天然气减阻剂减阻机理探讨.pdf

第 4 1卷第 8期 2 0 1 2年 8月 应用化工 Ap p l i e d C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 ． 41 No ． 8 A u g ． 2 0 1 2 天然气 减 阻剂减 阻机理探讨 徐吉展 ， 王娜， 刘丽， 李鸿， 叶天旭 中国石油大学 化学工程学院， 山东 青岛2 6 6 5 5 5 摘要 对现有天然气减阻剂减阻机理进行了较深入的分析 ， 重点介绍了光滑减阻、 粘弹减阻和光滑 粘弹减阻机 理。从微观结构分析了输气管道近壁区阻力的成因， 进一步证实了输气管道近壁区是实现湍流控制和减阻增输的 关键区域 ； 从实验研究和理论研究两方面对各个减阻机理进行了评述， 并列举了各减阻机理的理论依据或事实依 据。此外 ， 简要介绍了天然气减阻剂的应用条件， 并提出了减阻机理的研究重点。 关键词 天然气； 减阻剂； 管道输送； 阻力成因； 减阻机理 中图分类号 T Q 0 4 7 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 2 0 81 4 1 7一O 5 Di s c u s s i o n o n me c h a n i s m o f d r a g r e d u c t i o n o f n a t u r a l g a s d r a g r e d u c t i o n a g e n t XU J i - z h a n， WA NG Na， L I U L i ， L I Ho n g， Y E T i a n 一 C o rt e g e o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Q i n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e e x i s t i n g me c h a n i s ms o f d r a g r e d u c t i o n h a v e b e e n a n a l y z e d i n d e p t h ． S mo o t h me c h a n i s m o f d r a g r e d u c t i o n， v i s c o e l a s t i c me c h a n i s m o f d r a g r e d u c t i o n a n d s mo o t h v i s c o e l a s t i c me c h a n i s m o f d r a g r e d u c t i o n w e r e p r e s e n t e d i n d e t a i l s ．T h e r e a s o n o f f o r mi n g n e a r w a l l d r a g o f t h e g a s p i p e l i n e s we r e a n a l y z e d i n mi c r o s c o p i c l e n g t h s c a l e l e v e l a n d t h 6 f a c t t h a t t he n e a r wa l l r e g i o n o f g a s pi pe l i n e s i s the c r i t i c a l a r e a o f c o n t r o l l i n g t u r b u l e n c e， r e d u c i n g d r a g a n d i n c r e a s i n g g a s t h r o u g h p u t h a s b e e n f u r t h e r c o n fi r me d ． E a c h me c ha n i s m o f d r a g r e d u c t i o n wa s e v a l u a t e d o n b o t h e x p e r i me n t a l a n d t he o r e t i c a l s t ud i e s， a n d t h e t h e o r e t i c a l b a s i s o r f a c t u a l b a s i s o f me c h a n i s m o f d r a g r e d u c t i o n w a s a l s o l i s t e d ． I n a d d i t i o n， t h e a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n s o f t h e g a s DR A we r e i n t r o d u c e d b r i e fl y， a n d t h e r e s e a r c h d i r e c t i o n o f d r a g r e d u c t i o n me c h a n i s m wa s p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ；d r a g r e d u c t i o n a g e n t ；p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n；d r a g c a u s e s ；me c h a n i s m o f d r a g r e d u c t i o n 所谓“ 减阻” 是指管道中的流体在恒定压降下， 加入“ 减阻剂” D R或 D R A 使其体积流率增加 ， 或 者在恒定体积流率下， 加入“ 减阻剂” 使其沿程压降 减小 。在输气管线中， 摩擦阻力是造成长输管线 压降、 动力损耗和输气量降低的主要原因。因此， 要 降低长距离输气管线运营成本和提高输气量， 就得 降低摩阻系数 。 目前 ， 管输天然气管道多采用内涂层减阻技术 降低摩擦阻力， 取得了良好的经济效益。但是管道 内涂层减阻方法施工设备复杂 、 操作费用较高 ， 特别 是随着输气时间的延长和不定时清管作业 的实施。 使得管道内涂层不断脱落， 减阻效果逐渐降低， 严重 时甚至产生负效应 J 。为 了弥补 内涂层减阻 的不 足， 天然气减阻剂技术就应运而生。在输气管道中 添加减阻剂减阻增输的可能性首先是由美国石油学 会于 1 9 5 6年发现 。2 0世纪 9 0年代， 又有 A tl a n ti c R i c h fi e l d C o m p a n y 、 Y i n g H s i a o L i和R a n d i N a e s s 等 提出了天然气减阻剂开发和分子设计的基础， 并提出了天然气减阻剂减阻机理。H u e y [ 9 于 2 0 0 0 年墨西哥湾进行 了天然气减 阻剂现场实验 ， 取得了 较好的减阻增输效果 。2 0 0 0年 以后， 我国对该项技 术特别关注， 研发了大量潜在的天然气减阻剂， 并从 不同角度提 出了减 阻原理。但 尚未形成 系统 的理 论， 甚至没有形成公认 的合理解释。本文列举了近 收稿日期 2 0 1 2 - 0 6 - 0 5 基金项目 国家科技重大专项 2 0 l 1 z x 0 5 0 2 6 ． 0 0 4 作者简介 徐吉展 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山东菏泽人， 中国石油大学 华东 在读硕士， 师从叶天旭副教授， 主要从事精细化工、 缓 蚀剂、 天然气减阻剂等新材料的开发。电话 1 8 9 5 4 8 3 9 4 6 8 ， E m a i l x u j i z h a n 1 2 3 s i n a ． c o rn 通讯联系人 叶天旭。电话 1 5 8 6 3 0 1 6 1 3 8 ， Em a i l x i n z i 1 9 9 7 s i n a ． c o rn 应用化工 第 4 l 卷 几年热议的天然气 减阻剂的减 阻机理 ， 并加 以整合 对比提出了自己的观点。 1 输气管道水力摩阻及成因 根据流体力学原理 ， 管道 中的流体流态可 以分 为层流和湍流两大类。当雷诺数 R e小于 2 0 0 0时 为层流 ， 当雷诺数 R e大于 3 0 0 0时为湍流。湍流又 可分为水力光滑区、 混合摩擦区 部分湍流 和阻力 平方区 完全湍流 。输气管道一般 出现部分湍流 和完全湍流 2种流态 。而输气管道干线 因管径大、 压力高、 流速快 ， 基本上在完全湍流的阻力平方区运 行， 在流体进人阻力平方区时， 天然气输送过程中压 降 △ P 、 流量 Q与粗糙度 存在正相关关系 ， m j 。 压降 △ P与粗糙度 K的关系式 △ p ’ m 0 ． 0 5 5 5 D- 1 , 2 5 u 2 p l 1 流量 Q与粗糙度 的关系式 s 2 Q 2 在压力变化不大的情况下 ， 流体密度 、 管长和内 径都是常数， 若天然气气体流速不变， 输送过程中的 沿程阻力 压降△ P与粗糙度 的0 ． 2 5 次方成正 比， Q与粗糙度 的0 ． 1 2 5 次方成正比。管输天然 气沿程压降△ P和输送量 Q与管道内壁的粗糙度密 切相关。因此， 降低输气管道内壁粗糙度能够达到 减阻增输的目的。 很显然 ， 管道 内壁粗糙 度对湍流有 明显影 响。 在实际天然气输气管道 中， 粗糙壁面是 涡量和湍流 的主要来源。对于存在着大量的“ 凹谷 ” 和“ 凸峰” 的输气管道， 在近壁区流动的流体遇到障碍物时， 切 向速度发生剧烈变化， 形成涡层。涡层很不稳定， 很 小的扰动就能使之发生变形⋯J ， 卷曲成漩涡 见图 1 。漩涡很容易射人到附近流体中形成剪切层， 不 稳定的剪切层很快形成湍流。对粗糙壁 面而言 ， 当 流体高度湍流时， 层流底层突出物充分暴露形成较 大的形体阻力 ， 并产生大量 的漩 涡。漩涡能量最后 因流体黏性的作用， 转化为热而耗散掉。同时“ 凸 出物” 前后还会产 生较 大的压差 ， 即形体阻力。在 其它条件不变时 ， 粗糙 度越大 ， 涡流 区就越大 ， 湍流 流动产生的阻力损失也就越大， 即粗糙度对摩阻系 数的影响较大| 】 ” J 。边界层 的粗糙程度决定 了微 观的分离和边界的无数小漩 涡几何尺寸 的差异 ， 从 而决定能量耗散的差异和阻力系数的差异。如想达 到粘性减阻， 首先要实现维持或者延长近壁区层流 状态， 抑制或者干扰湍流的发生。可见， 输气管道近 壁区是实现湍流控制和减阻增输的关键区域。 另外， 即使输气管道壁面十分光滑， 流体在壁面 处表面滑移也是很难实现的。流体在壁面上产生非 零切向速度 ， 并伴随着强 的剪切力 ， 结果 由于流体 的 粘性使得流体在壁面上“ 搓” 出强的涡量， 并使其扩 散 ， 最终能量以热能的形式耗散 。 图 1 凸 出物剖面压力分布图 F i g ． 1 T h e s e c t i o n p r e s s u r e p r o fi l e o f t h e p r o t r u s i o n s 2 天然气管输减阻机理 对于管输天然气 ， 层流时管输介质粘性底层厚 于“ 凸出物” 见 图 2 a ， 流体绕过“ 凸出物” 对摩 阻 因数 无影响， 添加减阻剂不能降低沿程阻力起到 减阻作用。湍流时， 当 R e 较小时， 层流底层较厚， 形体阻力小 ， “ 凸出物 ” 对 的影 响较小， 添加减阻 剂减阻效果也不佳 ； 当高度湍流时， 层流底层突出物 充分暴露 见图 2 b ， 形成较大的形体阻力、 引起强 烈湍流 ， 突出物对 的影响较大， 添加减阻剂可 以 很好地起到减阻增输效果 引。 a 光滑 区蠲漉 b 粗糙 区滑流 图2 流速与粘性底层厚度关系图 F i g ． 2 Re l a t i o n d i a g r a m o f fl o w r a t e a n d V I S C O U S s u b l a y e r ’ s t h i c k n e s s 管输天然气大多处于粗糙区湍流， 也有些处于 混合摩擦区湍流 。因此 ， 添加减阻剂是管输天然 气减阻增输的有效方法 。 2 ． 1 光滑减阻机理 光滑减阻机理是在 内涂层减阻 的基础上提出 的， 如图3所示u 。光滑减 阻的核心是天然气减 阻剂分子 ， 最好是气体或能雾化的液体 ， 有足够小直 径的分子 ， 能够进入或填充管壁上 的“ 凹谷” ， 从而 明显降低管道内壁粗糙度。对管道流动而言， 光滑 减阻率能达到百分之十几甚至几十 引。理论依据 是天然气输送过程中的△ P与 K的 0 ． 2 5次方成正 比。因此， 降低粗糙度 可以减小管道运行的功 耗。但是， 对于尺寸在纳米数量级上的天然气减阻 剂分子 ， 很难填充高达几十微米甚 至毫米级别的粗 糙度。对于天然气减阻剂的加注很难达到如 图3所 示的理想成膜效果 。 1 4 2 0 应用化工 第 4 1 卷 同时， 实验也证实了这一点 见 图 8 ， 本课题组 在作减阻剂环道评价时 ， 发现静态 预膜下 的减阻率 仅为 4 ％左右 ， 而动态预膜下 的减阻率可以达到 6 ％ 左右 ； 并且静态预膜下减阻率随流量出现波动 ， 而动 态预膜下的减阻率近似于一条直线 2 引。 q, ／ Nm ’ h - I 图8 静态预膜、 动态预膜减阻效果对比 F i g ． 8 C o mp a ri s o n o f d r a g r e d u c t i o n e f fi c i e n c y b e t w e e n t w o fi l l i n g w a y s 2 ． 3 光滑减阻与粘弹减阻共同作用 刘兵等l 2 9 铷 均认为 ， 天然气减阻剂的作用机理 可以从两个方面考虑 ， 一是光滑减阻 ， 即减阻剂 的 “ 填坑” 作用降低管道的绝对粗糙度， 消除脉动产生 的条件 ； 二是弹性壁面减阻 ， 降低 已有脉动的强度。 本课题组赞同上述理论 ， 并进行 了进一步的分 析讨论， 如图9所示。光滑壁面减小了形体阻力， 降 低 了湍流发生的概率和强度。弹性薄膜一方面起到 转捩延迟作用 ， 延长由层流向湍流的转变时间， 湍流 边界层中速度型的对数区上移， 使得粘性底层和过 渡区都比刚性壁边界层稍宽 ； 另一方面 ， 又能够部分 吸收猝发过程中喷出、 扫掠这样准周期的运动能量 ， 降低相关结构的强度和湍流脉动的强度。但是减阻 剂分子管壁上形 成 的膜厚要适 当， 液膜太薄 ， “ 填 坑” 不 明显， 柔性不够 ； 太厚 ， 容易形成积液和液态 波纹， 反而增加阻力损失。 图 9 天然气减阻剂减阻不意图 F i g ． 9 Mo d i fi e d me c h a n i s m o f d r a g r e d u c i n g a g e n t u s e d f o r n a t u r a l g a s p i p e l i n e 3 结论 天然气减阻剂减阻技术是一种很有发展前途的 输气管道减阻增输技术 ， 也是壁面控制技术应用于 输气管道的较好实例， 遗憾的是 目前尚未形成公认 的理论系统。尽管如此 ， 国内外研究者已经合成 了 大量的天然气减阻剂 ， 并进行 了环道评价和现场试 验 ， 得到了许 多可作 为实际工业应用潜力的药剂。 针对相对滞后的理论研究， 本课题组提出以下几点 建议。 1 今后在产 品开发 的同时 ， 应加强减 阻机理 的探索 ， 特别是数值模 拟与实验研究要有机结合起 来， 深入理论研究 ， 以便理论更好的服务实践。 2 就天然气 减阻剂减 阻技术 的研究而言 ， 目 前的研究工作主要偏重“ 干气” 的研究 ， 对于含凝析 液的天然气减阻剂减阻的研究还 比较少。因此， 无 论是这方面药剂的合成还是理论研究 ， 都应该加强， 以适应富含凝析液天然气 的运输 ， 提高天然气减阻 剂的应用范围。 参考文献 [ 1 ] A b d e l s a l a m A 1 - 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