高含硫天然气分子量和压缩系数对流量的影响.pdf

第 2 9 卷第1 0 期 天然气工业 ’ 高含硫 天然气 分子 量和压缩 系数对流 量 的影 响 付建 民 陈 国明 1 ． 中国石油大学 华东 机 电工程学 院 龚金海 王 勇 2 ． 中国石化 中原 油 田勘探设计研究 院 付建 民等． 高含硫天然 气分 子量和压缩 系数对 流量的影响． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 0 9 3 9 5 ． 摘 要 目前 国内外高含硫天 然气田开发 多采用高压输 送工艺 ， 高含硫天然 气分 子量和 压缩 系数 对流量 的影 响较大。为此， 以普光 气田高含 硫天然气 气体 主要成分为基 准条件 ， 考 虑各 气体成 分 的交互作 用， 基 于 P e n g R o b i n s o n方程解 算出 Hz S摩 尔分数从 O ～4 0 的天然 气压缩 系数 。通 过计 算分 析对 比可知 高含 硫 气体流量 变化 的 影 响因素与气体 成分及摩尔含量有直接 关系。体积流量 变化在 相 同压力条件下 ， 随不 同含量 H。 s不是 单纯 的负增 长 下降趋势 ， 压缩 系数和分 子量共 同影响体积流量 的变化 。质 量流量 随 H s重 组分的增加 而增 加， 但 主要 受压 缩 系数 的影响， 增长速度及方 向会 在 2个不 同压力 范围内发生变化。 关 键 词 高 含 硫 天 然 气 硫 化 氢 分 子 量 压 缩 系数 流 量 影 响 D0I l 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 0 ． 0 2 9 目前 国内外高含硫天然气 田开发多采用高压输 送工艺[ 】 ] ， 高含硫天然气 由井 口至天然气 净化厂压 力 范 围跨 度 较大 ， 如 普 光 气 田井 口生 产压 力 为 1 9 ～ 2 8 MP a ， 而经集 气 站节 流 至 天 然气 净 化 厂 的输 气 管 线运 行压 力 为 8 ～ 1 0 MP a ， 压 力变 化 较 大 ] ， 而 各 井 口的气体 成 分 ， 尤 其 是 H S含 量 差 别 较 大 ， 目前 专 门针对 高 含 硫 天 然 气 对 流 量 的影 响 研 究 较 少 。为 此 ， 通过计算模拟的方法 分析了高含硫 天然气分子 量 和压 缩 系数 的变 化对 流量 的影 响规 律 。 1 不 同含 量 H S天然气压 缩 系数计算 我 国 S YT 6 1 4 3 2 0 4 用标 准 孔板 流 量 计测 量 天然气流量 和 GB T 1 1 0 6 2 1 9 9 8 天然气发热量 、 密度 、 相对 密度 和 沃泊 指数 的计 算 方 法 仅 给 出了标 准 状态 下个 别 计 量 参 比条 件 压 缩 系 数 Z 的 计 算 方 法 ； 美国煤气协会 AGA 压缩系数计算公 式适用 于 天然 气 主 要 含 量 为 甲烷 、 乙 烷 、 重 烃 影 响 较 小 的情 况[ 3 ] 。为准 确 求 解 压 缩 系数 Z， 应 考 虑 压 力 升 高 和 密度增加时分子本身 占据的体积和分子 间的相互作 用力 4 ] 。因此 ， 利 用 P e n g Ro b i n s o n状 态 方 程 得 到 关于高含硫天然气混合气体压缩系数 z的方程 Z 3 一 1一 B z 2 A 一 3 B Z一 一 B 。～ B 。 一 0 1 其 中 A 一 2 B 一 I D L_ T 3 n』 以上 3 式 中 R 为 气 体 常数 ， 8 ． 3 1 4 k J ／ k mo l K ； a和 b为混 合物 常数 ， 由纯组 分 的摩 尔分 数 Y 和 相应 常 数 a 、 b 按 分 别 按 式 4 、 5 的混 合 规 则 求 得 ， 二元 相互 作用 采 用表 1 所 列 的交 互参 数 K⋯ 。一 4 J 。 。 一 b一 Y。 b 5 为 模 拟 气 田高 含 硫 天 然气 中 H S含 量 对 压 缩 系数 和天 然 气 流 通 能 力 的影 响 ， 以表 2所 示 气 体 成 分 为基 准 条 件 ， 逐 渐 增 加 H S的 摩 尔 分 数 ， 模 拟 不 同井 口和管线内气体成分的影响。 以普光 气 田集 输 系统 最低 运 行 温 度 4 0℃ 为 温 度 条件 ， 压 力 为 6 ～ 1 6 MP a时 的混 合 气 体 压缩 系数 变化 情 况 见 图 1 。压 力 为 1 7 ～ 1 9 MP a时 的混 合 气 体 压缩 系 数变 化情 况见 图 2 。对 比两 图可 知 在 基准 条 件下 压缩 系数 均 随 着 H。 S含量 的增 加 而下 降 ， 但 在 6 ～1 6 MP a条件下 ， 同 H。 S摩尔含量气体压缩系 数随压力升高而降低 ， 而在 1 7 ～1 9 MP a附近气体 压 缩 系 数 大 小 及 变 化 近 似 一 致 ， 在 2 1 ～2 9 MP a 范 *本文受到大型油气 田及煤层气开发国家科技重大专项课 题“ 高含硫气藏高效安全开发技术” 编号 2 o o 8 z x 0 5 0 1 7 的资助。 作者简介 付建 民， 1 9 7 7年生 ， 讲师 ， 博士 ； 从事油气安全技术研究 及教学工作 。地址 2 5 7 0 6 1 山东省东 营市 中国石油大 学机 电学 院安全工 程系。电话 0 5 4 6 8 3 9 1 1 1 3 ， 1 3 5 6 2 2 9 1 8 2 9 。E ma i l f u j i a n mi n h d p u ． e d u ． c n 9 3 天然气工业 2 0 0 9 年 1 0 月 表 2 天然气压缩 系数 z计算基准条件表 N 垛 婷 图 1 4 0℃ 时压 力 6 ～1 6 MP a 和 H 2 S 摩尔分数 的 混合天然气压缩 系数图 图 2 4 0℃时压 力 1 7 ～2 9 MP a和 H 2 s 摩 尔分数的 混合 天然 气 压 缩 系数 图 围 ， 同 H S摩 尔含 量 的压 缩 系数 却 随 着 压力 升 高 而 升高 ， 与压力 6 ～1 6 MP a 时 相反 。 2 含 H S气体 平均分子量 和压缩 系数 对流通能力的影响 不 考 虑 地形 起 伏 影 响 时 ， 标 准 状 况 P 。 一0 ． 1 0 1 MP a ， T 一2 9 3 ． 1 5 K 下 的体积 流量方 程 为 Q 一 旦 4 一 To 94 式 中 Q 为 天 然 气在 标 准 状 况 下 的体 积 流 量 ， m。 ／ s ； P Q为管道 进 口气 体 压 力 ， MP a ； P 为 管 道 出 口气 体 压力 ， MP a ； Z为管道 平 均压 力 和 平均 温 度 下 的压 缩 系数天然气压缩 系数 ； R 为空气气体常数 ， m ／ S K ； D 为管道 内径 ， m； T为 天 然气 平 均温 度 ， K； L 为管 道长度 ， m； 为水 力摩 阻系 数 ， 无 因次 ； M 为 天 然气气体平均分子量 。 为便 于 分 析 含 H S气 体 平 均 分 子 量 和 压 缩 系 数 对 流 通 能 力 的影 响 ， 采 用 相 对 变 化 率 进 行 分 析 。 由式 6 可 知 同一管 道在运行 条件相 同时 即 P 、 P Q 、 D、 T、 L相等 ， 水力摩阻系数 基于 We y mo u t h 和前 苏联 天 然 气 研 究所 早 期 和 近期 等 公 式 主 要 与 D 有 关 ， 故 可 以 得 出 天 然 气 标 准 体 积 流 量 与 厂 一 √’ 成正比 例关系的结论， 这和文献[ 6 ] 、 [ 7 ] 的结 Y』 ～ 论 一致 。不 同 H S含 量 的体 积 流 量 相 对 变化 率 ， 可 表 示为 式 7 。 同理 可得 出 天 然气 质 量 流 量 与 成 正 比例 关 系 ， 不 同 H S含 量 的质 量 流 量 相对 变 化 率 表示为 式 8 △ Q 一 l O O ％ 7 ,／ 1 f M。 Zo △ M， 一 兰 三 1 0 o 8 Zo 式 中 Mi 、 Z 分别 为 H S摩 尔 分 数 为 某 值 时 的 混合 气体 的分 子量 和 压缩 系 数 ； Mo 、 Z 。为 H。 S摩尔 分 数 为 0时混合气体的分子量和压缩系数 。 图 3 、 4分别 给 出 了基 于 前述 基 准 条 件 ， 4 O℃ 时 6 压 力 为 6 ～ 1 6 MP a 、 1 7 ～2 9 MP a和不 同 H2 S摩 尔分 一 一 z 第2 9 卷第 1 0 期 数 含 量时体 积 流 量 相 对 变 化 情 况 。 由 图 3 、 4可 知 在所列 H。 s摩尔分数范围内， 随着 H s含量增加 ， 6 ～ 8 MP a 范围 内体积流量变化始终负增长 ， 呈下降 趋势 ； 1 2 ～1 6 MP a ， 1 7 ～2 7 MP a的体积流量变化均 开始负增长 ， 后正增长 ； 1 0 MP a时 与 2 9 MP a时类 似 ， 分 别在 H S摩 尔 分 数 为 2 5 、 2 O 附 近 时 体 积 流量降至最低 ， 分别降低 3 和 1 ． 6 。 一 6 4 2 蔽0 盔 一 2 一 4 一 6 嬖一 s 一 {； { L 删 Ⅲ lj 置 s 1 卜 _1 9MPa ， ； 一 21 M Pa 2 3 M Pa ． ／ ／ 2 5 M Pa 2 7 MPa 25 4 ． ／ 一 ， 乒 ／_x ／／ ／ ‘ 5 2 o 4 ． 室 图 4 4 0℃ 时压力 1 7 2 9 MP a不 同 H s摩尔含量 时 体积流量相对变化 图 图 5 、 6分别给出了基于前述基准条件 ， 4 0℃时 压力 为 6 ～ 1 6 MP a 、 1 7 2 9 MP a 和 不 同 H S摩 尔 含 量时质量流量变化情况 。可见质量流量变化主要受 到 H S含 量 的 影 响 ， 均 随 H。 S摩 尔 分 数 增 加 而 增 加。 相 同H S 摩尔 分数 时 ， 6 ～ 1 6 MP a 的质 量流 量 一 辟 霞 血】】 皿 Ⅲ _{ 喀 4 0℃ 时压 力 1 7 2 9 MP a 不 同 H S摩尔含量时 质量流量 相对变化图 随压 力增 加 的变 化速 度 明显 加 快 ， 而 在 1 9 ～2 9 MP a 范 围时 又随 压力 增加 变化 速 度变 慢 。 3 结论 通 过 计 算 分 析 对 比可 知 高 含硫 气 体 流 量 变 化 的影响因素与气体成分及摩尔含量有直接关系。体 积流量变化在相同压 力条件下 ， 随不同含量 Hz S不 是单纯的负增 长下降趋势 ， 压缩系数和分 子量共 同 影 响体 积 流 量 的变 化 。质 量 流 量 随 H。 S重 组 分 的 增加而增加 ， 但主要受压缩系数 的影响 ， 增长速度及 方 向会 在 2个不 同压 力 范 围 内发生变 化 。 参 考 文 献 [ 1 ]E D WAR D W． D e s i g n a n d o p e r a t i o n o f s o u r g a s g a t h e r i n g s y s t e ms [ M] ． C a n a d a I s ． n ． ] ， 2 0 0 0 ． [ 2 ]何生厚． 普 光 高含 Hz S 、 C O z气 田开发技 术难 题及 对 策 E J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 4 8 2 8 5 ． E a ]李长俊． 天 然气 管 道输 送 [ M] ． 北京 石油 工业 出版社 ， 2 00 0 1 4 一 I 7 ． [ 4 ]B OYUN GU O，AL I C HAL AMB OR ． Na t u r a l g a s e n g i n e e r i n g Ha n d b o o k [ M] ． [ s ． 1 ． ] G u l f P u b l i s h i n g C o mp a ny， 2 00 5 97 1 4 0． [ 5 ]王 志 昌． 输 气 管 道 工 程 [ M] ．北 京 石油 工 业 出 版 社 ， I 99 7 24 29 ． [ 6 ]M0HI T P O UR M， GO L S HAN H， MURR AY A．P i p e l i n e d e s i g n＆ c o n s t r u c t i o n a p r a c t i c a l a p p r o a c h [ M] ．I s ． 1 ． ]AS ME Pr e s s ， 2 0 0 0 7 1 7 4 ． [ 7 ]J AS O N M K， DA NI E L A C ． E s t i ma t i n g s o n i c g a s f l o w r a t e s i n p i p e l i n e s [ J ] ． J o u r n a l o f L o s s P r e v e n t i o n i n t h e Pr o c e s s I nd us t r i e s， 20 05， 1 8 55 - 62 ． 4 0℃ 时压 力 6 ～1 6 MP a 不 同 巩 s摩 尔含量时 质量流量相对 变化图 修 改 回稿 日期2 0 0 9 0 8 2 6 编辑何 明 9 5 5 0 5 O 5 O 5 6 2 2●1 一 图 一 愀设罂咖 删 5 O 5 O 5 O 5 5 2 2● 一 图