Термодинамическое обеспечение решения

Энерготехнологических задач трубопроводного

Транспорта природных газов

В теплотехнических расчетах процессов трубопроводного транспор­та газа и определении показателей работы газоперекачивающих агре­гатов используется большой набор термодинамических величин: плот­ность газа, изобарная (С_р) и изохорная (С) теплоемкости, коэффициент Джоуля—Томсона £>_h, коэффициент Джоуля—Гей-Люссака Z>_u и ряд показателей термодинамических процессов, таких как адиабатический, изоэнтальпийный, изотермический и др.

Теплотехнические характеристики природных газов обычно опре­деляют с использованием уравнения состояния и дефференциальных со­отношений термодинамики, связывая соответствующие параметры про­цесса с независимыми переменными уравнения состояния.

Определение характеристик природных газов всегда можно полнос­тью осуществить, если исходные параметры позволяют определить удель­ную работу в рассматриваемом процессе.

Действительно, из уравнения первого начала термодинамики для адиабатического процесса (Sg = 0) следует:

(1.40) (1.41) (1.42)

при или

= dh + Sm 0, 5со = - dh

Для реального газа его энтальпия (h) определяется как функция двух переменных - температуры (t) и давления (Р), h = h (t, Р); для идеальных газов - как функция только одной температуры (/), h = h (t).

В связи с этим для реального газа, когда энтальпия h = h (t, P), удель­ная работа в интегральной форме будет определяться соотношением:

Р,),                                                                                                                    (1.43)

где t _{ и t ₂ - начальная и конечная температуры процесса соответ­ственно; pj и Р₂ - начальное и конечное давление газа в процессе, соот­ветственно; D_h - коэффициент Джоуля —Томсона или характеристика дроссельного процесса, показывающая изменение температуры газа при изменении его давления в изоэнтельпийном (дроссельном) процессе (h = const).

Для идеальных газов эта величина равна нулю и, следовательно, удельная работа по уравнению (1.43) для идеальных газов будет опре­деляться только первым слагаемым правой части:

M = C_pm(?₂-f,).                                  (1-44)

Численные значения коэффициента Джоуля—Томсона для мета­на приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Значение коэффициента Джоуля — Томсона (О_ь) для метана в зависимости от температуры и давления

Давление,	Значение Dh (°С/МПа) при температуре /, "С
МПа	- 25	0	25	50	75	100
0,10	5,6	4,8	4,1	3,5	3,0	2,6
0,52	5,5	4,7	4,0	3,4	3,0	2,6
2,50	5,0	4,3	3,6	3,1	2,6	2,3
5,15	4,5	3,8	3,3	2,8	2,4	2,1
10,3	3,6	3,2	2,7	2,5	2,1	1,9

Положительное значение коэффициента Джоуля—Томсона харак­теризует дросселирование большинства природных газов при обыч­ных температурах и давлениях. Поэтому при движении газа через раз­ные сопротивления (регулирующие клапаны, фильтры и т.п.), особен­но при резком падении давления, снижается и его температура, что

33

32

глава 1

Характеристика природных газов

 

 

;, кДж/(кг • К)

вызывает обмерзание трубопроводов, запорных, регулирующих и из­мерительных устройств. Это явление и называют эффектом дроссели­рования.

Следует отметить, что при некоторых условиях, дросселирование сопровождается и нагреванием газа. Коэффициент Джоуля—Томсона в этом случае принимает отрицательное значение.

При решении ряда технологических задач, в частности при построе­нии приведенных характеристик центробежных нагнетателей, в расче­тах процессов сжатия необходимо располагать скорее не первичными термодинамическими величинами С j C_v, D_h, D_u, а их комплексами С D_h, С_¥Я_и, Л-идр.

Использование указанных комплексов не только упрощает проведе­ние расчетов, но и позволяет в каждом конкретном случае выбрать пра­вильный подход к их осреднению в данном процессе, избежать дополни­тельной ошибки при построении комплекса по осредненным величинам, например С^-Р^и т.д.

Комплекс С D_b для реальных газов зависит главным образом от тем­пературы. Для природных газов с содержанием метана в диапазоне 90— 100% можно пользоваться следующим эмпирическим уравнением для его определения:

(1,45)

(U7-0,37-

где г сн₄ - мольное содержание метана в газе, доли единицы.

Имея значение С D_h для реальных газов, несложно, определить, на­пример, работу сжатия газа в нагнетателе по уровню (1.43), имея дан­ные о перепаде температур и давлений газа по нагнетателю.

На рис. 1.2 —1.5 приведены основные термодинамические величи­ны и комплексы, обычно используемые при проведении теплотехничес­ких расчетов, связанных с транспортом природного газа по газопрово­ду. Именно поэтому диапазон изменения давлений и температур для них выбран применительно к условиям, характерным для режимов работы магистральных газопроводов.

Диаграммы на рис. 1.2 —1.5 построены для двух составов при­родного газа. Первый состав, отраженный на диаграммах штрихо­вой линией, состоит из метана - 98,6%, пропана - 0,2%, бутана -0,15%, н. бутана - 0,05%, азота - 1%. Газ второго состава, отраженный на диаграммах сплошной линией, содержит метана - 94,36%, этана - 2,2%, пропана -1,2%, н. бутана - 0,5%, н. пентана - 0,2%, азота - 0,7%, кисло­рода - 0,5%, диоксида углерода - 0,4%.

рис. 1.2. Зависимость изобарной теплоёмкости С_р от давления Р и температуры Т для природных газов первого (1) и второго (2) составов

3. А. Н. Козаченко

 

глава 1

34

35

Характеристика природных газов

 

 

' k Pv, кДж/кг

Т = 340 К Г =330 Г =340 Г =320 Г =330 Г=310 Г =320 Г =300 Т= 310 Г =290

Т = 270 К

120

ПО

100

10

12 Р, МПа

11

90

11 Р, МПа

Рис. 1.3. Зависимость потенциальной функции Pv от давления Р и температуры Т для природных газов первого (пунктир) и второго (сплошная линия) составов

Данные по промежуточным составам газов можно получить обра­боткой соответствующих величин по простейшим интерполяционным зависимостям.

Все основные термодинамические характеристики природных газов при различных значениях температур и давлений, характерных для режимов работы магистральных газопроводов приведены в табл. 1.7 и 1.8, в которых Р - давление (МПа), к - показатель адиаба­ты, z - коэффициент сжимаемости газа, р - плотность газа (кг/м³), h -энтальпия (кДж/кг), Pv - потенциальная функция, равная zR 7'(кДж/кг), С_р - изобарная теплоемкость кДж/(кг °С), C_p£>_h - комплекс (кДж/кг • МПа), £>_h - коэффициент Джоуля — Томсона (°С/МПа).

Рис. 1.4. Зависимость величины C_pD_h от давления Р и температуры Т для природных газов первого (пунктир) и второго (сплошная линия) составов

Таблица 1.7

Значение параметров природного газа с содержанием метана 90% в зависимости от давления при средней температуре 293,2 К

Р	к	2	Р	h	Л)	Ч	СД	4,
1	2	3	4	5	6	7	8	9
3,0	1,313	0,940	21,66	575,9	138,5	2,359	9,706	4,114
3,2	1,316	0,936	23,19	573,7	138,0	2,377	9,686	4,075
3,4	1,320	0,932	24,73	571,5	137,5	2,394	9,665	4,036
3,6	1,324	0,928	26,28	569,2	137,0	2,412	9,641	3,997
3,8	1,328	0,924	27,85	567,0	136,4	2,430	9,616	3,957
4,0	1,331	0,920	29,43	564,8	135,9	2,448	9,590	3,917
4,2	1,335	0,917	31,02	562,6	135,4	2,467	9,561	3,876
4,4	1,339	0,913.	32,62	560,4	134,9	2,485	9,531	3,835

36

глава 1

37

Характеристика природных газов

 

 

9   10  11 Р, МПа

Продолжение табл. 1.7

1	2	3	4	5	6	7	8	9
4,6	1,343	0,909	34,23	558,2	134,4	2,504	9,499	3,794
4,8	1,347	0,905	35,86	555,9	133,9	2,523	9,466	3,752
5,0	1,350	0,902	37,50	553,7	133,3	2,542	9,431	3,710
5,2	1,354	0,898	39,15	551,5	132,8	2,561	9,394	3,668
5,4	1,358	0,895	40,81	549,3	132,3	2,581	9,355	3,625
5,6	1,362	0,891	42,49	547,0	131,8	2,600	9,315	3,^82
5,8	1,366	0,888	44,18	544,8	131,3	2,620	9,273	3,539
6,0	1,369	0,884	45,89	542,6	130,8	2,640	9,229	3,496
6,2	1,373	0,881	47,60	540,4	130,2	2,660	9,184	3,452
6,4	1,377	0,877	49,33	538,1	129,7	2,680	9,136	3,409
6,6	1,381	0,874	51,08	535,9	129,2	2,701	9,087	3,365
6,8	1,385	0,871	52,84	533,7	128,7	2,722	9,037	3,320
7,0	1,388	0,868	54,61	531,4	128,2	2,742	8,985	3,276
7,2	1,392	0,864	56,40	529,2	127,7	2,763	8,931	3,232
7,4	1,396	0,861	58,20	527,0	127,1	2,785	8,875	3,187

Таблица 1.8

Значения параметров природного газа с содержанием метана 97% в зависимости от температуры при среднем давлении 5 МПа

Т	k	z	Р	h	Pv	ср	ср°ь	Ч
273,2	1,368	0,874	41,37	502,2	120,9	2,618	10,50	4,391
278,2	1,360	0,881	40,33	515,2	124,0	2,595	10,94	4,214
283,2	1,357	0,889	39,34	528,1	127,1	2,575	10,41	4,041
288,2	1,354	0,895	38,40	540,9	130,2	2,557	9,90	3,873
293,2	1,350	0,902	37,50	553,7	133,2,	2,542	9,43	3,710
298,2	1,347	0,908	36,64	566,5	136,5	2,529	8,98	3,553
303,2	1,344	0,914	35,82	579,2	139,6	2,519	8,57	3,402
308,2	1,341	0,919	35,04	591,9	142,7	2,511	8,18	3,258
313,2	1,338	0,924	34,28	604,5	145,8	2,505	7,82	3,121
318,2	1,334	0,928	33,57	617,1	149,0	2,502	7,48	2,991
323,2	1,331	0,933	32,88	629,6	152,1	2,502	7,18	2,870
328,2	1,328	0,936	32,22	642,1	155,2	2,504	6,90	2,758
333,2	1,322	0,943	30,97	667,0	162,5	2,515	6,4	2,560

Рис. 1.5. Зависимость показателя адиабаты К от давления Р и температуры Т для природного газа первого (1) и второго (2) составов

38

Назначение и устройство КС

 

 

Глава 2