（热能工程专业论文）天然气井口加热及中途再热技术模拟研究.pdf

一 | iiii【。一 蝴螋煳 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕宝王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：选磊日期：逖：! ! ：盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 邕塞三业太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：区熏t 导师签名；! 姑：蝉 。1。1。lf、i【if ， 摘要 摘要 在油气田实际生产过程中，从油、气井流出的天然气，一般都含有饱和量的 水蒸气。天然气中存在过量的水汽，在天然气管道输送系统中，水分很容易同分 子较小的烃类物质结合形成水合物，所有这些形成物都会降低管道的有效流通面 积，增大管路压降，甚至堵塞管路阀门，引发安全事故。 对含水天然气进行处理足天然气进入输送管路前进行集中处理的一个非常 重要的环节。通过对天然气中水分进行处理和控制，可以有效防止生成气体水合 物，避免堵塞管道阀门，减小管路压降，从而保证安全生产。常规的天然气处理 技术有一系列的优点，如分离效果好、除湿深度大、可以达到较低的露点温度等。 所以常规方法在一定程度上都得到了广泛的应用。但这些常规方法也存在许多缺 点，如设备庞大、投资高、能耗大，还会造成一定的环境污染等；本文介绍了一 种为应用于实际生产新丌发研究的天然气处理技术太阳能与常规能源相结 合加热技术，并对其进行了较为系统深入的理论研究。本文主要做了下面几项工 作： 在广泛阅读国内外文献的基础上，掌握了国内外对含水天然气处理研究的最 新进展。通过对联合加热装置的工作机理及设计进行了系统的理论分析，提出了 加热装置的基本方案。通过计算确定各加热装置的尺寸。对设备中气体的流动、 换热进行了基本的模拟研究。 利用集总参数法和开口系统分析方法，建立整个系统的数学模型及热力学基 本方程；对天然气在整套系统的加热处理过程进行了动态仿真模拟，根据基本方 程编程模拟；通过对仿真模型得到的仿真曲线进行比较后，确定加热方案的合理 性。 对工艺上经过处理后的天然气进行数值模拟，建立天然气在管道内流动的数 学模型，建立描述数学模型的基本热力学方程，分别对天然气在普通输气管道和 加设保温层的强化输气管道内流动、换热过程进行了模拟研究，根据数值模拟结 果和分析结论，揭示了天然气在输气管道启动运行中的流动和换热规律，为保证 集输系统的证常启动提供了主要参考。 关键词：天然气；太1 5 只能集热器；数值模拟；动态仿真；瞬态启动 北京t 、l p 人t 埘! i f 论艾 a b s c r a c i a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so f t h er e a lp r o d u c t i o no fg a sa n dc r u d eo i l ，c m d eo i la n dn a t u r a l g a sf b mw e l l sg e n e r a l l yc o n t a i na 1 1a m o u n to fs a t u r a t e dw a t e rv a p or t | h ee x c e s s w a t e rv 印o ri nn a t u r a l g a sp i p e l i n es y s t e mw a ye a s i l yc o m b i n ew i t hs m a l l e r h y d r o c a r b o nm o l e c u l e st of o 舯g a sh y d r a t e s ，g a sh y d r a t e sm a yr e d u c et h ee n e c t i v e f l o wa r e a so fp i p e ，i n c r e a s et h ep i p e l i n ep r e s s u r ed r o p ，a n de v e np l u gt h ep i p e l i n e v a l v e s ，c a u s es o m es e c u r i t yi n c i d e n t s p r e p r o c e s s i n gn a t u r a lg a sw i t hm o i s t u r ei sav e r yi m p o n a n ts t e pp r i o rt o e i l t 嘶n gt h en a t u r a lg a st r a n p o r tp i p e l i n e r e m o v i n gm o i s u r ef 0 n nn a u t r a lg a sc a n e f f b c t i v e l yp r e v e n tt h eg e n e r a t i o no fh y d r a t e s ；t h u sa v o i db l o c k i n gi np i p e l i n ev a l v e ， r e d u c i n gt h ep i p e “n ep r e s s u r ed r o p ，a n de n s u r i n gs a f e t yi np m d u c t i o n c o n v e n t i o n a l t e c l l i l o l o g yf o rn a t u r a lg a s 慨a th a sas 谢e so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 曲l ys 印a r a t i o n e f f - e c t i v ea n dd e 印d e s i c c a n t ，a n dal o w e rd e w p o i n t s o ，c o r e n t i o n a lm e t h o d sh a v e b e 朗 w i d e l yu s e d i ns o m ee x t e n t h o w e v e r ， c o n v e n t i o n a lm e t h o d sa l s oh a v e d i s a d v a n t a g e s ， s u c ha s c o m p l e xs y s t e m ，h u g e i n v e s t m e n ta n d h i g he n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n dm e a j l w h i l ef o l l o ws o m ed e g r e eo fe n v i r o m e n t a lp o l l u t i o n i nt h i s p a p e r ，an e wt e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e sb o t hc o n v e n t i o n a la n ds o l a re n e r g yh e a t i n gi s d e v e l o p e dt or e d u c ef o s s i l 向e lc o n s 哪p t i o n i nm i sp 印e r t h em a i nw o r kf 0 1 l o w i n g t h e s e ： r e f e r e n c ea n dr e a dw i d er a n g eo fl i t e r a t u r ed o m e s t i ca i l da b r o a d ，o nt h eb a s i so f a b o v e ，w ep r o f o u n ds t u d ya 1 1 dm a s t e rt h el a t e s td e v e l o p m e n t st r e n di n t h i sr e a l m a c c o r d i n gt oj o i n tw o r k i n gm e c h a n i s ma n dm a k eas y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la 1 1 a l y s i s ， t h e nd e s i g nm e f 0 1 l o w i n gh e a t i n gd e v i c e c a l c u l a t e dt h es i z eo ft h eh e a t i n gd e v i c e si n p r i o rp e r i o d s i m u l a t eg a sn o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h e s ed e v i c e s e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew h o l es y s t e n la n dd e t e 鞠1 i n et h eb a s i c t h e n n o d y n a m i ce q u a t i o n t h ew a yo fl u m p e dp a r a m e t e rm e t h o db eu s e dt oa n a l y s ei n m ep r o c e s so fh e a t i n gn a t u r a lg a sa n dd y n a m i ce m u l a t i o n ；m a k i n gp r o g r 锄m i n g a c c o r d i n gw i mt h eb a s i ce q u a t i o n sa n dg e tt h ef o l l o w i n g i m u l a t i o nr e s u l t st h e n d e t e n n i n i n gw h i ( i ht e c 童m 0 1 0 9 i c a lp r o c e s si sr e a s o n i b l e s i m u l a t i o nt h en a t u r a lg a sf l o wi n p i p e l i n e ，t h e ne s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a l m o d e lm a tn a t u r a ig a sf l o wi nt h ep i p e l i n e ，e s t a b l i s ht h ef o i l o w i n gt h e n n o d y n a m i c e q u a t i o n s ，s i m u l a t em en a t u r a lg a sn o wi nu n s t e a d ys t a t et r a n s m i s ；i o n ，a n dp r e s e n t c o n c l u s i o n sr e l a t e dw j t hf l o wa n dh e a tt r a n s f e r k e yw 6 r d s ： n a t u r a lg a s ；s o l a re n e r g yc o l l e c t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； d y n a m i c s i m u l a t i o n ； u n s t e a d ys t a t et r a n s m i s s i o n 儿= 求丁、。t 。埘! j 中f _ i 仑乏 物f 甲量名韵：腹符i ? 衷 物理量名称及符号表 一分子热扩散率，m 2 s ； 一热容，j ( k g k ) ； 一定压比热，j ( k g k ) ； 一热负荷，w ； 一通用气体常数，j ( k m o l 。k ) ； 一质繁流量，k s ； 一气体逸度 一体积，m 3 ； 一半径，m m ； 一毕渥数； 一分子质量，k g k m o l ； 一传热系数，w ( m 2 k ) ； 一输气管道长度，m ； 一努谢尔特数； 一气体压力，p a ； 一初始压力，p a ； 一相对密度，k m 3 ； 一天然气温度，k 一环境温度，k ； 一输气管道、卜径，m ； 一温度，k ； 一临界温度，k ； 一临界压力，p a ； v 一时间，s ； 一距离步长，m ； 一时间步长，s ； 一管内表面传热系数，w ( m 2 k ) ； 一管内表面传热系数，w ( m 2 k ) ； 一管内肇温度，； 一管内肇温度，； 希腊字母 p一密度，k g m 3 ； 一动力粘度，p a s ； 旯 一热传导系数，w ( m k ) ； y 运动粘度，m 2 s ； 径向分量 轴向分量 临界状态 摩尔分数 太刚能 加热炉 热损失 - 十壤 ， 血 缸名0 o 际 r x 盯 ； & 蜃 m s 口 c 郎 q r ，胁 厂 矿 ， 尉 m 髟 三 m p 见 姆 磊瓦 r 丁 弓 办 v i ， 丌录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 物理量名称及符号表一v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 常规处理含水天然气技术2 1 2 1 加热法2 1 2 2 降压法2 1 2 3 脱除水分法2 1 2 4 冷却法3 1 3 天然气加热技术3 1 3 1 国内外研究现状3 1 3 2 基本结构及工作原理5 1 4 埋地天然气管道输气过程的研究6 1 5 存在的问题及本文的主要工作7 第2 章天然气水合物基本特性9 2 1 天然气水合物的结构和分类9 2 2 天然气水合物的生成条件1 0 2 2 1 天然气水合物生成的物理条件1o 2 2 2 天然气水合物生成的热力学条件l o 2 3 天然气水合物的生成条件的预测i 11 2 3 1 经验图解法l1 2 3 2 相甲衡计算法1 2 2 3 4 统计热力学法l3 2 4 本章小结13 第3 章加热系统的初步设计15 vj i ，i e 京丁、人。学t 形! 卜z f 一沦史 3 1 引言15 3 2 加热炉热力设计计算过程15 3 2 1 加热炉的基本设计过程1 5 3 3 太阳能加热系统设计计算2 0 3 4 天然气输气管道温度参数的计算2 0 3 5 本章小结2 1 第4 章加热系统动态仿真模型及过程模拟分析2 3 4 1 方案的确定2 3 4 2 数学模型的分析和控制方程的建。莎2 5 4 2 1 模型分析和假设2 5 4 2 2 控制方程的建立2 6 4 3 控制方程的离散化3 3 4 3 1 模拟计算的条件3 4 4 3 2 程序流程图3 5 4 4 模拟结果和分析3 6 4 4 1 太阳能系统充水量对温度变化的影u 向3 8 4 4 2 加热炉水量对温度变化的影响4 0 4 4 3 工作压力改变对温度变化的影响4 2 4 5 结论4 7 第5 章无保温输气管道输送工艺模拟研究4 9 5 1 无保温输气管道输送过程模型的建立4 9 5 1 1 基本假设和几何模型4 9 5 1 2 数学模型5 0 5 2 无保温输气管道输气过程数值模拟及其结果分析5 1 5 2 1 模型建立及其网格划分5 1 5 2 2 模拟参数设置5 3 5 3 数值模拟结果分析5 5 5 3 1 不同入口压力下输气管道内天然气的温度场和速度场分斫j 5 5 5 3 2 不同入口压力下稳态输送状念下温度场和速度场的分布6 4 li 录 5 4 结论6 8 第6 章保温输气管道输送工艺模拟研究6 9 6 1 管道加设保温层后对温度场的影响6 9 6 1 1 不同工作压力对温度场的影响6 9 6 1 2 不同入口温度对温度场的影响7 3 6 2 本章小结8 4 结论8 5 参考文献8 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文9 l 致谢9 3 i x 第1 幸绪论 第l 章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的快速发展，对天然气的需求不断增长，各大气田为把采 出的天然气大量而又便宜地输送到加工地或消费地，相继建成了一系列长距离的 天然气输送管线。目前，我国管道总长度已达1 7 万公里，全世界已有油气输送 管道2 0 0 多万公里，承担了9 5 以上的油气输送任务。除了一些特殊情况外，由 于埋地管道具有受地形地物限制因素少，能缩短远输距离、安全密闭、基本上不 受恶劣气候的影响和长期稳定运行等优点川。所以目前，国内外大型油气管道工 程普遍采用这种敷设管道方式。 天然气作为一种商品气，应以一定的质量指标满足安全平稳输气和主要用户 的要求。天然气一般采用输气管道输送，此外还有液化天然气( l n g ) 及压缩天 然气( c n g ) 。天然气质量指标通常指的是对管输天然气的要求。在油气f 目实际 生产过程中，从油、气井流出的天然气，一般都含有饱和或者过饱和的水蒸气， 有的还含有相当数量的h 2 s 、c 0 2 等酸性气体。天然气中如果存在过量的水汽， 在天然气管道输送系统中，如果温度相对较低( 如不高于2 0 ) 1 2 j ，水分很容易 同分子较小的烃类物质结合形成水合物。而在温度相对很低的条件下水分会形成 液态水滴或同念冰，所有这些形成物都会降低管道的有效流通面积，增大管路压 降，甚至堵塞管路阀门，引起安全事故。 气井出产的天然气通常难以达到直接进入管道输送的指标要求，对含水天然 气进行集中处理是天然气进入输气管路以自 的一个非常重要的环节，天然气中水 汽的存在，不仅降低了单位气体体积的热值，还会减少管道的有效流通面积，降 低输气管线的有效输送能力。 管道天然气水合物形成的条件主要与压力、温度及天然气的组分等因素有 关，一般应具备以下三个条件：( 1 ) 天然气中存在液态水或含有过饱和状态的水汽； ( 2 ) 一定的低温和高压条件；( 3 ) 气体压力波动或流向突变产生扰动或者有晶体存 在。形成水合物的关键条件是有自由水存在。当天然气输入管道后，由于输气管 道内温度高于水汽露点温度，天然气未被饱和，没有自由水析出，也就不会形成 水合物。随着管道内压力、温度不断变化，天然气温度可能逐渐降到天然气水露 点温度，形成饱和气体，开始有水析出，并且在一定压力、温度下可能形成水合 物。水合物一旦形成后，就会减少管道的流通面积，在节流作用的推动下，加速 水合物的进一步形成【3 】。水合物不仅可能导致管道堵塞，也可造成分离设备和仪 表的堵塞，冈此天然气输送过程中水合物的产生与预防是很重要的问题。 近年来，随着人们环保意识的几益增强，世界各国制订出越来越严格的环保 要求，以进一步控制有害污染物的排放；另外一个方面，天然气作为一种重要资 北尿lq p 人7 ：17 ，砷啦f _ 。j ：化沦足 源的地位越来越突出，国内外都十分重视天然气的处理与加工，所有这些都要求 含水天然气处理技术在减少b t e x ( 芳烃) 排放、降低烃损失、提高处理深度等 方面有更快的发展。 1 2 常规处理含水天然气技术 传统上解决多相混输管线中水合物堵塞问题的方法有加热法、降压法、脱除 水分法和冷却法【4 1 。 1 2 1 加热法 加热天然气以提高流动温度是防止生成水合物和排除己生成水合物的方法 之一。该方法是在维持原来压力状态下使输7e 管道天然气的温度高于水合物的生 成温度。通过对天然气加热处理后，使体系温度高f 系统压力下的水一水合物一 气三卡h 平衡温度，水合物受热分解，可避免堵塞管线。此种方法的难点是很难定 f 讧水合物堵塞的位置，当找到水合物堵塞的位置丌始加热时，必须从水合物块的 两端向中间逐渐加热，以免由于水合物的分解而致使压力、温度急剧增加，造成 管线破裂甚至水合物的喷发。分解产生的自由水必须除去，甭则由于水巾包含大 量的水合物剩余结构，水合物会很容易再次，l 成。另外，电加热中的电流变化还 会引起腐蚀问题，需要对加热的管线进行牺牲阳极保护。这种方法适用于大部分 陆上埋地管线，而对长距离海底输气管线不适用。 1 2 2 降压法 降低压力防止水合物生成的方法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，从而使生成水合物温度曲线下降，这一方法川来排除输气管 道中已形成的水合物，途径就是通过放空管放空，降压后经过一段时问分解水合 物。与管线加热技术原理相似，通过降低体系压力来控制水合物的牛成。存在3 种极限情况：等温降压，压力十分缓慢地降低：等炝降压，压力迅速降低，不发 生热传递；等熵降压，压力通过理想膨胀机降低，不发生热传递。实际的降压过 程通常介于等温和绝热之间。降压操作最好在水合物堵塞块两侧同时进行，以维 持两侧的压力平衡。然而，对于海底管线，管线的油气源一侧是难以控制的，降 月i 操作只能在平台一侧进行。降压不慎会造成较大的压力差，引起管线破m ：和安 全市故。另外，管线中水合物分解时，会吸收外界产生的水易转化为冰，而冰层 则更难分解。 1 2 3 脱除水分法 脱除天然气中的水分一般是利用亲水性物质与天然气逆流接触，通过对水分 的吸收作用米脱除天然气中水分的方法。常见的有3 种处理方法：( 1 ) 吸湿溶剂； 第l 章绪论 ( 2 ) 化学吸附( 3 ) 物理吸附。 吸湿溶剂方法采用的干燥剂主要有二甘醇、三甘醇、多种碱性金属盐的混合 溶剂，吸湿溶剂一般选取三甘醇，由其与气体接触，通过氢键吸收水分子。 物理吸附方法指采用分子筛、氧化铝或硅胶等可选择性吸附水分子的固体与 气体接触，来降低气相中的水浓度。目前，在吸附法脱水中，应用分子筛脱水最 为广泛。与活性氧化铝、硅胶相比，分子筛作为脱水吸附剂的显著优点是具有很 好的选择吸附性，也就是说分子筛能按照物质的分子大小进行选择吸附。分子筛 型号不同，其孔径大小也不一样，所以一般说只有比分子筛孔彳仝小的分子彳能被 分子筛吸附在晶体内部的孔腔内，大于孔径的分子就被筛去。分子筛具有高效的 吸附性。并且其在低水汽分压、高温、高气体线速度等较为苛刻的条件下仍能保 持较高的湿容量，这是因为分子筛的表面积远大于一般吸附剂，达7 0 旺9 0 0 m ：儋， 甚至更高；对于进料气温度、压力和流量的变化不敏感，无严重的腐蚀和发泡问 题；操作简单，占地面积小，抗酸性分子筛可用于酸性气体的脱水；高温时仍能 保持相当高的吸附能力，并且分子筛使用寿命长，不易被液态水破坏。 1 2 4 冷却法 冷却法就是采用降低温度的方法使天然气中的水凝结成液体然后进行脱除 的方法。根据冷却途经不同可以分为直接冷却、加压冷却、膨胀冷却和机械制冷 冷却四种方法。通过外部蒸汽再压缩进行的冷却技术是露点控制和n g l 回收用 的最简单、最常用的工艺。外部或机械冷却技术是以丙烷作为压缩液或工作流的 蒸汽再压缩循环工艺。当冷却剂( 天然气工业中经常是c 3 ) 达到饱和状态时将 以气体状态从冷却器中蒸发出来。膨胀冷凝也称低温提取，它是应用汤普生焦耳 效应在不使用水合物抑制剂的情况下干燥气体和回收冷凝物。入口气体通过气气 热交换器，然后通过膨胀阀或者节流阀。膨胀是一个等焓过程。气体温度随压力 的下降而降低。这项技术在冷凝物再生的过程中需要大幅度的压降。 在冷却法中，如果天然气的温度偏高，则不能达到露点要求，此时需要与 其它方法配合使用；同样，如果天然气的温度偏低，则容易形成天然气水合物， 为了抑制水合物形成，通常需要注入乙二：醇或二甘醇。山此可知，大多情况下， 冷却法都和其它方法联合使用。 1 3 天然气加热技术 1 3 1 国内外研究现状 。 在天然气输送过程中对天然气进行加热是为后续工艺进行集中处理的一个 非常重要的环节。加热天然气主要是利用常舰能源实现对对天然气u 热，使天然 气的温度维持在水露点温度以上。目| j 订常用的是蒸汽逆流式套管换热器和水浴加 ，l 匕求i 、i p 人。；i 亨：坝l _ 。；斗，沦 热炉在节流i j 仃对天然气加热。 利用可再生能源太阳能加热输送天然气，可以采用直接加热和问接加热两种 方式。直接加热方式足天然气进入太阳能集热器早被直接加热，是天然气受热过 程中效率较高的一种方式。问接加热方式是太阳能集热器将热量提供给一种中间 热媒，该中间热媒再通过热交换器将热量间接传递给天然气。 将太阳能加热技术应用于石油、天然气的加工和输送，替代部分常规能源， 在节能降耗及绿色环保方而具有重要的意义。近年来，幽外彳i 断有利用太阳能对 燃料油、天然气储存和原油输送加热的报道【5 - 7 1 。同时，围内外的学者针对利用 太阳能处理原油、天然气的加热系统，对其工作机理和方式进行了大量的实验和 理论研究。 1 9 9 8 年，b a d r a n 【8 】等人对利用太阳能加热燃料油进行了研究，他们设计了两 利，太阳能燃油预热装置，将燃料油加热到5 0 ，并在该温度下储存。1 9 9 9 年，澳 大利亚一家太阳能公司采用透明蜂窝材料和选择性涂层等来增加太阳能吸收系 数，抑制对流和辐射散热，实现太阳能热极管技术，以达到在管道输送过程中 将原油加热降粘的只的。目d 订国内还未见有太刚能技术在油用输送过程中的应用 先例。 王如竹0 1 为辽河油罔设计的一套太阳能加热原油、天然气装置( 图1 1 ) ， 该装置为节能改造后天然气及原油处理系统的关键部分。这也是辽河油h 白成立 以来正式投入商业运营利用可再生能源用于处理的工程项目。该项目已于2 0 0 4 年2 月投入牛产。可行性研究表明，采用该天然e 处理系统要比原有的处理系统 节省资金2 0 万元。辽河油f f 某采油厂的一个计量站，在原油被送往下一站时， 将其加热温度大约提高了2 5 3 0 ，每天要消耗燃料气约1 0 0 0 m 3 。 第1 章绪论 l 鹾豳积蹬髓逝照鲤习 l 盥瓤硼嗣峦腿翻日曩甄口卫f 礤日嘲i 日 l o l li 囊热曩阵燃 i l雕翻唧蕊黝蕊鞠田瓯嘲蕊泓强翻 il 翻雕孤蕊慰翻i 四躲盥盥匹霸曩盈 一 图1 1 太阿l 能加热原油输送系统流程图 1 1 l 自动控制阀l 、j ；1 2 原油换热器；1 3 加热器 1 4 1 5 循环泵；1 “1 8 压力、温度测控计 f i g u r e1 - 1f 1 0 wc h a no fs o l a r h e a t i n gf o rc 1 1 l d eo i ls y s t 锄 同传统使用常规能源加热天然气相比，利用太阳能加热天然气的输气管线系 统具有以下优点：( 1 ) 采用热管式真空管太阳能集热器可以提高系统热效率，特别 适用于环境温度较低的场合。( 2 ) 采用问接加热方式，系统中设计的原油换热器，内 部采用最新设计的折流杆结构，并采用套管式管束结构，可以提高传热效率，降低 系统阻力降。( 3 ) 系统内设置大小两个蓄热水箱，不仅可以加快系统的启动时间，而 且可以储存多余的热量，延长系统的工作时间。( 4 ) 系统运行及各工况之间切换均 能实现自动控制。 1 3 2 基本结构及工作原理 新丌发的联合使用系统两个主要组成部分：( 如图1 2 所示) ：( 1 ) 天然气水 浴加热炉：用火焰加热原油、天然气、水及其混合物等介质的专用设备，是石油、 天然气生产和输送中广泛使用的设备；在油、气f f l 的集油站、集气站和中转站等 站( 库) 内，加热炉对原油、井产物、生产用水和天然气等介质进行加热，以满 足油气集输管理工艺的要求。在原油和天然气长输管道中，通过加热炉对原油和 天然气进行加热，以满足原油和天然气能够在长距离输气管道内输送的要求。( 2 ) 太阳能热水系统：太阳能热水系统是太阳能利用主要产品之一。它是利用温室原 理，将太阳能的能量转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种装置。 一般由集热器、储热水箱、循环水泵、管道、支架、控制系统及相关附件组成。 9 潮 ! 二世埘型 j 5 l 北京t q k 人t 顺l ：学仲沦史 l 天然气水浴力d 热炉 2 太阳青邕力口热器3 昆凝土地基4 流量调节阀5 泄水阀 幽1 2 太刚能系统与加热炉联合使用原理示意图 f i g u r e1 - 2s c h e m a t i co f s 0 1 a rs y s t e mf o rn a u t r a lg a sh e a t i n g 1 4 埋地天然气管道输气过程的研究 对于埋地天然气管道输气过程的设汁和稳定运行阶段管道沿程温降计算，大 多数学者将传热与流动分丌独立处理。通常是在确定管道周围热流密度j 油晶温 度之间的关系后，再求解输气管道巾温度分布的情况。 我国在管道工程设计中，常采用不考虑摩擦生热的苏霍夫公式以及考虑摩擦 生热的列宾宗公式】来计算管线的温度分布情况，但是它们没有完全说明管道的 实际热工变化情况。 m e e t 【1 2 】提出一个简单的方程在形式上与苏霍夫公式相似，可用来预测埋 地输油管中油品的平均温度。 w h e e l e r 【1 3 j 应用有限元、有限差分理论研究了埋地管道温度情况 t h o m t o n 【1 4 】分别对裸管和保温管进行了稳态、非稳念热力状况分析，得到解 析解。 一凶为埋地输气管道中天然气的热力计算对于埋地输气管道的设计、运行和 管理有着特殊的重大研究意义，国内外许多专家和学者在埋地输7e 管道不稳定生 产过程中( 包括投产：过程、停输启动、i h j 歇输送、正反输等) 和稳定生产过程中管 内天然气和管外七壤温度场的计算方面进行了大量的理论和试验研究工作，并取 得了一定的进展 限2 伽。 第l 章铺沦 1 5 存在的问题及本文的主要工作 到目前为止，国内外关于加热原油、天然。乇相关的已发表研究论文，都提出 了不同的设计方案和研究方案，典型的处理含水石油、天然气的方式，通常是采 用油气间接受热的方式，同时为了提高换热效果，太阳能系统中天然气与中间介 质的换热形式通常为强迫对流。 本文的主旨是结合某天然气气田的实际生产过程，提出在传统天然气生产过 程基础上，使用可再生能源配合常规能源对天然气进行加热处理，设计丌发了针 对现有生产环境和条件下，天然气受热方式在太阳能系统中为自然对流换热的形 式，对整套加热系统进行研究并给出完善的结构设计方案，依此为基础，结合现 有技术及文献中成果，研究天然气在整套系统中受热的处理情况，用数值方法及 动态仿真模拟的方法描述天然气被加热后在输气管道内流动和传热现象，探索有 效改善工程设计及运行流程的新方法。本文的工作主要从这几个方面展开，主要 研究内容介绍如下： 1 天然气加热炉及太阳能系统的研究：对加热系统的工作原理给予论述，对 整套系统的初步设计做简要的分析和阐述。 2 天然气加热炉与太阳能系统联合使用的基本方案：确定加热系统各部件结 合使用的不同工作流程，提出了结合实际工程的联合使用设计方案，建立适合于 不同方案下的数学模型和数学方程。 3 天然气处理过程的数值仿真研究：在的期已有方案的基础上，采用数值仿 真方法，对从地下产出的天然气在整套加热系统中换热情况进行深入细致的研 究，得到实际生产过程中不同工艺流程的运行状况，为整个系统的运行情况提供 更为有效的参考和依据。 4 管道内输气过程的研究：对加热处理后埋地管道内的天然气进行数值模 拟，建立适合本文模型的埋地管道输气过程的物理模型和数学模型；对无保温输 气管道输气过程和覆盖保温层后的管道内输气过程进行传热分析与数值模拟；为 输气管道启动方案的确定提供了重要参考。 e j 五i 。、l p 人丁学埘! i f 沦z 8 第2 章天然气水念物展小物r t 第2 章天然气水合物基本特性 天然气水合物足在石油、天然气丌采、加工和运输工程中在一定的温度和压 力下天然气中的某些组分和液态水形成的冰雪状复合物；严重时，这些复合物能 够堵塞井筒、管线、阀门和设备，从而影响天然气的丌采、集输和加工的正常运 转。例如，我国的陕北气讦1 在试采过程中就不同程度的在井筒中出现水合物堵塞 的问题，直接影响到气田的试采和开发。又如四川气田，水合物也是一个多年来 困扰生产的问题【2 。 天然气水合物发现于1 9 世纪初，关于水合物结构和生成条件的数据多半是 2 0 世纪3 0 年代获得的；在石油工业、天然气工业和化学工业的许多生产过程中 都伴随着气水合物的生成，所以气水合物具有同益增长的实际意义，因此必须拥 有气水合物基本物化数据，了解水合物生成的热力学条件，拥有气水合物系统相 平衡和动力学方面的可靠资料。 2 1 天然气水合物的结构和分类 天然气水合物是水和烃类气体物理化学结合的产物，在水合物品格的水分子 节点之间的空隙中，水合物分子是依靠着范德华力保持着平衡，通过对天然气水 合物结构的分析，气体水合物主晶格有两种结构类型【2 2 1 ，即i 型结构和i i 型结 构，如图2 1 i 型型 图2 一l天然气水合物结构和品格 f i g u r e2 - 1g a sh y d r a t es t r u c t l j r ea n dl a t t i c e 大量研究表明，在水合物中水分子形成了多面体骨架，其中有孔穴，孔穴体 积由气体分子所占据，形成笼形包合物水分子借助氢键结合笼形晶格，表2 1 给 出了有关水合物的构造和特性。 参数结构i结构t i 单品细胞中水分子数 4 61 3 6 单晶细胞中小孔穴数 2 1 6 单品细胞中大孔穴数 6 8 小空穴平均直径 3 9 l3 9 0 大窄穴平均卣径 4 3 34 ，6 8 单位水分子中小孔穴数： l 2 32 1 7 单化水分子中小孔穴数； 3 2 3l 17 表2 1 水含物的结构数据 1 1 a b l e 2 一lh y d r a t es t n l c t u r ed a t a 2 2 天然气水合物的生成条件 2 2 1 天然气水合物生成的物理条件 天然气存管道中流动，随着压力、温度变化，有可能会形成水合物。形成水 合物的主要条件有两个：1 ) 天然气必须处于适当的温度和压力下。2 ) 天然气必 须处- 丁或低于水汽的露点，出现“自由水”。因此对于一定组分的天然气，在给 定门i 力下，就有一水合物形成温度，低于这个温度将形成水合物，而高于这个温 度则不形成水合物或已形成的水合物将发生分解。随着压力升高，形成水合物的 温度也随之升高。如果天然气中没有自由水，则不会形成水合物。除此之外，形 成水合物还有一些次要的条件，如高的气体流速、任何形式的搅动及品种的存在 等。天然气形成水合物有一个临界温度，也是水合物存在的最高温度，若超过这 个温度，再高的压力也不能形成水合物。表2 2 列出了几种天然气组分形成水合 物的临界温度。 名称 c 乩 c ? 心c ：；i ki c 。i i l 0 nc 4 h 川 c 0 2h 2 s i 形成水合物临界温度； 2 1 51 4 55 52 511 0 02 9 0 丧2 2 大然气形成水合物临界的温度 1 a b l e 2 2t h ec r i t i c a lt 锄p e r a m r eo fn a t u r a lg a sh y d r a t e 2 2 2 天然气水合物生成的热力学条件 天然气水合物的乍成除了必要的物理条件，即与天然气的组成、组分和游离 水含量有关外，还要伴随一定的热力学条件，天然气在流动过程中，达到在流动 工况的饱和温度和饱和压力。通常用公式( 2 1 ) 表示出水合物的生成机理【2 3 】 第2 辛天然t 水合物皋本物r l ： 。 m + 刀h 2 0 m 液。【m 力h 2 0 j 水合物 ( 2 1 ) 生成水合物的第一个条件可以用公式( 2 2 ) 表示为 p 篇物 p 委统p ，和 ( 2 - 2 ) 从上面的公式中可以看出，只有当系统中气体压力( p 齑缆) 大于它的水合物分 解压力( p 麓物) 时，才有可能使被水蒸汽饱和的气体( m ) 自发的生成水合物，同 时，从热力学角度我们可以将上而的式子应用逸度公式( 2 3 ) 表示为 缫物 露统厶舯 ( 2 3 ) 生成水合物的第二个条件用公式( 2 4 ) 表示为 p 受强 ； 渖 一一 军 ， ， 一一 丛 皇乇 h乡 雾善 r 一 一 ， 一一 遗 一一 一， 一r一一 一 厂 一一骈卜 一一 一r 一一 温度， 吲2 2 水合物温度利压力曲线 f i 鼬r e2 2h y d r a t et e m p e r a m r ea n dp r e s s u r ec u r v e f 司时，给出了图2 2 计算水合物乍成的回归公式【2 4 】 p = 3 4 1 5 9 5 1 7 + 5 2 0 2 7 4 3 1 0 一2 丁一5 3 0 7 0 4 9 l o 一5 r 2 ( 2 - 5 ) + 3 3 9 8 8 0 5 1 0 _ o7 1 = 0 5 5 3 9 p + = 3 0 0 9 7 9 6 + 5 2 8 4 0 2 6 1 0 2 丁一2 2 5 2 7 3 9 1 0 一4 丁2 + 1 5 11 2 1 3 1 0 5 丁3 = o 6 p 4 = 2 8 1 4 8 2 4 + 5 0 1 9 6 0 8 l o 一2 丁+ 3 7 2 2 4 2 7 1 0 4 丁2 + 3 7 8 1 7 8 6 1 0 6 丁3 = 0 7 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 尸+ = 2 7 0 4 4 2 + 5 8 2 9 6 4 1 0 一2 丁一6 6 3 9 7 8 9 1 0 4 丁2 ( 2 8 ) + 4 0 0 8 0 5 6 1 0 5 丁3 = o 8 。 式中p 表示4 、= f 司牛只对密度下的压力，p a ；丁表示7e 体温度，k ；表示气 体的相对密度。 2 3 2 相平衡计算法 相平衡计算法足k a t z 于1 9 4 0 年首先