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天然气长输管线中水化物生成的工况分析与控制
天然气长输管线中水化物生成的工况分析与控制 摘 要:应用计算机对天然气的各种性质参数与长输管线输配工况下水化 物生成进行研究,获得水化物生成规律与不生成水化物的界限参数,提出控制天 然气初始参数防止水化物生成的有效方法。一、前言 天然气在长输管线中生成水化物将引起流通能力降低,甚至堵塞,是 天然气输送中应重视的问题。在各种天然气性质参数与管线输配工况下,正确测 算水化物生成的工况,生成地点与数量,获得不生成水化物的“初始界限参数”, 提出控制初始参数的方法以减少或防止水化物的生成。本文应用作者开发的计算 机软件进行上述工作。
二、主要计算公式 作者在开发计算机软件过程中,根据文献[1]等提供资料,部分公式 与系数采用曲线拟合等方式获得。主要计算公式如下:
三、计算与分析 1、不同流速下水化物生成状况 水蒸气饱和的纯天然气以四种不同日流量、由直径400MM管线输送, 并设定小时流量均匀,计算结果见表1。
表1 沿 管 线 地 点 注:天然气体积成分(%):CH498.0、C3H8 0.3、C4H100.3、C5H12 0.4、N2 1.0,管线起点压力:6.0Mpa(相对压力),管线起点天然气温度:20℃,水蒸 气含量:30g/NM3,管线埋深:IM,管线埋深出土壤温度:2℃。
由表1可见,由于流量不同而使水化物生成量出现较大差别。以单位 体积天然气用于生成水化物的水蒸气耗量HW衡量水化物的多少。对应于四种流 量分别为5.469g/NM3、9.716g/NM3、7.956g/NM3与7.603g/NM3。其中生成次数 少的场合,显然水蒸气耗量少,而生成次数相同时,水蒸气耗量随流量或流速的 降低而减少。对于一定工况必然存在一个水蒸气耗量最大的流量或流速,称之为 “最不利流量”或“最不利流速”,此流量或流速下生成最大量的水化物。对于表1 的工况,最不利流量为302X104NM3/日,此时水蒸气耗量为9.964g/NM3。因此 控制流量或流速,偏离以最不利流量或流速为峰值的不利区域,可以有 效降低或避免水化物的生成。
2、改变天然气水蒸气含量时水化物生成状况 设定管线起点天然气的水蒸气含量由表1饱和状态的30g/NM3降至未 饱和状态的15g/NM3,其余原始数据同表1,计算结果见表2。
表2 项 目VD400X104300X104200X104100X104 沿 管 线 地 点 对比表1与表2可见,当水蒸气含量降至15g/NM3,即不饱和状态时,在 流量或流速较大的场合,即流量为400X104NM3/日与300X104NM3/日出现水 化物不生成与生成次数减少而降低总生成量。而在流量或流速较小的场合,即流 量为200x104NM3/日与100x104NM3/日,水化物生成量分别增加2.714M3/ 日与1.116M3/日。因此盲目降低水蒸气含量有可能导致水化物增加,特别在 流量或流速较小的场合。进一步降低水蒸气含量至10g/NM3时,仅最小流量 100X104NM3/日场合生成水化物一次。因此对于各种工况,可以确定一个不生成水化物的界限初始含水量, 且此时天然气的初始温度可以高于管道埋深处的土壤温度。表1工况下,四种天 然气流量的界限初始含水量见表3,其随流量或流速的减少而降低,当初始含水 量大于此值时,即生成水化物。
表3 项 目VD400X104300X104200X104100X104BW18.713.310.49.2 3、改变输气压力时水化物生成状况 设定管线起点天然气压力由表1的6Mpa降至3Mpa,初始水蒸气含量 为58.951g/NM3(饱和状态)与15g/NM3(未饱和状态),其余原始数据同表1。计算 结果是未饱和状态下四种流量场合均未生成水化物,而饱和状态仅流量为 100X10 4NM3/日时生成水化物一次,其水蒸气耗量为9.746g/NM3,该数值大 于起点压力为6Mpa的表1中数值,从而使水化物增加3.226M3/日,增幅达42. 43%。由此可见,降低天然气压力可以防止水化物生成,若结合水蒸气含量的降 低更为有效。但在较高水蒸气含量时降低压力,也可能使水化物生成量增加。
因此对于各种工况可以确定一个不生成水化物的界限初始压力。表1 工况下四种天然气流量的界限初始压力见表4,其随流量或流速的减少而降低。
当初始压力大于此值时,即生成水化物。
表-4 项 目VD400X104300X104200X104100X104BGPR5.84.53.32.4 4、改变温度时水化物生成状况 设定水蒸气含量为15.785g/NM3,天然气在管线起点的温度为20℃与 10℃,后者为饱和状态,其余原始数据同表1。计算结果见表5。
表-5 项 目VD400X104300X104200X104100X104 初始 温 度 由表5可见,在水蒸气含量不变条件下,当提高天然气初始温度由饱和 状态变为不饱和状态时,在较大流量或流速场合,如400X104NM3/日与 300X104NM3/日,可减少水化物生成,而在较小流量或流速场合,如 200X104NM3/日与100X104NM3/日,增加水化物生成量。因此当初始温度变 化时,流量或流速对水化物的生成与否有显著影响。在较大流量或流速范围内, 可以确定一个界限初始温度,其随流量或流速的增大而降低。当初始温度低于此 值时生成水化物。而在较小流量或流速下的界限初始温度值较高,超过生成水化 物的临界温度。表5工况下,三种流量的界限初始温度见表6。
表6 项 目VD350X104400X104500X104BGT20.213.210.2 5、不同成分天然气的水化物生成状况 对下列体积成分的油田伴生气进行计算:CH4 81.7%、C3H8 6.2%、 C4H10 4.86%、C5H12 4.94%、C02 0.3%、C02 0.2%、N21.8%,在管 线起点被水蒸气饱和,其余原始数据同表1。计算结果见表7。
表7 项 目沿管线地点12345VD400 × 104L7.048////HW4.744// //LPR5.677////300 ×104L4.81616.94530.633//HW4.7313.0543. 663//LPR5.8723.1601.969//200×104L3.0839.70315.84525.33253. 949HW4.7243.0032.9583.7865.341LPR5.9563.4812.4551.6100. 839100×104L1.5144.6477.48011.33519.721HW4.7273.02.8463.3894. 516LPR5.9923.5712.5721.7881.070 对比表1与表6可见,油田伴生气除流量为400X104NM3/日场合外, 其他三种流量的水化物生成次数与总量均大于纯天然气的场合,单位体积天然气 的水蒸气总耗量分别高1.732g/NM3、11.856g/NM3与10.875g/NM3,后两者 耗于水化物的水蒸气量约为初始饱和水蒸气量的2/3左右。以上现象的产生是由 于在相同温度下,水化物生成的极限压力是随天然气密度的增加而降低,油田伴生气的相对密度为0.807,而纯天然气的相对密度为0.575,因此前者的极限压 力显著低于后者。流量或流速较小的场合,管线中压力下降较缓。因此油田伴生 气生成水化物的次数增加,水化物总量也随之增加。对于密度较大的天然气,当 流量或流速较低时,宜以较低压力输送。
四、结论 1、天然气的压力、温度、水蒸气含量、密度等性质参数与输配工况 是天然气水化物生成的主要影响因素。研究水化物生成状况,以及防止或减少水 化物的生成,必须对上述因素综合研究。
2、针对不同的天然气性质参数与输配工况的研究,掌握水化物生成 与否,生成地点与生成量等状况,在此基础上提出“最不利流量(流速)”,“界限初 始含水量”、“界限初始压力”与“界限初始温度”的概念与计算例。从而获得通过 控制天然气性质参数与输配工况有效控制水化物生成的方法。
五、符号说明 LP、LPR—极限压力(绝对压力、相对压力)(mpa);
ALP、BLP、CLP、DLp、A、B、Cd、Aspw、Bspw、Cspw、Dspw、AspH、 BspH、CspH、DspH—有关系数;
GT—天然气温度(℃);
W—天然气中水蒸气量(g/NM3);
GP、GPR—天然气压力(绝对压力、相对压力)(mpa);
GP1一管线起点天然气压力(绝对压力、mpa);
V—天然气流量(NM3/H);
T—天然气温度(K);
S一天然气相对密度;
L一管线长度(KM);
D—管径(MM);
K—传热系数(kj/M2·H·℃);
GT1—管线起点天然气温度(℃);
LT—土壤温度(℃);
SPW、SPH—水蒸气饱和压力(对水、对水化物)(Pa);
VD—天然气流量(NM3/日);
HW—单位体积天然气耗于生成水化物的水蒸气量(g/NM3):
VHD—水化物体积(M3/日):
BW—界限初始含水量(g/NM3);
BGPR一界限初始压力(相对压力、MPa);
BGT—界限初始温度(℃)。
主要参考支献 [1]四川石油管理局 天然气工程手册 石油工业出版社 1983。