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天然气水合物生成的影响因素

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天然气 水合物 生成 影响 因素
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第28卷第12期 油 气储运 天然气水合物生成的影响因素 刘春阳 毕研军 李玉星 唐建峰 李旭光 (中国石油管道研究中心) (中国石油天然气管道科学研究院) (中国石油大学(华东)储运工程系) 刘春阳毕研军等:天然气水合物生成的影响因素,油气储运,2009,28(12)37~40。 摘 要 在自行设计的天然气水合物生成试验装置上,开展了天然气水合物生成反应试验研 究,考察了不同生成因素对水合物生成速率和含气率的影响。试验结果表明,反应温度越低,水合 物的反应速率越快,达到相同的储气量所需要的时间越短;表面活性剂时, 水合物的反应速率最快,储气量最大;搅拌可以加快水合物的生成速率,但不会提高水合物的储气 量;水历史在一定程度上,可以加快水合物的生成速率,但无法替代表面活性剂所起到的作用。 主题词 天然气水合物 生成 影响因素 水合物储运 —1 .——一、日 天然气水合物(一种以甲烷为主的轻 烃或重烃,以及非烃组分N 等组成的笼形包 合物,水分子作为主体,生成一种空间点阵结构,气 体分子作为客体,填充于点阵间的晶穴中,生成点阵 的水分子之间靠较强的氢键结合,而气体分子和水 分子之问的作用力则为范德华力。 天然气水合物储运技术是近几年发展较快的一 项新技术,储气能力巨大,储气条件相对温和,具有 良好的应用前景“ 。标准状 根据目前市场价格,0号柴油为5 700元/t,液 氮为2 100元/t,采用氮气作为保护层材料,可节省 约102×10 元。建立了以氮气作为保护层控制盐 穴腔体形态的气液界面深度计算模型和井口注气量 模型。经应用表明,建立的数学模型能够较好地满 足现场施工的需求。 实例计算表明,氮气替换柴油作为保护层材料 可大大降低储气库的建库成本。因此,应积极开展 氮气作为保护层的腔体形状控制工艺、地面配套设 施、井筒和井口密封性及气水界面的控制与检测等 方面的研究工作。 参 考 文 献 1, :Up to—in of 065000,河北省廊坊市金光道51号;电话:(0316)2况下,1 m。水合物可以储存150~180 天然 气。 。态天然气更安全,因为水合 物能够在一15~一5℃0 和0.1~1.0 存,其分解过程缓慢,不易燃烧;而压缩天然气需 要储存在21 化天然气需要储存 在一162℃下,储存条件远比管道天 然气运输或液化天然气运输相比,水合物储运技术 需要的资本和运行耗费较低。 目前,天然气水合物的生产和储运工艺尚处在 研发阶段,需要解决的关键技术问题是水合物的大 规模快速生成、固化成型、集装和运输过程的安全。 生产水合物的速率和储气量的高低是决定该技术能 (收稿日期:2009—02—03) 一一 一~ 一 一 一 ~ №舳 m 一 觳 一一 一一 ~ 一 一 一 ~ 一 . 城 馓 s w ¨ 啪键 测 一一 一一 ~一一 一 一 ~一 一一 一一 一 一 ~~~一~一一~一 ~ 一一 ~一~一~一~~一~一~一一 油气储运 否实施和是否具有优势的关键。利用自行设计的试 验装置,研究了天然气水合物生成的影响因素。 二、试验装置 试验装置由增压系统、高压反应釜、控温系统、 磁耦合搅拌及控制系统、计量系统、反应釜内照明和 摄像装置及数据采集系统等组成,见图1。高压反 应釜用不锈钢制作,采用高压密封圈密封,容积 2.,最高工作压力2O 应釜底部有一测 温盲管,插入一个铂电阻(度传感器测量液 相温度;反应釜的压力由量程20 度0.25 的压力传感器测量;反应釜温度由一空气制冷的多 压力表 功能恒温箱控制,恒温范围为一4O~8O℃,控温精度 为±1℃;气体流量计耐压10 程为0~-.1 000 mL/应釜的顶部安装有磁耦合搅拌器,搅拌 速率为o~1 440 r/根据需要调节搅拌速率 和搅拌杆的高度;试验中所需压力由高压气瓶提供, 经高压减压器减压后,供给试验所需的气体;液体由 平流泵提供压力源,可以将反应液注入水合物反应 釜。反应釜带有摄像系统和照明系统,实时监测反 应釜内部情况,试验过程中温度、压力和摄像等数据 通过数据采集系统收集,并存储为数据文件。 试验用天然气由胜利油田生产,其组分为甲烷 9O.98%、乙烷3.69 、丙烷1.44 、异丁烷 0.41 、二氧化碳2.76 、氮气0.72 。 图1天然气水合物合成试验装置 拌、不同温度条件下,水合物反应时间与体积储气量 三、试验步骤 的关系,试验结果见图2。 在试验前用纯净水将反应釜清洗两次,向反应 釜内注入一定量的十二烷基硫酸钠(液,通 人天然气,置换反应釜中的空气;通人一定量的天然 气进行试压,确保整个试验装置不出现漏气;试压 后,打开恒温箱降温,当反应釜内温度降至试验所需 温度时,打开储气罐阀门进行加压;开启储气罐阀 门,调节压力调节阀,给反应釜充气,使反应釜中压 力达到试验设定压力,并保持反应釜内压力恒定;打 开流量计,计量气体流量;利用数据采集系统记录流 量及反应釜内的温度、压力值。 四、试验结果及分析 水合物生成时,流量计读数会突然增大,水相温 度也会明显上升(考察温度、表 面活性剂浓度、搅拌、水历史对天然气水合物生成因 素的影响。 1、温 度 考察了在相同压力、相同添加剂浓度、不加搅 吕 一 褂 钿 询1 蟋 0 15 3O 45 6O 75 9O 2O 135 15O 反应时间(圈2温度对水合物生成的影响 试验结果表明,温度越低,水合物反应所需要的 时间越短,反应速率越快,水合物的质量含气率达到 某一特定值所需要的反应时间也越短,质量含气率 达到90 m。/m。时,0.9、4.0和5.2℃下所需要的时 间分别为48、68和135 应时间相同,温度越 低,水合物的质量含气率越高,反应时间为120 ,0.9、4.0、5.2和7.0℃水合物的质量含气率分别 达到了15、90、11m。/m。。 如 加∞∞;。∞ 如 第28卷第12期 刘春阳等:天然气水合物生成的影响因素 2、表面活性剂浓度 试验选用性剂。考察了浓度为0(纯水)、100、300、500和 700 的相同温度、相同压力、不 加搅拌条件下,天然气水合物的反应时间和质量含 气率的关系,试验结果见图3。 糌 钿 ’ 反应时间(图3 表面活性剂浓度对水合物生成的影响 。20 度为300、500和700 的 三条曲线相差不大;20~40 度为500 和700 的曲线稍高于300 的曲 线;40 度为300 的曲线逐渐占 优势。 300 为高 于300 ),只能在很短的时间 内提高水合物含气率,随着水合反应时间的延长,该 浓度条件下生成水合物的含气率将高于其他浓度条 件下水合物的含气率。因此,浓度为300 的 3、 搅 拌 考察了在相同温度、压力、表面活性剂浓度条件 下,搅拌对天然气水合物生成因素的影响,试验结果 见图4。 一 重 一 O O 3O 40 5O 6O 70 8O 9O 10120 反应时间(图4搅拌对水合物生成速率的影响 搅拌后,反应釜压力下降较快,即搅拌加快了水 合物的生成速率。搅拌使溶液扰动,更容易生成晶 核,加快水合物的生成;在静态条件下,水合物在水 的表面生成,水合物的生成阻止了水和气的接触,而 连续的搅拌可能将生成的水合物搅碎,使水和气更 好地接触;水合物的快速生成会放出大量的热,使反 应液的温度上升,在一定程度上对水合物的生成产 生抑制作用,而搅拌使反应釜内的反应液循环流动, 促进散热,加快了水合物的生成速率。 值得注意的是,随着时间的推移,两条曲线逐渐 接近,2 条曲线的压力值接近相等,说明搅 拌仅加快了水合物生成的速率,并没有提高最后生 成的水合物的含气率。 4、 水历史 试验考察了相同温度、压力、搅拌速率、搅拌时 间条件下,水历史对天然气水合物生成速率的影响。 试验结果见图5。 糌 加 咖 峰 0 400 800 1 200 l 600 反应时间5水历史对水合物生成的影响 第二次水合物生成的诱导时间比第一次水合物 生成的诱导时间短,当反应相同时间时,第二次反应 的含气率高于第一次,说明水历史对水合物生成的 诱导时间产生了影响。 值得注意的是,相对于表面活性剂,水历史对水 合物生成的诱导时间和含气率的影响小得多,在反 应相当长的时间后,水合物总的含气率仍然很低。 因此,水历史只能在一定程度上加快水合物的生成 速率,表面活性剂的作用不可替代。 五、结论 (1)在相同的反应压力、表面活性剂浓度、不加 搅拌的条件下,反应温度越低,水合物的反应速率越 快,达到相同的储气量所需要的时间越短。 4 2 0 8 6 4 2 7 6 5 4 3 2 0 O O O O O O 油气储运 2009拄 水平管气一液两相变质量流的均相流模型 于达 程小姣 宫敬 吴海浩 (中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室) 于达程小姣等:水平管气一液两相变质量流的均相流模型,油气储运,2009,28(12)40~44。 摘 要 与常规管中气一液两相流动不同,水平管气一液两相变质量流动存在沿程管壁入流。 在水平管单相变质量流动试验研究的基础上,考虑了管壁入流对管壁摩阻系数的影响,提出了孔缝 管管壁摩阻系数相关式。将气一液两相混合物看作均匀介质,使水平管气一液两相变质量流的均相 流模型的基本模型等同于单相变质量流的流动模型,重点研究了气一液两相变质量流均相流模型中 流动参数的混合规则,提出了新的气一液两相粘度混合规则。对气一液两相变质量流的均相流模型 进行了试验验证,研究结果表明,气一液两相变质量流的均相流模型预测结果可以满足工程计算精 度的要求。 主题词 水平管两相流 均相流模型 粘度混合规则 压降梯度 —1上.—一、丽 舌 变质量流动比常规管内的流动更难处理,目前 的研究方法大都是在简化条件下将针对常规管的研 究结果应用到变质量流动的描述上,这将会影响到 预测的准确性;且研究大都是在各自的试验范围内 得出相应的表达式,不具有普遍性。 水平管变质量气一液(液一液)两相流研究起步较 晚,目前尚无成熟的模型n ,通常是将气一液两相混 合物看作均匀介质,其流动的物理参数取两相介质 相应参数的混合平均值,按单相介质来处理均相流 模型的流体力学问题,将所研究的气一液两相变质量 流的均相流模型,转化为水平管变质量流的单相流 动模型中管壁摩阻系数关联式的研究和气一液两相 的流动物理参数混合规则的研究。 二、水平管单相变质量流动 1、孔缝管单相变质量流动稳态模型 假设流体为单相流动的恒温不可压缩牛顿流 体,流体与环境间没有热量转换,流体不对外界做 功,外界也不对流体做功。 在以上假设前提下,可列出偏微分格式质量守 恒和动量守恒方程。对于稳态流动而言,参数不随 时间变化,则孔缝管单相变质量流动的稳态模型为: A 一1) 一2 (2) 从上式可得到管壁摩擦剪切应力的表达式: D卜 3) ‘ 4 l d A … f … (2)在相同的反应压力、反应温度、不加搅拌的 条件下,表面活性剂浓度(300 时,水 合物的反应速率最快,储气量也最大。 (3)在相同的反应温度、反应压力、表面活性剂 浓度条件下,搅拌可以加快水合物的生成速率,但不 会提高水合物的储气量。 (4)水历史可以加快水合物的生成速率,但无法 替代表面活性剂所起到的作用。 *102249,北京市昌平区府学路话:(9734628。 参考文 献 1, 孙志高 樊栓狮等:天然气水合物储运技术研究,天然气与石 油,2001,I9(i)。 2, F:of 997. 3, S, A et of as 7 C,1992. (收稿日期:2009—02—06)
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