книги / Приборы и средства учета природного газа и конденсата

ж

X (1,09 — Тс)6— 0,03249 (1,09 — Тс) + 2,0167 (1,09 — Тс)2 —

21

Коэффициент сжимаемости смеси природных углеводород­ ных газов Z, определяемый по формуле (46) с учетом формул (47) — (63), отличается от действительных табличных значений не более чем на 0,1% в диапазоне изменения рабочих давле­ ний от 1до40 МПа и рабочих температур о т—50 до + 100°С.

В диапазоне изменения температуры газовой смеси в пре­ делах от 0 до 30РС и абсолютного давления от 0,1 до 7,5 МПа зависимость коэффициента сжимаемости природных газов, не содержащих азот и углекислый газ, от температуры и давле­ ния может быть аппроксимирована следующей приближенной формулой:

К. Если абсолютное давление выразить в килограмм-силах на квадратный сантиметр, формулу (64) можно переписать в сле­ дующем виде:

в котором обеспечивается постоянство коэффициента расхода сужающего устройства а, необходимо определять максималь­ ное, среднее и минимальное числа Рейнольдса, зависящие от

4%

2

Рис. 4. Зависимость коэффициентов сжимаемости природных углеводородных газов от приведенных температур и давлений.

динамической вязкости газа з рабочих условиях ц или от кине­

матической вязкости V.

Под вязкостью газа понимают его свойство сопротивляться перемещению одних частиц газа относительно других. Силы трения, возникающие между двумя смещающимися слоями газа при его движении, пропорциональны отношению скоростей слоев газа к расстоянию между этими слоями. Коэффициент пропорциональности между этими величинами называется ди­ намической вязкостью газа и обозначается через ц.

Единицы динамической вязкости в международной системе единиц СИ (Па-с) и в технической (кгс-см/м2) связаны соот­ ношением

23

Часто в расчетах применяется кинематическая вязкость га­ зов v, м2/с, связанная с динамической вязкостью соотношением

где р — плотность газа в рабочих условиях, кг/м3.

Вязкость газа зависит как от его состава, так и от темпе­ ратуры и давления (рис. 5). Зависимость динамической вязко­ сти различных газов от температуры при нормальном давлении приведена на рис. 5, а.

Динамическая вязкость газа р в рабочих условиях может

температуре; Ср. — поправочный множитель на изменение дав­ ления, который определяется по рис. 5, б.

Расчеты показывают, что значения динамической вязкости природного газа с содержанием метана более 90% могут быть приняты равными динамической вязкости чистого метана, опре­ деляемой по рис. 5, а.

С достаточной степенью точности при практических расче­ тах чисел Рейнольдса можно считать, что вязкость природного газа и метана в диапазоне температур от —30 до +100 “С и давлений от 0 до 10 МПа практически не зависит от давления и может определяться только по рис. 5, а в зависимости от температуры. При этом можно принять вязкость рн при нор­ мальном давлении равной динамической вязкости р при рабо­ чих условиях, т. е. рн=р. В остальных случаях значение дина­ мической вязкости в рабочих условиях определяется по фор­ муле (68).

об.%.

Влажность природных газов. Влажность природного газа, добываемого из недр Земли, является важным параметром, с которым приходится считаться при транспортировке и учете природного газа. Наличие влаги в газе обусловливает образо­ вание твердых гидратных пробок в трубопроводах, затрудняет редуцирование газа, увеличивает гидравлическое сопротивление трубопроводов при выпадении в них воды, искажает показания расходомеров и т. п. В целях уменьшения влажности газа и доведения ее до требуемых норм на головных сооружениях га­ зовых промыслов производится осушка газа.

Под термином «влажность газа» подразумевается содержа­ ние паров воды в газе. Однако этот термин является довольно

24

а

25

обобщенным и недостаточно конкретным и применяется лишь для оценки качественной характеристики влажности газа. Если же требуется дать количественную характеристику влажности газа, применяют одну из довольно многочисленных конкретных характеристик влажности. Рассмотрим наиболее распростра­ ненные характеристики влажности газа.

Абсолютная влажность газа равна массе водяного пара, со­ держащегося в кубическом метре сухого газа при нормальных условиях, и определяется формулой

пара) обозначается буквой е, равна той доле давления газа, которая обусловлена наличием в газе водяного пара. Упру­ гость водяного пара выражается в единицах давления: милли­ метрах ртутного столба, гектопаскалях и т. д.

Упругость насыщенного пара, т. е. пара, находящегося в равновесии с водой, обозначается буквой Е. Газ считается насыщенным водяными парами, если парциальное давление (упругость) находящихся в нем паров при данной температуре равно давлению (упругости) насыщенного водяного пара.

В состоянии гигродинамического равновесия у газа, нахо­ дящегося в закрытом сосуде и граничащего с открытой поверх­ ностью воды, интенсивность испарения полностью компенсиру­ ется интенсивностью конденсации пара в газе и уровень жид­ кости в сосуде при этом не изменяется, т. е. количество выле­ тающих молекул воды при испарении соответствует количе­ ству возвращающихся молекул в воду при конденсации.

Влагосодержание газа d равно отношению массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме и определяется фор­ мулой

где отв.п — масса водяного пара, кг; тс.г— масса сухого газа,кг. Удельная влажность газа q равна отношению массы водя­ ного пара к массе влажного газа в том же объеме. Влагосодер­ жание и удельную влажность часто используют для обозначе­ ния весьма малых значений влажности. Поэтому в качестве единиц этих параметров используют их миллионные доли, обо­

значаемые млн-1 (1 млн-'= 10-б= 10-4%).

Относительная влажность газа ср, %, равна отношению фак­ тической абсолютной влажности газа к его максимально воз­ можной влажности (состоянию насыщения) при данной темпе­ ратуре и определяется выражением

26.

p-OJMHa

где i4H— абсолютная влажность насыщенного газа, г/м3; А — абсолютная фактическая влажность газа, г/м3.

Важнейшим параметром влажного газа является его темпе­ ратура точки росы, равная температуре, при охлаждении до которой при постоянном давлении пары воды или тяжелых угле­ водородов (конденсата) в газе становятся насыщенными по отношению к плоской поверхности воды. При достижении га­ зом температуры точки росы влага, содержащаяся в газе, на­ чинает конденсироваться на стенках сосудов, трубопроводов

идругих предметах. Температура точки росы обозначается fp

ивыражается в градусах Цельсия или кельвинах. Зависимость абсолютной влажности природного газа от температуры его точки росы и абсолютного рабочего давления приведена на рис. 6. Здесь на оси абсцисс отложены значения температуры

точки росы, °С, на оси ординат — абсолютная влажность, г/м3 а также нанесены кривые зависимости влажности газа от его абсолютного давления в диапазоне от 0,1 до 12 МПа.

Определение абсолютной влажности газа по известной температуре точки росы и рабочему давлению производится следующим образом.

На оси абсцисс (рис. 6) откладывается известное значение температуры точки росы, и из этого значения восстанавливается перпендикуляр до пе­

V

ресечения с кривой, соответствующей значению абсолютного давления газа. Из точки пересечения проводится горизонтальная прямая до пересечения! с осью ординат, по которой отсчитывается искомое значение абсолютной

влажности газа.

Номограмма, приведенная на рис. 6, позволяет также определять и тем­

заданного давления. Из точки пересечения опускается перпендикуляр до оси абсцисс, по которой и отсчитывается искомая температура точки росы.

В нижней части номограммы в зоне, расположенной левее и ниже границы начала гидратообразования, вода находится в твердом состоянии.

Кроме температуры точки росы tv существует еще понятие «температуры точки льда» (инея) tn, равной температуре, при охлаждении до которой при постоянном давлении пары воды в газе становятся насыщенными по отношению к поверхности льда. Понятие «температуры точки льда» может применяться для температур ниже 0ЧС. Для одного и того же газа темпе­ ратура точки росы tv всегда выше температуры точки льда

Обилие величин, характеризующих влажность газа, связано с удобством или неудобством их использования в различных отраслях науки и техники. Например, в метеорологии, где изме­ нения давления воздуха невелики, удобно использовать отно­ сительную влажность и температуру точки росы. В газовой про­ мышленности приходится иметь дело со сжатыми газами, дав­ ление и температура которых меняется вдоль газопровода в больших пределах. Поэтому целесообразно рассмотреть, как меняются характеристики влажности при изменении рабочих условий газа.

Абсолютная влажность газа при изменении температуры и неизменном давлении остается постоянной, если его темпе­ ратура выше температуры точки росы. При увеличении давле­ ния абсолютная влажность газа изменяется пропорционально давлению, пока не наступят условия для конденсации воды.

Парциальное давление с точностью, вытекающей из зако­ нов для идеального газа, линейно зависит от давления газовой смеси при парциальных давлениях ниже давления насыщенных паров и не зависит от температуры газа.

Влагосодержание и удельная влажность не зависят от тем­ пературы и давления газа в области ненасыщенных паров.

Температура точки росы не зависит от температуры газа, но зависит от его давления. Для газовой промышленности эта характеристика влажности газа удобна тем, что определенная в начале магистрали при высоком давлении, она при сниже­ нии давления смещается в область более отрицательных тем­ ператур и тем самым характеризует самую высокую темпера­ туру на участке трубопровода (или на всем трубопроводе, если давление после компрессорных станций не будет выше началь-

29

Таблица 4

ного), при которой в нем возможна конденсация влаги. Выра­ женная в единицах температуры эта характеристика позволяет контролировать приближение условий конденсации влаги с по­ мощью простых и доступных термометров.

Относительная влажность зависит как от температуры, так

иот давления.

Таким образом, для газовой промышленности влажность

газа целесообразно выражать в виде температуры точки росы или влагосодержания.

При транспортировании ненасыщенного газа по трубопро­ воду его влагосодержание не изменяется, а давление постоянно уменьшается. При этом температура точки росы становится более отрицательной.

С целью исключения выпадения влаги в измерительных тру­ бопроводах и образования твердых кристаллогидратов темпе­ ратура точки росы природного газа, осушаемого на промыс­ ловых сооружениях, должна быть не выше —(254-30) °С. При этом абсолютная влажность газа, определенная по рис. 6, бу­

В реальных условиях температура точки росы транспортируе­ мого газа может быть и —10 и даже 0°С. Это приводит к не­ обходимости контроля влажности газа на пунктах учета, а так­ же заставляет принимать специальные меры на этих пунктах для исключения выпа тения влаги или образования твердых кристаллогидратов.

Взрываемость природных газов. Природные углеводородные газы и их компоненты в смеси с воздухом при определенных условиях и количественных соотношениях воздуха и газа обра-

29

зуют смеси, способные взрываться с большой силой, принося разрушения и человеческие жертвы. Взрыв газовоздушной сме­ си происходит при наличии электрической искры, открытого огня или какого-либо нагретого до соответствующей темпера­ туры (температуры воспламенения) тела.

Сила взрыва достигает максимума, когда содержание воз­ духа в смеси приближается к количеству, необходимому для полного сгорания газа. Минимальные и максимальные количе­ ства газа в газовоздушных смесях, при которых может прои­ зойти взрыв, называются соответственно нижним и верхним пределом взрываемости (табл. 4).

С учетом значений нижних и верхних пределов взрываемо­ сти разработаны допустимые концентрации взрывоопасных га­ зов в воздухе производственных помещений [3]. Все электриче­ ские приборы, имеющие непосредственный контакт с газом, должны изготовляться взрывозащищенными или повышенной надежности против взрыва, а прокладка кабельных линий должна осуществляться в соответствии с Правилами устройств электроустановок [12].

1.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕЛИЧИН, ВХОДЯЩИХ В ФОРМУЛЫ РАСХОДА ГАЗА

Анализ формул (10) — (12), (17) —(21), (23), (24) показы­ вает, что расход газа зависит не только от перепада давления pi—Р2 на сужающем устройстве, но и от изменения статиче­ ского давления рь плотности рк и р, температуры Ти коэффи­ циента сжимаемости Z, поправочного множителя на расшире­ ние газа е при условии постоянства величин a, m, D и d.

Параметры газа и газового потока р, рг—р2, Т\ подлежат измерению и вводу в одну из формул, а значения 2 , ри и е рас­ считываются по формулам или определяются по таблицам или графикам. Параметры трубопровода и сужающего устрой­ ства D, d, m и а измеряются или рассчитываются и являются постоянными для каждого конкретного случая.

Кроме того, при расчетах должен быть определен ряд вспо­ могательных величин — динамическая вязкость р или кинема­ тическая вязкость V, критические и приведенные температуры и давления 7'кр, р!ф, Tllv, pnv, а также числа Рейнольдса Re и влажность газа <р.

Число Рейнольдса. Постоянство коэффициента расхода а сужающих устройств и независимость его от вязкости среды возможны только при турбулентном течении потока.

3 0