高压天然气热物性计算及在数值模拟中的应用

王钰甜　石国立　张英明　梁津宁　张静

摘      要： 天然气在调压过程中随着温度和压力降低，管道局部产生冰堵现象。不同压力和温度工况下天然气的黏度、导热率和比热容等热物性参数均发生较大变化，势必对换热过程产生较大影响。为防止冰堵现象的发生，对不同工况下高压天然气的热物性参数进行整合计算。将天然气的热物性参数用作定义数值模拟的流体材料，计算结果与现场实验获得的数据基本吻合。提出的高压气体整合物性计算方案为数值模拟计算参数和天然气工程预测提供技术支撑。

关  键  词：高压；天然气；热物性；整合计算；数值模拟

中图分类号：TQ015.2       文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2023）11-1660-04

在天然气的调压过程中，天然气的温度和压力都发生了变化。随着温度和压力的降低，天然气内极少量的水蒸气甚至发生了相态变化，产生局部冰堵问题^[1-3]。冰堵问题对生产的危害十分巨大，会造成安全隐患。天然气水合物的形成直接导致冰堵的产生，预防冰堵的根本是阻止天然气水合物的形成。精确计算不同工况下天然气的热力学参数可以有效预防冰堵现象的发生，为天然气调压输送过程提供安全保证^[4-5]。

目前对天然气的热物性计算主要集中在多组分流程模拟研究，流程模拟的准确性很大程度上取决于物性数据的精度。张镨等利用物性值法计算天然气在多种工况下的压缩因子，提出准确计算天然气热物性参数是可靠性设计的前提和保障^[6]。韩楚君等提出数值模拟的工况应力求接近实际，为工程应用提供可靠的保障方案^[7]。国内外很多专家和学者对低压和高压状态下的天然气密度、动力黏度等热物性参数进行了研究，拟合了简便的计算方程进行计算^[8-9]。然而，对高压下甲烷含量较高的天然气调压过程中涉及的多个参数并未做综合分析研究。

随着天然气的广泛应用，为了对天然气的降膜流动、管道注氢掺混过程、高压天然气非恒定速率泄漏扩散等复杂过程深入了解，数值模拟成为解决问题的重要途径^[10-13]。在数值模拟过程中，同样需要不同工况下天然气热力学参数作为计算的基础数据，保证数值模拟的精度和有效性，提高数值模拟的可靠性。本文对天然气中纯组分甲烷在升温和调压过程中的多个压力和温度工况下热物性参数进行整合计算，举例说明这些参数在数值模拟计算中应用价值，并为工程预测高压气体数值模拟计算方案提供技术支撑。

1  计算过程与结果

1.1  高压气体密度计算

1.2  高压气体黏度计算

在T_r > 1条件下，较高压力下求取气体黏度值时必须考虑压力的影响，利用对比黏度关联式对高压气体的黏度进行修正。对比黏度μ_r是对比温度T_r和对比压力p_r的函数，依据对比黏度图^[14]获得对比黏度值。天然气中的主要成分甲烷为非极性气体，其中临界黏度μ_c的近似计算公式为：

1.3  高压气体热导率计算

研究表明，在低压和中压下，压力对气体导热率的影响较小，但高压下气体导热率随压力提高而增加。对比导热率λ_r是对比温度T_r和对比压力p_r的函数，依据对比导热率图^[14]获得对比导热率值。利用对比密度法求解气体导热率λ公式如下。

1.4  高压气体比热容计算

1.5  计算结果

为了避免冰堵现象发生，考虑低温天气对天然气调压过程的影响，本文选取天然气温度分别为-40、20、60 ℃，管道压力分别为1、5、10、15 MPa，计算了12种工况下天然气组分甲烷气体的热物性参数。黏度、导热率和比热容3种热物性参数如   表1、表2和表3所示。

2  数值模拟实例

为解决高纯度天然气调压过程中的冰堵现象，本团队设计并制作了一种燃气管路防爆恒温辅热装置^[15]。为了更好地了解该装置的换热性能，对此装置进行了数值模拟分析。在模拟计算中，数值模拟使用的流体材料高压天然气的热物性由计算所得数据作为支撑，利用分段多项式的形式定义管道内气体在不同压力和温度条件下流体热物性参数。

2.1  物理模型

图1为换热器中螺旋管道结构图，其中螺旋管内径为14 mm，螺旋管外为恒温水浴，水浴温度为60 ℃。螺旋管道中径为170 mm，螺距22 mm，   8.25圈，高181.5 mm。螺旋管道与直管道部分光滑过渡，同时必须保证管道截面变形量小于0.5 mm。成型后管道最小壁厚不得小于2.8 mm，内部横截面面积不得小于成型前90%。管道总长度为5 100 mm，其中螺旋管道部分长度为4 410 mm。

2.2  數值模拟方案

运用CFD ANSYS Fluent V16.2软件进行三维稳态数值模拟计算，管道内流体域总网格数量为   566 257。数值模拟物料选用甲烷纯组分气体为连续相，湍流模型采用Realizable k-ε模型，密度采用Real-Gas-Redlich-Kwong模型计算，黏度、导热率、比热容输入表1、表2、表3计算获得的3个数据点，利用分段多项式解得管道内气体在不同压力和温度条件下流体热物性参数。

壁面采用无滑移壁面，壁面温度恒定为60 ℃。入口边界条件设置为质量流量入口，压力、流量和温度均恒定。出口设置为压力出口，无回流。使用SIMPLEC算法耦合压力和速度，动量、湍流动能和湍流耗散率离散方程均选择二阶迎风格式，各变量残差收敛精度设置为10^-4。

2.3  计算结果与分析

图2中管道内天然气压力为15 MPa，标准状态下流量为50 m³?h^-1，即质量流量为0.009 96 kg?s^-1，入口温度为20 ℃。

由管道内气体温度分布云图2（a）可以看出，入口直管和螺旋管道底部一圈流体域温度变化较小，出口直管和螺旋管道顶部一圈流体域温度变化较小，螺旋管道中间部分温度梯度较高。分析表明，直管换热性能明显低于螺旋管，螺旋管具有良好的强化换热性能。管道内气体密度分布图2（b）表明冷流体密度高于热流体，沿着流体流动方向，流体温度升高，密度下降。

2.4  计算结果与分析

图3曲线为换热器出口温度数值模拟结果，模拟对应工况为：管道内天然气压力为15 MPa，标准状态下流量为50 m³?h^-1，入口温度为-40～40 ℃，壁面温度恒定为60 ℃。对比现场实验工况数据为：换热器入口表压15 MPa，流量50 m³?h^-1，换热器入口温度30.0 ℃，水域温度均为60 ℃，红色球体数据为现场测量数据。通过对比现场测量数据与数值模拟计算数据，可以看出实验值在预测范围内，数值计算获得的出口温度略低于现场测试温度。

3  结 论

1）采用高压条件下纯组分气体计算公式计算了天然气内主要成分甲烷的热物性参数，对不同压力和温度工况下的黏度、导热率和比热容进行整合  计算。

2）利用真实气体密度计算模型和热物性参数分段多项式函数定义天然气材料属性，数值模拟了螺旋管道内高压条件下天然气加热过程。

3）数值模拟获得的管道出口天然气温度与现场实验工况基本吻合，本文的高压气体数值模拟方案可以为工程计算和预测提供参考

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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