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天然气水合物形成条件预测及防止技术_续

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天然气 水合物 形成 条件 预测 防止 技术
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天 然 气 水 合 物 形 成 条 件 预 测 及 防 止 技 术 (续 )李 长 俊西 南 石 油 学 院   四 川 省 南 充 市   637001杨   宇西 南 石 油 局 川 西 采 输 处   四 川 省 德 阳 市   836000【 摘 要 】 在 天 然 气 的 输 送 和 处 理 过 程 中 ,经 常 会 形 成 水 合 物 堵 塞 管 道 和 设 备 而 严 重 地 影 响 正 常生 产 。 本 文 介 绍 了 输 气 管 道 中 形 成 水 合 物 的 原 因 。 为 了 避 免 水 合 物 堵 塞 ,需 要 知 道 水 合 物 压 力 及温 度 条 件 。 综 述 了 水 合 物 压 力 、 温 度 预 测 的 经 验 图 解 法 、 相 平 衡 计 算 法 和 统 计 热 力 学 方 法 。 简 述 防止 水 合 物 的 常 用 四 种 方 法 。关 键 词 : 天 然 气   管 道   水 合 物   形 成 条 件   技 术 状 况中 图 分 类 号 : f j/ 1 + ∑j (13)式 中   f j — — — j 组 分 在 气 相 中 的 逸 度 (由 一 定 的 状 态方 程 计 算 ) , — — j 组 分 在 m 型 孔 穴 中 的 有 关 常 数 ,1/ 常 数 表 示 为 : ( A T) B T) (14)对 每 个 能 够 进 入 穴 的 组 分 j、 A B 由 实 验 数 据 确 定 。 表 3 中 列 出 了 推 荐 的 数 据 。表 3   计 算 式 (14) 中 的 A、 气 体 结 构小 空 穴A × 103( K/B( K)大 空 穴A × 103( K/B( K)Ⅱ 017228012207 31873453 2313510010 26531916Ⅱ 010010 010010 3103924010 38612967 010 010 51455 4638 010 010 18913 3800 010 010 30151 3699Ⅱ 11617011742 29053082 6107818100 24311728Ⅱ 012474010845 34103615 44214685110 28132025Ⅱ 010250010298 45684878 161348712 37372633(11) 式 中 Δ μ W 表 示 完 全 空 的 水 合 物 晶 格 与 水 相的 化 学 位 偏 差 。 它 是 温 度 、 压 力 的 函 数 ,可 按 下 式 进 行计 算 :Δ μW ( T , P)R T =Δ μ 0W ( 0)R ∫2 d T +∫ V d P - ln x W (15)式 中   Δ — — β 相 与 W 相 间 的 摩 尔 焓 差 , J/Δ V W — — — β 相 与 W 相 间 的 摩 尔 体 积 差 ,ml/x W — — — 溶 液 中 水 的 摩 尔 分 率 。式 中 右 方 第 一 项 表 示 标 准 态 下 ( T = P =0 ) 水的 化 学 位 偏 差 ,第 二 、 三 、 四 项 则 分 别 表 示 对 温 度 、 压 力和 浓 度 的 校 正 。 Δ 算 式 如 下 :Δ Δ ∫ PW d T (16)Δ Δ b ( T - (17)Δ Δ 别 表 示 (一 般 取 273115 K)β 相 与 W 相 的 焓 差 (J/ 与 热 容 差(J/ ( K)) , b 则 表 示 热 容 的 温 度 系 数 。 对 不 同 的 水合 物 结 构 ,Δ Δ V W 需 取 不 同 的 值 ,且 均需 通 过 实 验 测 定 ,表 4 给 出 了 有 关 数 据 。表 4   水 合 物 热 力 学 基 础 数 据 ( 273 115K)性 质 和 单 位 结 构 Ⅰ 结 构 ⅡΔ μ 0W  (J/ 1120 931Δ (J/ ① 1714 1400Δ V W  (ml/ ② 219959 3139644Δ (J/ K) 583+01189 ( T - T 0) ,T > 8607+011809 ( T - T 0) ,T > T 0Δ (J/ K) 31315+01012 ( T - T 0) ,T T d 表 明无 烃 液 相 ,反 之 则 有 烃 液 相 ;若 有 液 态 出 现 ,则 按 两 相闪 蒸 计 算 气 相 组 成 和 各 组 分 逸 度 f j ,否 则 按 给 定 干 组成 直 接 计 算 f j ;由 (18) ~ (20) 计 算 气 体 溶 解 度 x j 和 水的 摩 尔 分 数 x W ;由 T H 按 (14) 计 算 由 式 (13) 计算 Y 对 于 某 一 结 构 ,如 果 (21) 成 立 ,则 得 到 给 定 压力 P 下 水 合 物 形 成 温 度 T H ,如 果 不 成 立 ,更 新 T H 的值 返 回 重 新 计 算 直 到 满 足 要 求 为 止 。须 分 别 计 算 出 结 构 Ⅰ 和 结 构 Ⅱ 水 合 物 的 生 成 温度 ,然 后 比 较 温 度 值 ,温 度 较 高 的 结 构 为 生 成 水 合 物 结构 。例 题 ,某 油 田 凝 析 气 组 分 含 量 如 表 6 所 示 。 按 前面 所 述 方 法 对 水 合 物 生 成 温 度 进 行 了 拟 合 ,并 与 实 测数 据 进 行 了 对 比 ,如 图 6 所 示 。 由 图 可 知 计 算 结 果 与实 测 数 据 是 非 常 接 近 的 。 同 时 ,若 压 力 为 10 ,按 相 平 衡 法 得 到 形 成 水 合 物 温 度 为 1918 ℃ 。表 6   某 油 田 凝 析 气 组 成组 成 摩 尔 分 数 ( %) 组 成 摩 尔 分 数 ( %)31003 16104 154128 C +6 715315 164173 111图 6   某 油 田 凝 析 气 水 合 物 形 成 曲 线3   天 然 气 水 合 物 的 防 止 措 施常 用 防 止 天 然 气 生 成 水 合 物 有 如 下 四 种 方 法 :311   提 高 天 然 气 流 动 温 度加 热 提 高 天 然 气 流 动 温 度 是 防 止 生 成 水 合 物 和 排除 已 生 成 的 水 合 物 的 方 法 之 一 。 这 就 是 在 维 持 原 来 的压 力 状 态 下 使 输 气 管 道 中 的 天 然 气 的 温 度 高 于 生 成 水合 物 的 温 度 ,如 图 7 所 示 。 但 这 一 方 法 不 适 用 于 干 线输 气 管 道 中 ,因 为 消 耗 能 量 大 ,而 且 如 前 所 述 ,冷 却 气体 是 增 加 输 气 管 道 流 量 的 一 个 有 效 方 法 ,特 别 是 对 于压 缩 机 站 数 较 多 的 干 线 输 气 管 道 。1 — 压 降 曲 线 ;2 — 加 热 后 的 温 降 曲 线 ;3 — 生 成 水 合 物 温 度 曲 线 ;4 — 温 降 曲 线图 7   用 加 热 的 方 法 防 止 生 成 和 排 除 已 生 成 的 水 合 物加 热 方 法 通 常 在 配 气 站 采 用 ,因 为 那 里 经 常 需 要较 大 幅 度 的 降 低 天 然 气 的 压 力 ,由 于 节 流 效 应 会 使 温度 降 得 很 低 ,从 而 使 节 流 阀 、 孔 板 等 发 生 冻 结 。312   降 压降 低 压 力 防 止 生 成 水 合 物 的 方 法 就 是 在 维 持 原 来的 温 度 状 态 下 使 输 气 管 道 中 的 天 然 气 压 力 降 低 ,如 图8 中 曲 线 2, 从 而 使 生 成 水 合 物 温 度 曲 线 下 降 ,图 8 中曲 线 5。01         管 道 技 术 与 设 备 2002 年1 — 压 降 曲 线 ;2 — 降 压 后 的 压 降 曲 线 ;3 — 生 成 水 合 物 温度 曲 线 ;4 — 温 降 曲 线 ;5 — 降 压 后 的 生 成 水 合 物 曲 线图 8   用 降 压 的 方 法 防 止 生 成 和 排 除 已 生 成 的 水 合 物这 一 方 法 也 可 用 来 排 除 在 输 气 管 道 中 已 形 成 的 水合 物 ,其 途 径 就 是 通 过 放 空 管 放 空 。 降 压 后 必 须 经 过一 段 时 间 (从 几 秒 钟 到 几 个 小 时 ) ,以 分 解 水 合 物 。要 注 意 的 是 ,当 用 放 空 降 压 来 分 解 输 气 管 道 中 形成 的 水 合 物 时 ,必 须 在 环 境 温 度 高 于 0 ℃ 以 上 的 条 件下 进 行 。 否 则 ,水 合 物 分 解 了 ,但 又 立 即 转 化 为 冰 塞 。如 干 线 输 气 管 道 中 天 然 气 的 最 低 温 度 接 近 于 零度 ,在 此 温 度 下 ,生 成 水 合 物 的 平 衡 压 力 约 为 1~115 而 一 般 的 输 气 压 力 大 于 5因 此 ,用 降压 来 防 止 干 线 输 气 管 道 中 天 然 气 生 成 水 合 物 并 不 是 一种 有 效 的 方 法 。313   干 燥防 止 天 然 气 在 输 气 管 道 中 生 成 水 合 物 的 根 本 办 法就 是 干 燥 天 然 气 ,脱 去 其 中 水 份 ,降 低 其 露 点 。314   添 加 抑 制 剂31411   抑 制 剂 浓 度 与 水 合 物 生 成 温 度 降 的 关 系   人们 长 期 以 来 研 究 了 抑 制 剂 浓 度 与 水 合 物 生 成 温 度 降 的关 系 ,下 面 介 绍 主 要 的 关 系 式 :Δ T = - X) M (22)Δ T = - 72 M (1 - X m ) (23)冷 点 下 降 法Δ T = 01665Δ T′ (24)Δ T′ = A + B × W + C × W 2 + D × W 3 + E × W 4(25)式 中   Δ T — — — 水 合 物 生 成 温 度 降 , K;M — — — 抑 制 剂 的 分 子 量 , kg/K — — — 抑 制 剂 种 类 常 数 ,甲 醇 、 乙 醇 、 异 丙 醇 、氨 为 1228 ;氯 化 钙 为 1220 ;乙 二 醇 为2195 ;X — — — 抑 制 剂 质 量 分 率 ;X m — — — 甲 醇 在 抑 制 剂 水 溶 液 中 的 摩 尔 分 率 ;Δ T′ — — — 抑 制 剂 冰 点 值 ;W — — — 抑 制 剂 溶 液 重 量 浓 度 ,% 。式 (25)中 A 、 B 、 C、 D 、 E 的 取 值 见 表 7。 须 指 出的 是 : (22) 适 用 于 甲 醇 水 溶 液 质 量 浓 度 小 于 25%, 甘醇 水 溶 液 质 量 浓 度 大 于 50% ~ 60%; (23) 适 用 于 甲 醇水 溶 液 浓 度 的 情 况 ; (24)可 用 于 任 何 抑 制 剂 。表 7   公 式 (25) 中 系 数甲           醇A B C D E 适 用 条 件19695 × 10 10 10 10 W%3直 径 差 (~ 014 ~ 018 ~ 116橡 胶 垫 圈 的 尺 寸 公 差 一 般 为 ± 014调 整 垫 一 般 由 专 业 厂 家 提 供 ,由 于 它 的 厚 度 公 差要 求 相 当 高 ,是 一 般 商 业 片 材 所 不 能 满 足 的 。3   开 带 头 组 刀 工 艺开 带 头 组 刀 方 式 应 按 图 1 所 示 进 行 ,此 时 切 刀 侧向 推 力 传 递 到 主 轴 上 时 相 互 抵 消 ,带 材 切 口 毛 刺 方 向对 称 ,有 利 于 焊 接 。 图 2 为 不 正 确 的 组 刀 方 式 ,侧 向 推力 在 主 轴 上 相 互 加 强 ,不 能 平 衡 ,而 由 主 轴 轴 承 承 受 ,加 速 主 轴 轴 承 的 磨 损 ,切 口 的 侧 向 间 隙 也 不 易 保 证 ,影响 开 带 质 量 。图 2   不 正 确 的 组 刀组 刀 时 切 口 间 隙 的 选 择 对 开 带 质 量 有 重 大 影 响 。理 想 的 开 带 质 量 ,应 使 带 材 切 口 在 厚 度 方 向 上 ,较 少 的部 分 由 切 刀 切 开 ,而 绝 大 部 分 为 剪 应 力 屈 服 断 裂 ,此时 ,不 仅 切 刀 不 易 磨 损 ,功 率 消 耗 少 ,而 且 带 材 切 口 毛刺 少 。 切 口 间 隙 包 括 侧 向 间 隙 和 重 叠 间 隙 (见 图 3) 。侧 向 间 隙 和 重 叠 间 隙 的 选 取 可 分 别 参 考 表 2、 表 3。图 3   切 口 间 隙表 2   侧 向 间 隙带 材 厚 度 δ(≤ 0115 0115~ 0125 0125~ 0150 ≥ 0150间 隙 (0 01013~ 01020 01020~ 01040 0108 × δ表 3   重 叠 间 隙带 材 厚 度δ (<0 125 0125~ 1120 1150 2100 2150 3100 3150 4100 4160间 隙 (0160 × δ 0150 × δ 0156 0145 0132 0120 0108 04 13圆 盘 切 刀 会 产 生 磨 损 ,磨 损 后 的 切 刀 切 口 变 钝 ,开带 切 削 力 会 明 显 增 大 ,有 时 增 大 到 正 常 切 削 力 的 好 几倍 ,此 时 ,生 产 效 率 下 降 ,主 轴 产 生 变 形 ,切 口 磨 损 加速 ,开 带 质 量 恶 化 ,所 以 ,应 定 期 磨 削 切 刀 。工 作 实 践 中 ,为 了 避 免 因 磨 削 切 口 而 停 机 ,应 将 切刀 和 橡 胶 垫 圈 编 成 两 组 ,相 互 交 替 使 用 。 同 一 组 切 刀必 须 一 次 磨 削 以 保 证 同 组 切 刀 始 终 处 于 相 同 的 公 差 等级 ,并 按 表 1 的 要 求 ,相 应 磨 削 橡 胶 垫 圈 。 每 次 磨 削 切刀 时 ,应 尽 量 去 除 整 个 疲 劳 层 ,一 般 疲 劳 层 的 厚 度 大 致在 0125~ 0130 右 ,当 切 开 薄 带 材 时 ,疲 劳 层 厚 度要 小 一 些 。 如 疲 劳 层 清 除 不 尽 ,剩 余 的 疲 劳 层 在 下 次使 用 时 很 容 易 产 生 微 裂 纹 ,这 些 微 裂 纹 的 扩 散 会 导 致刀 刃 脱 落 ,损 环 切 刀 。 切 刀 磨 削 时 ,还 要 选 择 正 确 的 砂轮 、 磨 削 进 给 量 并 避 免 磨 削 温 度 过 高 等 。(收 稿 日 期 :2001 年 7 月 16 日 )(上 接 第 11 页 )α = 1197 × 10 - 2 17 e (61054 × 10 - 2× T - 111128) (27)式 中   P — — — 体 系 压 力 , T — — — 体 系 温 度 ,K 。用 式 (26)求 得 抑 制 剂 的 单 位 最 小 用 量 后 ,便 可 求得 抑 制 剂 的 用 量 ,为 保 险 起 见 ,实 际 用 量 取 计 算 值 的1115~ 1120 倍 。参 考 文 献〔 1〕   诸 林 . 天 然 气 加 工 工 程 . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 , 2〕   李 玉 星 ,冯 叔 初 . 管 道 内 天 然 气 水 合 物 形 成 的 判 断 方 法 气 工 业 ,1999, (2) .〔 3〕   刘 毅 ,杨 学 军 . 水 化 物 形 成 技 术 状 况 综 述 . 国 外 油 田 工 程 ,1998, (5) .〔 4〕   988.〔 5〕   g, 987.〔 6〕   u g, 7〕   987.〔 8〕   陈 祖 译 . 石 油 与 天 然 气 管 道 路 输 送 . 南 充 :西 南 石 油 学 院 ,1985, (9) . (收 稿 日 期 :2001 年 9 月 30 日 ;修 改 稿 日 期 :2002 年 1 月 9 日 )82         管 道 技 术 与 设 备 2002 年
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