高壓天然氣熱物性計算及在數值模擬中的應用

王鈺甜　石國立　張英明　梁津寧　張靜

摘????? 要： 天然氣在調壓過程中隨著溫度和壓力降低，管道局部產生冰堵現象。不同壓力和溫度工況下天然氣的黏度、導熱率和比熱容等熱物性參數均發生較大變化，勢必對換熱過程產生較大影響。為防止冰堵現象的發生，對不同工況下高壓天然氣的熱物性參數進行整合計算。將天然氣的熱物性參數用作定義數值模擬的流體材料，計算結果與現場實驗獲得的數據基本吻合。提出的高壓氣體整合物性計算方案為數值模擬計算參數和天然氣工程預測提供技術支撐。

關? 鍵? 詞：高壓；天然氣；熱物性；整合計算；數值模擬

中圖分類號：TQ015.2???? ??文獻標識碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2023）11-1660-04

在天然氣的調壓過程中，天然氣的溫度和壓力都發生了變化。隨著溫度和壓力的降低，天然氣內極少量的水蒸氣甚至發生了相態變化，產生局部冰堵問題^[1-3]。冰堵問題對生產的危害十分巨大，會造成安全隱患。天然氣水合物的形成直接導致冰堵的產生，預防冰堵的根本是阻止天然氣水合物的形成。精確計算不同工況下天然氣的熱力學參數可以有效預防冰堵現象的發生，為天然氣調壓輸送過程提供安全保證^[4-5]。

目前對天然氣的熱物性計算主要集中在多組分流程模擬研究，流程模擬的準確性很大程度上取決于物性數據的精度。張鐠等利用物性值法計算天然氣在多種工況下的壓縮因子，提出準確計算天然氣熱物性參數是可靠性設計的前提和保障^[6]。韓楚君等提出數值模擬的工況應力求接近實際，為工程應用提供可靠的保障方案^[7]。國內外很多專家和學者對低壓和高壓狀態下的天然氣密度、動力黏度等熱物性參數進行了研究，擬合了簡便的計算方程進行計算^[8-9]。然而，對高壓下甲烷含量較高的天然氣調壓過程中涉及的多個參數并未做綜合分析研究。

隨著天然氣的廣泛應用，為了對天然氣的降膜流動、管道注氫摻混過程、高壓天然氣非恒定速率泄漏擴散等復雜過程深入了解，數值模擬成為解決問題的重要途徑^[10-13]。在數值模擬過程中，同樣需要不同工況下天然氣熱力學參數作為計算的基礎數據，保證數值模擬的精度和有效性，提高數值模擬的可靠性。本文對天然氣中純組分甲烷在升溫和調壓過程中的多個壓力和溫度工況下熱物性參數進行整合計算，舉例說明這些參數在數值模擬計算中應用價值，并為工程預測高壓氣體數值模擬計算方案提供技術支撐。

1? 計算過程與結果

1.1? 高壓氣體密度計算

1.2? 高壓氣體黏度計算

在T_r > 1條件下，較高壓力下求取氣體黏度值時必須考慮壓力的影響，利用對比黏度關聯式對高壓氣體的黏度進行修正。對比黏度μ_r是對比溫度T_r和對比壓力p_r的函數，依據對比黏度圖^[14]獲得對比黏度值。天然氣中的主要成分甲烷為非極性氣體，其中臨界黏度μ_c的近似計算公式為：

1.3? 高壓氣體熱導率計算

研究表明，在低壓和中壓下，壓力對氣體導熱率的影響較小，但高壓下氣體導熱率隨壓力提高而增加。對比導熱率λ_r是對比溫度T_r和對比壓力p_r的函數，依據對比導熱率圖^[14]獲得對比導熱率值。利用對比密度法求解氣體導熱率λ公式如下。

1.4? 高壓氣體比熱容計算

1.5? 計算結果

為了避免冰堵現象發生，考慮低溫天氣對天然氣調壓過程的影響，本文選取天然氣溫度分別為-40、20、60 ℃，管道壓力分別為1、5、10、15 MPa，計算了12種工況下天然氣組分甲烷氣體的熱物性參數。黏度、導熱率和比熱容3種熱物性參數如?? 表1、表2和表3所示。

2? 數值模擬實例

為解決高純度天然氣調壓過程中的冰堵現象，本團隊設計并制作了一種燃氣管路防爆恒溫輔熱裝置^[15]。為了更好地了解該裝置的換熱性能，對此裝置進行了數值模擬分析。在模擬計算中，數值模擬使用的流體材料高壓天然氣的熱物性由計算所得數據作為支撐，利用分段多項式的形式定義管道內氣體在不同壓力和溫度條件下流體熱物性參數。

2.1? 物理模型

圖1為換熱器中螺旋管道結構圖，其中螺旋管內徑為14 mm，螺旋管外為恒溫水浴，水浴溫度為60 ℃。螺旋管道中徑為170 mm，螺距22 mm，?? 8.25圈，高181.5 mm。螺旋管道與直管道部分光滑過渡，同時必須保證管道截面變形量小于0.5 mm。成型后管道最小壁厚不得小于2.8 mm，內部橫截面面積不得小于成型前90%。管道總長度為5 100 mm，其中螺旋管道部分長度為4 410 mm。

2.2? 數值模擬方案

運用CFD ANSYS Fluent V16.2軟件進行三維穩態數值模擬計算，管道內流體域總網格數量為?? 566 257。數值模擬物料選用甲烷純組分氣體為連續相，湍流模型采用Realizable k-ε模型，密度采用Real-Gas-Redlich-Kwong模型計算，黏度、導熱率、比熱容輸入表1、表2、表3計算獲得的3個數據點，利用分段多項式解得管道內氣體在不同壓力和溫度條件下流體熱物性參數。

壁面采用無滑移壁面，壁面溫度恒定為60 ℃。入口邊界條件設置為質量流量入口，壓力、流量和溫度均恒定。出口設置為壓力出口，無回流。使用SIMPLEC算法耦合壓力和速度，動量、湍流動能和湍流耗散率離散方程均選擇二階迎風格式，各變量殘差收斂精度設置為10^-4。

2.3? 計算結果與分析

圖2中管道內天然氣壓力為15 MPa，標準狀態下流量為50 m³?h^-1，即質量流量為0.009 96 kg?s^-1，入口溫度為20 ℃。

由管道內氣體溫度分布云圖2（a）可以看出，入口直管和螺旋管道底部一圈流體域溫度變化較小，出口直管和螺旋管道頂部一圈流體域溫度變化較小，螺旋管道中間部分溫度梯度較高。分析表明，直管換熱性能明顯低于螺旋管，螺旋管具有良好的強化換熱性能。管道內氣體密度分布圖2（b）表明冷流體密度高于熱流體，沿著流體流動方向，流體溫度升高，密度下降。

2.4? 計算結果與分析

圖3曲線為換熱器出口溫度數值模擬結果，模擬對應工況為：管道內天然氣壓力為15 MPa，標準狀態下流量為50 m³?h^-1，入口溫度為-40～40 ℃，壁面溫度恒定為60 ℃。對比現場實驗工況數據為：換熱器入口表壓15 MPa，流量50 m³?h^-1，換熱器入口溫度30.0 ℃，水域溫度均為60 ℃，紅色球體數據為現場測量數據。通過對比現場測量數據與數值模擬計算數據，可以看出實驗值在預測范圍內，數值計算獲得的出口溫度略低于現場測試溫度。

3? 結 論

1）采用高壓條件下純組分氣體計算公式計算了天然氣內主要成分甲烷的熱物性參數，對不同壓力和溫度工況下的黏度、導熱率和比熱容進行整合? 計算。

2）利用真實氣體密度計算模型和熱物性參數分段多項式函數定義天然氣材料屬性，數值模擬了螺旋管道內高壓條件下天然氣加熱過程。

3）數值模擬獲得的管道出口天然氣溫度與現場實驗工況基本吻合，本文的高壓氣體數值模擬方案可以為工程計算和預測提供參考

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Calculation of Thermophysical Properties of High Pressure

Natural Gas and Its Application in Numerical Simulation

WANG Yu-tian SHI Guo-li ZHANG Ying-ming LIANG Jin-ning ZHANG Jing

（1. Liaoning Vulcan Natural Gas Sales Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110178， China;

2. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：? During the pressure regulation process of natural gas， ice blockage occurs locally in the pipeline as the temperature and pressure decreas. The viscosity， thermal conductivity， and specific heat capacity of natural gas undergo significant change under different pressure and temperature conditions， which inevitably has a significant impact on the heat transfer process. To prevent the ice blockage， the thermophysical parameters of high-pressure natural gas were conformity calculated. The thermophysical parameters of natural gas were used as the fluid material for defining numerical simulations， and the calculation results were consistent with the data obtained from on-site experiments. The high-pressure gas integrated physical property calculation scheme proposed in this paper provides technical support for numerical simulation and engineering prediction.

Key words： High pressure; Natural gas; Thermophysical property; Conformity calculation; Numerical simulation