天然气压缩因子计算及影响因素分析.pdf

第 4 4卷第 6 期 2 0 1 5 年 6 月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N O ． 6 J u n e．2 0 1 5 天然气压缩因子计算及影响因素分析 王春 生 ，徐 玉建 ，田明磊 ，董 国庆 ，徐 畅 ，陈钊 1 ．东北石油大学 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8； 2 ． 中国石油工程建设第七建设公司，山东 青岛 2 6 6 3 0 0 摘 要天然气长输管道首端与末端之间往往会出现输差，输差是影响输气成本的一个最关键的因素。针 对出现的输差问题 ，以天然气组分为基础 ，以压缩因子作为突破 口，通过着重理解天然气压缩因子的解法与改 进来得到控制输差。以B WR S方程为重点，通过 E x c e l 求得方程系数，然后从中解出气体密度，再代人气体状 态方程中求得压缩因子。通过对天然气压缩因子的求解，得到影响压缩因子的主要因素，从而修正到天然气输 量，以便减少输差。 关键词输差 ；压缩因子；B WRS方程；影响因素 中图分 类号 T Q 0 1 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 6 1 4 0 8 0 4 Ca l c u l a t i o n of Na t u r a l Ga s Co m pr e s s i bi l i t y Fa c t o r a nd I t s I nflu e nc e Fa c t o r s W A NG C h u n s h e n g ，XVY u - j i a n ，T I A NMi n g l e i ，DO NG G u o q i n g ，X VC h a n g ，C HE NZ h a o 1 ． N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y , H e i l o n g i i a n g Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a 2 ． 7 “ Ch i n a P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ＆Co n s t r u c t i o n Co r p ． S h a n d o n g Qi n g d a o 2 6 6 3 0 0 ． Ch i n a Ab s t r a c t M e a s u r e me n t s h o r t a g e wi l l o f t e n a r i s e b e t we e n t h e h e a d a n d t h e e n d o f n a t u r e g a s p i p e l i n e wh i c h i s a v i t a 1 i mp o r t a n t i n flu e n c i n g f a c t o r o f t r a n s mi s s i o n c o s t ． Re g a r d i n g t o t h e p h e n o me n o n o f me a s u r e m e n t s h o r t a g e ， we f o c u s e d o n t h e c o mp r e s s i b i l i t y f a c t o r a n d t r i e d t o s o l v e t h e p r o b l e m b y o p t i mi z i n g t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f t h e c o mp r e s s i b i l i t y f a c t o r S O t h a t t h e p h e n o m e n o n c a n b e we l l c o n t r o 1 ．0n t h e b a s i s o f BW RS e q u a t i o n ，fi r s t e q u a t i o n c o e f fic i e n t s we r e o b t a i n b y E x c e l ， t h e n t h e g a s d e n s i t y wa s c a l c u l a t e d wi t h t h e s e c o e f fi c i e n t s ， fi n a l l y a l l t h e s e r e s u l t s we r e p u t i n t o t h e g a s s t a t e e q u a t i o n t o o b t a i n t h e c o mp r e s s ib i l i t y f a c t o r ． By s o l v i n g t h e g a s c o mp r e s s i b i l i t y f a c t o r , i t s ma i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s we r e d e t e r mi n e d ．wh i c h c o u l d h e l p t o c o r r e c t t h e t h r o u g h p u t o f n a t u r a l g a s t o k e e p me a s ur e me nt s h or t ag e t o t he mi ni mum． Ke y wo r d s M e a s u r e me n t s h o r t a g e ； Co mp r e s s i b i l i ty f a c t o r ； BWRS e q u a t i o n ； I n fl u e n c e f a c t o r 天然气与其他能源材料， 例如煤炭和石油相比一 天然气的热值较高，利用率较高，并且对环境的污 染很小 。当下 ，国家大力提倡使用清洁能源 ，天然 气成为能源的主流已成为不争的事实 。然而在天然 气输送过程 中往往会 出现输差现象 ，而这一现象除 了降低管道输送过程中的经济效益外 ，还会带来一 些安全隐患。因此 ，如何提高对管道运输过程中的 输差的控制成为当下一个重要问题 。 本文以庆哈管线为研究实例 ，针对庆哈管线存 在输差现状 ，开展研究 。结合现场数据 ，逆推相应 管段管存量的计算误差 ，以及气体组成对压缩 因子 的影响 。最后综合研究成果及数据结论 ，了解其他 因素的影响。制定具有实际效果的的可行性解决方 案 ，从而指导现场生产实践 ，最终达到显著改善庆 哈输气管线输差的 目标 。 l 压缩 因子 压缩 因子对天然气 计量起着至关重 要的作用 [ 。在 日常生产实验 中，我们对天然气的各项参数 进行计算时，往往将其看成是理想气体来适应状态 方程 的需要。但是在实际中，理想状态的气体是不 存在的，因此我们便需要一个纠正系数 ，来对我们 计算 的结果进行修正 ，使计算结果更具有准确性更 接近于实际情况，而这个修正系数，便是压缩因子 z，如下面的公式所示 篾 笼 Z ㈩ z 。 2 一 压缩 因子在天然气 的各项计算 当中起着至关重 要的作用 ，特别是对天然气的计量方面。因此压缩 因子 的准确与否对天然气各项参数 的计算具有决定 性的作用。 常规计算压缩因子的方法有通过气体压缩因子 图得出的方法、通过实验求取的方法、S K图版法 、 AG A8 ． 9 2 D C计算法以及用 B WRS方程求解压缩 因 子[ 2 j 3 ] 。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 0 8 ． 、 作者简介徐玉建 1 9 9 1 一 ，男，在读硕士研 究生，研 究方向复杂流体数值模拟。E - m a i l 1 3 7 6 4 3 4 6 4 3 q q ． c o m 。 第 4 4卷第6期 王春生，等 天然气压缩因子计算及影响因素分析 1 4 0 9 2． 1 B W RS方 程 的 基 本 理 论 B WR S 状态方程是一个多参数状态， 其基本形 式为[4 】 ． pp 一 一 Co Do 一 争 p b R , ． T-a-d p 。 T 口 6 2 譬 唧 一 式中 尸一压力 ，k P a ； 一 温度 ，K； 口 一密度 ，k m o l ／ m ； 月 一通用气体常数，为 8 ． 3 1 4 3 k J ／ k mo l K 。 由 式 2 J日 J 得 ，』土身 酉 凼 于 力 z1 B o一 RT 一 Co DO 一 Eo p 舶一 一 斋 c e x p _ 由气体状态方程p Z p R T 可得 Z 4 上述式 中，A 0 ， B 0 ，C o ，Do ，E o ，a ，b ，C ，d ， a ， 为状态方程得 1 1 个参数。可以根据临界温度 、临界密度 P 以及偏心因子 W 之间的关系式来 求得纯组分的 1 1 个参数 ，其关系式如下所示 P c ， 4 骂 ； 呸4 马 舒 惫 簪 甓 ㈦ 蹦 2y 等 岛 匆 簪_ 4 l 式中A f ，B f 为逋用常数 i 1 ，2 ，3 ，⋯ ，1 1 嘉I 表 1 通用常数 ， 和 的值 T a b l e 1 Un i v e r s a l c o n s t a n t v a l u e 0 f f a n d Bf 当所求目 标为混合物时， B WR S 采用下式进行 计算 ∑ ∑ 一 ； n [ ] ∑ ； 6 [∑ ] C o ∑ ∑ 乃 一 ； c [ ∑ ] 6 ∑∑ 线 D ／ ，S O 一 4 ； 【 】 ZZ y , 0 一 ； 戗 [ ∑ ] 3 [ ∑ ] 式中Y i一气相或液相混合物 中第 i 组分的摩尔分数； 杨为第 i ， ／组分间交互作用系数 。 杨 为和理论混合物的偏差，偏差随着 杨 值的 怎大而增大 ，对于相 同组分 ，K o O 。 2 ． 2 压缩 因子的求解 首先 ， 通过计算得出气体常数以及天然气分子 ，之后运用式 5 求出流体中各个纯组分所对 应的 1 1 个参数值 A 0 f ，B o f ，C o f ，Do f ，E o ，a f ，b f ， C ， d e ， y i 接着由式 6 混合物的 昆 合规则，求 得流体混合物对应的 l 1 个参数 A o ，B 0 ，C o ，Do ， E o ， a ，b，C ，d ， 。 c ， 。 将已知压力 P ，温度 代入 3 中计算出气 体 的密度 P。可以将式 3 改为t ATN式以便于求 解 ，求解时运用弦截法。 厂 p p R T B o 一 一 争 争 一 争 b RT -a - d p 3 a 口 p f 7 c p “ 1 e x p - y p 一P0 弦截法迭代公式为 一 了 一 - 8 即为 ， 弦截法求解需设两个初值 ，可设 p l O ，t 9 2 p ／ 尺 。 3 基本概 况 以庆哈输气管线的数据为例，输入气体组分， 纯物质的临界温度， 临界压力， 偏心因子， 分子量， 气体通用常数 ， 基础数据 ，输入二元交互系数 ，计算 B WRS 方程 中所需 的各纯组分所对应的 1 1 个参数值 化 工 4 ． 3 天然气组成对压缩因子的影响 A o i ．B o i ．C o l ，Do i ，E o i ．a i ，b i ，C i t a I ， t ，Y i 如表 2 ，其中X 为摩尔比。计算天然气混合物对应 的 1 1个参数 ，即待解方程的所有参数 o ， o ， Co ．D o ，Eo a， b， C。 d， 试， 。 根据 E x c e l 与公式可知需先计算 J 变量的和 ， 再计算 i 变量的和。 根据 B WR S方程计算气体密度。 我们假定 T 3 0 3 ． 1 5 K， 压力p 4 0 0 0 k P a ， 则 B WR S 方程的系数为 A 2 5 2 0 ． 3 8 9 1 ， 一1 3 1 ． 9 1 ， C 1 0 ． 8 5 2 ， D 3 ． 6 8 5 ，E 0 ．0 0 5 5 1 ，求得气体压缩密度为 p1 ． 7 1 49 6 9 k m o l ／ m Z p ／ p R 4 0 0 0 ／ 1 ． 7 1 4 9 6 9 x 8 _ 3 1 4 3 0 3 ． 1 5 0． 92 5 4 现 场中采用 的 z __ 1 ，修正 了 1 - 0 ．9 2 5 4 ／ 1 1 0 0 ％ 7 ． 4 6 ％根据公式 ．墨．一 1 1 O P0 T Z,D o T Z 就可以减少管道储气量计算误差。 4 计算分析 4 ． 1 温度对压缩因子的影响 从可以发现影响压缩因子的主要 因素是温度 ， 随着温度的升高 ，压缩 因子逐渐接近于 1如图 1 。 温度 ／ K 图 1 压缩因子随温度的变化 F i g ． 1 Co mp r e s s i o n f a c t o r v a r i a t i o n wi t h t e m p e r a t u r e 4 ． 2压力对压缩因子的影响 压力与压缩因子成正 比例关系如图 2 。 压 力／ k P a 图2 压缩因子随压力变化曲线 Fi g． 2 Compr e s s i o n f a c t or var i at i on wi t h pr e s s ur e c ur ve 由于天然气的主要成分是 甲烷 ，所 以主要探究 甲烷含量与压缩因子的关系 ，如图 3 ，甲烷含量越 大 ，压缩 因子越接近于 1 。 甲 烷摩 尔 比含 量 图 3 压缩 因子随 甲烷含量变化 曲线 Fi g．3 Co m pr e s s i on f ac t o r var i a t i o n wi t h m e t ha ne c o nt e nt 4 ． 4 管存量及输配率随压缩 因子的变化分析 假设管道直径 7 1 1 1 2 ． 5 1 5 ，管道长度为 7 0 k m，理 想管存 为 3 ． 1 4 x[ 7 l 1 ． 2 5／ 1 0 0 0 ／ 2] 2 x 3 ． 1 4 x 7 0 0 0 ／ 4 2 5 8 5 9 I T I 。标准压力 为 1 0 1 ． 3 2 5 k P a ， 标准温度 为 2 9 3 ． 1 5 K， 末端压力 P按 4 0 0 0 k P a ，末端温度 按 3 0 3 ． 1 5 K。则 由公 式 储 V x P ／ P o x T x Z知 Vx px P o x T为一常 数 ，即 9 8 7 1 6 9 ． 2 8 。所 以可以得到压缩 因子对管存 量的影响采用修正后的压缩 因子，管存量的到了 相当大的改善 ，如图 4 。 T - l 0 8 0 1 0 4 0 E 1 0 0 0 蛙9 6 0 一 l ■ 。 1 {0 ． 9 2 45 Z 压 缩 因 子z 图 4 压缩因子对管存量的影响 Fi g． 4 I nf l ue nc e of c ompr e s s i o n f ac t o r on t he t ube s t oc k 口 1 z 一 0 ． 9 2 4 5 图5 压缩因子对输配率的影响 Fi g． 5 I nflue nc e o f c o m pr e s s i on f ac t o r on t he di s t r i but i on r a t e 第4 4 卷第6 期 王春生，等天然气压缩因子计算及影响因素分析 1 4 1 l 未修正的压缩因子为 1 ， 即 Ve 9 8 7 1 6 9 ． 2 8 m 。 修正后的压缩因子为 0 ． 9 2 5 4 ，得到 储l 0 6 6 7 4 8． 7 3 m3 由于损耗量 总进气量． 管存量． 总外输量， 而损 耗率 总损耗量／ 总进气量 1 0 0 ％。可见 ，管存量增 大，损耗量便减小了，进而损耗率减小 ，又输配率 1 0 0 ％一 损耗率 ， 所以输配率得到提高如图 5阴影部 分 表 2 。 综上所述 ，实际压缩 因子越小即得到的修正越 多 ，损耗率越小 ，输配率越高。 表2 参数数据表格 Ta b l e 2 P a r a me t e r da t a t a b l e 5 结 论 1 在计算压缩因子的过程 中，发现温度是压 缩因子主要影响因素，温度越高，压缩因子越接近 1 ，甚至略大于 1 。管道中压力变化不大 ，所以取末 端压力为平均压力 ，经过计算 ，压力对压缩因子的 影响仅在气体状态方程中存在影响。 2 E x c e l 的强大功能可以使数据接二连三的 变化 ，从而实现了 日后的可行性。只需提供不同的 天然气组成 Y ， 压力 P， 温度 ， 即可以得到 B WR S 方程下的密度解 ，便得到不 同的压缩因子 ，最终管 存量得到相应的校正。通过编程 ，得到压缩因子解 法 ，并可以反复计算 。压缩因子的减少使得管存量 计量准确，进而减小了输差与损耗率。 参考文献 [1 ]麦瑶娣 ． 工程设计 中气体 压缩 因子确 定方法 [J 】 ． 石油 天然气学 报， 2 0 0 6 ， 1 6 1 1 7 1 8 ． [ 2]李丹华，姜东琪． A G A 8 9 2 D C计算方法天然气压缩 因子计算【J ] l石 油天然气学报 2 0 1 1 ， 3 l f 3 】 一 5 ． [ 3 ]李言伟． 天然气流量计量中确定压缩因子的方法[ J ] ． 石油大学学报 2 01 2 ， 1 f 4 o 1 ． [ 4] 苑伟民． 修改的 B WR S状态方程踟． 石油学报，2 0 0 6 ， 6 3 8 1 4 ． [5]王力 勇， 宋春 慧． 天然 气长输 管道 输差 控制 与分析 [ J 】 ． 油气储 运， 2 0 0 7 ， 2 6 4 4 4 4 7 ． 世界首个 甲烷直接生产 乙烯装置开车 储量丰富 、价格低廉的天然气可直接转化为世界上最大宗的化工基础原料乙烯。近 日，美国 S i l u r i a技术公司为其在得克萨斯州的试验工厂举 行盛大开车仪式 ，该工厂成为世界上第一家实现将天然气直接工业化大规模转化为乙烯的企业。新路线或将给传统以石油为原料的乙烯行业带来重 大变革。作为基础工业原料 ，乙烯在石化工业中占有重要地位，乙烯产量是衡量一个 国家石油化工发展水平的重要标志之一。除北美和中东 ，世界 上包括我国在内的大部分国家和地区以石脑油为原料，采用蒸汽裂解法制乙烯。该方法不仅耗能高、排放温室气体多 、成本高 ，而且由于原料来 自 于石油 ，还需要挤占宝贵的石油资源。为减少石油依赖 ，各国开展 以主要成分为甲烷 的天然气制烯烃的研究。天然气制乙烯的路线分直接法和间接 法两种。相比间接法冗长烦琐的过程 ，直接法只需一步即可将甲烷转化成乙烯，具有很高的经济价值 ，非常具有吸引力。但甲烷的选择活化和定向 转化是世界级难题 ，被誉为整个化学界的 “ 圣杯” ，因而从上世纪 8 0年代至本世纪初 ，学界始终没能开发出工业可行的甲烷直接制乙烯工艺。 突破的关键在催化剂。2 0 1 0年，S i l u r i a 公司创造性地使用生物模板精确合成纳米线催化剂 ，使用高通量技术从大量备选催化剂中筛选 出最合适 的元素组成 ， 开发出工业可行的甲烷直接制成乙烯催化剂。 该催化剂可在低于传统蒸汽裂解法操作温度 2 0 0～3 0 0 o C的情况下 ， 在 5～1 0个大气压下， 高效催化 甲烷转化成乙烯，活性是传统催化剂的 1 0 0 倍以上。