天然气管道的减阻与天然气减阻剂
管道是天然气的主要运输工具,目前全世界长距离输气管道总长度已超过140 ×104 km ,远远超
过石油长输管道的总长度。在这个背景下,研究天
然气管道减阻技术是非常必要的。减阻剂已广泛应
用于石油管道,取得了良好的减阻增输效果,但至今
尚不能应用于天然气管道。为此,需要改进减阻剂
分子结构和改善减阻剂的应用条件,为研发新型减
阻剂———天然气减阻剂奠定基础。
一、抑制气体脉动是天然气管道
减阻的唯一有效方法
描述水平直管中流体流动阻力分布和组成的表
达式为〔1〕:
τ=μd…u
d r
-ρu′ru′z (1)
式中 τ ———轴向切应力(作用在与管轴平行的单
位面积上的流动阻力) , Pa ;
μ———流体动力粘度, Pa ·s ;
d…u
d r
———流体时均速度梯度或剪切速率,1/ s ;
ρ ———流体密度, kg/ m3 ;
u′ru′z ———流体径向脉动速度与轴向脉动速度的
乘积的时间平均值,m2 / s2 。
式(1) 中右边第一项μd…u
d r
是任一点处的轴向摩
擦应力,表示流体沿轴向剪切流动时产生的粘滞阻
力,与此相当的压力(差) 是促使流体沿管道流动的
有用压力(差) ;第二项ρu′ru′z是湍流附加应力,反映
流体脉动在流层间动量交换阻碍流体剪切流动的当
量流动阻力,与此相应的压力(差) 是产生流体脉动
而与流体沿管道输送无关的无用压力(差) 。
在保持时均速度梯度不变的情况下,由式(1) 可
知,降低流体粘度μ即可减小阻力。但是,对于天然
气管道,降粘并非是有效的节能降耗方法,其原因有
两个,一是降低天然气粘度通常需要降低天然气温
度,除非是将高温天然气散热降温到周围环境温度,
否则降温能耗的增加一般远大于降粘减阻实现的能
耗减少;二是天然气管道大多处于粗糙区(阻力平方
区) 湍流,其阻力系数与雷诺数无关,即当管径、输量
不变时与粘度无关。因此, 天然气管道减阻增输的
唯一途径是降低湍流附加应力, 即降低径向脉动速
度与轴向脉动速度的乘积的时均值u′ru′z。
在不同的流态下, 输油管段两端压差ΔP 与输
量Q 的依赖关系〔2〕为,ΔPst r. ∝Qst r. (层流) ;ΔPsmo. tur.
∝Q1. 750
smo. tur. (光滑区湍流) ;ΔPmix . ∝Q1. 877
mi x . (混合摩擦区
湍流) ;ΔPrough. ∝Q2
rough. (粗糙区湍流) 。
在流态不变的条件下,若使输量增加一倍,则当
流态分别处于层流、光滑区湍流、混合摩擦区湍流和
粗糙区湍流时,管道压力需要分别提高1 倍、2. 36
倍、2. 67 倍和3 倍。可见只有在层流时提高的压力
完全用来增加输量,而在湍流特别是粗糙区湍流时,
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