天然氣管道的減阻與天然氣減阻劑

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　管道是天然氣的主要運輸工具,目前全世界長
距離輸氣管道總長度已超過140 ×104 km ,遠遠超
過石油長輸管道的總長度。在這個背景下,研究天
然氣管道減阻技術是非常必要的。減阻劑已廣泛應
用于石油管道,取得了良好的減阻增輸效果,但至今
尚不能應用于天然氣管道。為此,需要改進減阻劑
分子結構和改善減阻劑的應用條件,為研發新型減
阻劑———天然氣減阻劑奠定基礎。
一、抑制氣體脈動是天然氣管道
減阻的唯一有效方法
描述水平直管中流體流動阻力分布和組成的表
達式為〔1〕:
　　　　　　　　τ=μd…u
d r
-ρu′ru′z (1)
式中　τ ———軸向切應力(作用在與管軸平行的單
位面積上的流動阻力) , Pa ;
　　　μ———流體動力粘度, Pa ·s ;
　　d…u
d r
———流體時均速度梯度或剪切速率,1/ s ;
　　　ρ ———流體密度, kg/ m3 ;
　　u′ru′z ———流體徑向脈動速度與軸向脈動速度的
乘積的時間平均值,m2 / s2 。
式(1) 中右邊第一項μd…u
d r
是任一點處的軸向摩
擦應力,表示流體沿軸向剪切流動時產生的粘滯阻
力,與此相當的壓力(差) 是促使流體沿管道流動的
有用壓力(差) ;第二項ρu′ru′z是湍流附加應力,反映
流體脈動在流層間動量交換阻礙流體剪切流動的當
量流動阻力,與此相應的壓力(差) 是產生流體脈動
而與流體沿管道輸送無關的無用壓力(差) 。
在保持時均速度梯度不變的情況下,由式(1) 可
知,降低流體粘度μ即可減小阻力。但是,對于天然
氣管道,降粘并非是有效的節能降耗方法,其原因有
兩個,一是降低天然氣粘度通常需要降低天然氣溫
度,除非是將高溫天然氣散熱降溫到周圍環境溫度,
否則降溫能耗的增加一般遠大于降粘減阻實現的能
耗減少;二是天然氣管道大多處于粗糙區(阻力平方
區) 湍流,其阻力系數與雷諾數無關,即當管徑、輸量
不變時與粘度無關。因此, 天然氣管道減阻增輸的
唯一途徑是降低湍流附加應力, 即降低徑向脈動速
度與軸向脈動速度的乘積的時均值u′ru′z。
在不同的流態下, 輸油管段兩端壓差ΔP 與輸
量Q 的依賴關系〔2〕為,ΔPst r. ∝Qst r. (層流) ;ΔPsmo. tur.
∝Q1. 750
smo. tur. (光滑區湍流) ;ΔPmix . ∝Q1. 877
mi x . (混合摩擦區
湍流) ;ΔPrough. ∝Q2
rough. (粗糙區湍流) 。
在流態不變的條件下,若使輸量增加一倍,則當
流態分別處于層流、光滑區湍流、混合摩擦區湍流和
粗糙區湍流時,管道壓力需要分別提高1 倍、2. 36
倍、2. 67 倍和3 倍。可見只有在層流時提高的壓力
完全用來增加輸量,而在湍流特別是粗糙區湍流時,


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2012-12-15 08:39 上傳

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