天然氣混合氣體粘度計(jì)算方法

王 霞，盧 坤

（1.延安大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院 ，陜西 延安 716000；2.長慶油田，陜西定邊）

天然氣混合氣體粘度計(jì)算方法

王 霞1，盧 坤2

（1.延安大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院 ，陜西 延安 716000；2.長慶油田，陜西定邊）

為計(jì)算氣液混輸管道中氣相與壁面、氣相與液相之間的剪切力，必須已知?dú)庀嘣诘蛪合铝鲃?dòng)過程中的粘度值。本文從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)獲取天然氣混合物的組分和各組分體積分?jǐn)?shù)，給出了一套計(jì)算純組分氣體和混合氣體粘度的方法，并利用 C＋＋程序?qū)崿F(xiàn)結(jié)果的計(jì)算。通過對(duì)程序的結(jié)果進(jìn)行分析表明，這種計(jì)算混合氣體粘度的方法滿足工程誤差分析的要求。

天然氣；動(dòng)力粘度；C＋＋編程

1 概述

粘性是流體（液體或氣體）的一個(gè)重要性質(zhì)［1］，是流體抵抗流動(dòng)的度量［2］。實(shí)際流體都具有粘性，都產(chǎn)生摩擦力。天然氣粘度是表征天然氣內(nèi)摩擦力的參數(shù)［3］，是計(jì)算輸氣管路中摩擦力的基本物理量。根據(jù)組成氣體組成成分的不同，可以劃分純組分氣體和混合氣體。純組分氣體和混合氣體分別在高壓和低壓下的計(jì)算方法各不相同。這里主要研究天然氣混合氣體在等溫輸送時(shí)低壓粘度的計(jì)算。

2 純組分氣體粘度的計(jì)算方法

2.1 TRAPP法計(jì)算純組分氣體粘度

單一成分氣體的粘度計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單。計(jì)算時(shí)可以采用由牛頓內(nèi)摩擦定律導(dǎo)出的動(dòng)力粘度公式，也可以采用TRAPP［4］方法。TRAPP是一種用來計(jì)算純流體和混合物的粘度和導(dǎo)熱系數(shù)的對(duì)比態(tài)方法，計(jì)算時(shí)以丙烷為參照流體。在 TRAPP方法中，純組分流體的剩余粘度與參照流體丙烷的剩余粘度聯(lián)系起來：

參照流體的值是在 T0和 ρ0下求得。η0是低壓下的粘度，ηR是參照流體丙烷在溫度 T0和密度 ρ0下的真實(shí)粘度。ηR0是丙烷在溫度下 T0的低壓粘度。

T0、ρ0和 Fη通過下列各式計(jì)算：

式中，f和 h為對(duì)應(yīng)物質(zhì)的對(duì)比比率，由以下確定：

聯(lián)立公式（1）～（5），即可求出任一溫度壓力下純組分氣體的粘度。求出粘度后，按照低壓混合氣體粘度計(jì)算方法就可以求出天然氣混合氣體的粘度值。

2.2 牛頓內(nèi)摩擦定律法［3］計(jì)算純組分氣體動(dòng)力粘度

根據(jù)流體力學(xué)［1］的知識(shí)我們知道，符合牛頓內(nèi)摩擦定律的牛頓型流體單位面積上受到的內(nèi)摩擦力的計(jì)算公式為：

可以得到計(jì)算流體動(dòng)粘度的數(shù)學(xué)公式為：

式中：τ為單位面積上的內(nèi)摩擦力；μ為流體流動(dòng)速度；h為流體層的厚度；du dy為速度梯度。有些情況下分析計(jì)算時(shí)，常出現(xiàn)動(dòng)力粘度 η與流了半密度 ρ的比值，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，用符號(hào) υ表示，即：υ＝ηρ。本文在計(jì)算時(shí)采用兩種計(jì)算方法，并比較兩種方法下計(jì)算所得粘度。

3 天然氣混合物低壓粘度的計(jì)算方法

求混合物粘度時(shí)，必須先計(jì)算出純組分氣體在溫度 T下的粘度，然后計(jì)算天然氣混合物的粘度。比較常用的計(jì)算公式［5］是：

式中：ηi為純組分在溫度 T下的粘度，μP；Mi為摩爾質(zhì)量，g／mol；xi分別為各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。其中，ηi的值可由 TRAPP法或牛頓內(nèi)摩擦定律法計(jì)算得出。Mi和 xi的值見表 1。

表1 天然氣組分以及參數(shù)值

4 天然氣混合物動(dòng)力粘度的計(jì)算

文中采用的天然氣組分是長慶油田采氣廠組分值，其組分值如表1所示：

計(jì)算結(jié)果由 C＋＋程序?qū)崿F(xiàn)。在環(huán)境溫度為10℃，管道輸送溫度為50℃時(shí)，經(jīng) TRAPP法和公式（7）聯(lián)立計(jì)算得到的天然氣動(dòng)力粘度為 168.11× 10－6Pa·s；經(jīng)牛頓內(nèi)摩擦定律法和公式（7）聯(lián)立計(jì)算得到的天然氣動(dòng)力粘度為 149.76×10－6Pa·s。兩種方法計(jì)算出的混合氣體粘度值與真實(shí)值誤差分別為12.4%和23%，均滿足氣體誤差要求。

5 結(jié)束語

通過上面計(jì)算結(jié)果可知TRAPP法計(jì)算得到的粘度誤差比牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算所得誤差小，更能滿足精度要求。TRAPP法計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算時(shí)需要不斷套用，給程序編寫帶來一定困難。采用牛頓內(nèi)摩擦定律公式計(jì)算時(shí)，方法簡(jiǎn)單，但是誤差較大?？梢姡烊粴饣旌衔镎扯鹊挠?jì)算誤差與所選計(jì)算方法有關(guān)。另外，取不同生產(chǎn)時(shí)期的氣體，即氣體各組分摩爾分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算誤差有所變化，但是變化幅度小于2.756%，故組分變動(dòng)對(duì)計(jì)算誤差的影響可以忽略。

［1］袁恩熙.工程流體力學(xué)［M］.石油工業(yè)出版社，2007.

［2］堵錫華.酯類氣體粘度的拓?fù)鋵W(xué)研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：16－20.

［3］魏凱豐，宋少英，張作群.天然氣混合氣體粘度和雷諾數(shù)計(jì)算研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008（3）：248－250.

［4］Huber M L.Chap 12 in Transport Properites of Fluids，Their Correlation，Predection and Estimation［M］，Millat J，JDymond，and Nietode C.A.H astro（Eds.），IUPAC，Cambridge Univ.Press，1996.

［5］Wilke C R.A Viscosity equation for gas mixtares［J］. Chem.Phys.，1950（18）：517－519.

［責(zé)任編輯 李曉霞］

TE133＋1

A

1004-602X（2011）02-0054-02

2011 -03 -10

王霞（1982— ），女，山東泰安人，延安大學(xué)助教，碩士。