:

Pr—普朗特数;

μ—气体的动力粘度, Pa·s

Cp—气体定压比热, J/ (kg·K) ;

λ—气体导热系数, W/m·k;

υ—气体运动粘度, m2/s

D—管道内径, m;

ν—气体流速, m/s。

3. 外部放热系数a2的计算公式:

将土壤看做均值的半无穷大区域, 并考虑土壤的稳定传热, 对土壤与空气间的热交换假设为第一类边界条件情况下, 可得到计算外部放热系数公式如下:

式中ht—管道中心埋深, m

λt—土壤导热系数, W/m·k。

4. 天然气虚拟临界参数和对比参数

式中Tc—混合气体虚拟临界温度, K;

Pc—混合气体虚拟临界压力 (绝) , pa;/3

ρc—混合气体虚拟临界密度, kgm

Tci—i组分的临界温度, K;

Pci—i组分的临界压力, K;/

ρci—i组分的临界密度, kgm

yi—i组分的摩尔分数;

Pr—气体对比压力;

Tr—气体对比温度;

ρr—气体对比密度

5. 天然气粘度计算公式

式中T—天然气温度, K;

Δ—天然气标准状态下的相对密度;

ρ—天然气密度, kg/m3

6. 混合气体导热系数计算公式:

λ—混合气体的导热系数, W/m·k;

λi—混合气体i组分的导热系数, W/m·k;

yi—混合气体i组分摩尔分数;

Mi—混合气体i组分摩尔分数

四、计算结果

1. 压缩系数计算

(1) 临界压力及临界温度:

Tc=194.44K;Pc=4.49Mpa;

(2) 在年输3亿方的情况下计算得到的平均压力:

Pcp=3.63Mpa (绝压)

(3) 冬季敦煌末站进站温度为-14℃, 南八仙出站温度为6℃左右, 算出平均温度为272.3K, 计算对比参数:

Tr=1.4005 Pr=0.8084

(4) 因Pr界于0.2~1.2之间且Tr界于1.4+~2.0之间, 则选用戈派尔计算公式第三式计算压缩系数:

Z=Pr (0.1391Tr-0.2988) +0.0007Tr+0.9969=0.9138

2. 天然气密度、相对密度及粘度计算:

(1) 由马仙采油厂天然气组成检验结果可得出标况下的混合气体密度:

ρ0=0.788 kg/m3

(2) 当前状况下的密度:

(3) 相对密度:

(4) 天然气粘度:

三、管内壁放热系数a1、外部放热系数a2的计算:

1.雷诺数计算:

2.根据混合气体导热系数计算公式及修正:

λ=0.029179 W/m·k

3. 通过对比状态分析查图得到混合天然气定压比热:

4.普朗特数计算:10.168621×1

5. 努谢尔特准数计算:

6.管内壁放热系数a1计算:

7.外部放热系数a2计算:

四、总传热系数计算

1.导入钢管的λ=50.009及三层PEλ=0.14计算总传热系数:

2.若忽略热阻甚小, 可以忽略不计, 则可按下式进行计算:

结论

1.青海油田仙敦输气管线沿途土壤大部分为砾土、细沙、粗砂, 散热较快, 总传热系数较四川等管输天然气偏大。

2.管线地处高原, 昼夜温差较大, 冬季寒冷, 导致管线散热也加快。

摘要：青海油田仙敦输气管道设计上没有给出总传热, 对运行管理及确定输气管道的平均运行温度带来一定困难。用运行参数反算总传热系数因没有实测的地温, 也很难确定。故只能通过沿线工程勘测资料, 再详细计算来确定总传热系数

关键词：传热系数,仙敦管线,设计参数

参考文献

[1] 《天然气管道输送》石油工业出版社, 2000.11, 李长俊主编.

[2] 《天然气压缩系数计算方法综述》, 油气储运第6卷, 第2期, 1987年4月, 陈赓良著.