（热能工程专业论文）孤四区油气集输系统的仿真.pdfVIP

摘要 油气集输主要研究的是油气田生产过程中原油及天然气的收集和输送问题，就油田 生产的全局来说，油气集输是继油藏勘探、油田开发、采油工程之后的很重要的生产阶 段。油气集输系统的主要组成部分和耗能单元是联合站，其特点是设备多、流程比较复 杂。它的生产过程、设备利用、尤其是能源消耗、效率变化等因素，都直接影响着整个 系统。油田进入特高含水丌发期，这种影响更明显。为使达到原来的处理效果，只有采 取高能耗、高成本的办法，投入大量的人力物力维持生产。但通过仿真技术并根据其原 理对其模拟运算，不仅可以节省大量的人力物力财力，还可以为投资决策提供科学依据， 保证设施安全、平稳、高效运行，这对提高油田原油采收率、降低原油开采成本及促进 节能降耗都具有十分重要的理论意义和实用价值。 为了能够对孤四油气集输系统的运行以及效能有一个全面、科学的仿真评价，本文 首先确定了各类设备的分类标准，所谓设备是指实现单一功能的基础单元，然后在单体 设备工作原理的基础上，根据能流和物流平衡，编制相应的仿真程序：建立相关设备的 技术参数库和系统基本工艺参数库，然后根据系统的工艺参数、进站的油、气、水量等 相关数据，以及关键设备的技术参数及性能计算方法，对各设备的整体处理能力、处理 质量、技术指标等关键参数进行仿真计算。建立较完整的油田集输工艺设备模型库，并 结合油田生产中的实际数据对各主要设备模型进行功能验证与测试，修改并完善各个模 块。然后把各模块连接成一个整体，形成系统软件，并对整个系统进行功能验证与测试。 最后根据实际需要，创建所需模拟的工艺流程，并进行相关研究。 关键词：油气集输系统，设备，仿真，评价 t h es i m u l a t i o no fg u s io i l & g a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m l i uz h i h u a ( t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gd e w e i a b s t r a c t o i la n dg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ni st h em a i ni s s u e so ft h eo i la n dg a sf i e l d si n p r o d u c t i o no fc r u d eo i la n d n a t u r a lg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n ，o i la n dg a sg a t h e r i n ga n d t r a n s p o r t a t i o ni st h ev e r yi m p o r t a n ts t a g eo fp r o d u c t i o na f t e rt h er e s e r v o i re x p l o r a t i o n ，o i l f i e l dd e v e l o p m e n t ，p r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g o i lf i e l du n i t e ds t a t i o nw i t hi t sc h a r a c t e r i s t i c so f m a n ye q u i p m e n t sa n dc o m p l e xf l o w , i st h ep r i m a r yp a r ta n de n e r g yc o n s u m p t i o nu n i to fo i l g a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h es y s t e mw a sd i r e c t l ya f f e c t e db yt h ep r o d u c t i o n ， e q u i p m e n t ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n de f f i c i e n c yc h a n g eo f o i lf i e l du n i t e ds t a t i o n ，e s p e c i a l l y w h e no i lf i e l dw a si nh i g hw a t e re x p l o i t a t i o nt i m e i no r d e rt og e tp r i m a r ye f r e c t ，w eh a dt ot a k eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g hc o s ta n d v a s th u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c et ok e e pp r o d u c t i o n i fu s i n gs i m u l a t i o nt os i m u l a t et h e s y s t e m ，w h i c hc a nn o to n l ys a v et h eh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c eb u ta l s op r o v i d es c i e n t i f i c b a s i sf o ri n v e s t m e n td e c i s i o na n dg u a r a n t e ef a c i l i t i e s i ns a f e ，s t a b l ea n de f f i c i e n to p e r a t i o n s t a t e a l lt h e s em e t h o d sa r eo fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u eo ne n h a n c i n g c r u d eo i lr e c o v e r yf a c t o r , r e d u c i n ge x t r a c t i o nc o s t sa n dp r o m o t i n ge n e r g ys a v i n ga n d c o n s u m p t i o nr e d u c t i o n i no r d e rt o h a v ea no v e r a l ls c i e n t i f i cs i m u l a t i o n e v a l u a t i o nf o r o p e r a t i o na n de f f i c i e n c yo fg u s io i lg a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，f i r s to fa l l ，t h e c l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r do fe q u i p m e n t sw a sc o n f i r m e d t h ee q u i p m e n ti sab a s ec e l lw h i c hh a s t h es i n g l ef u n c t i o n t h e nc o m p i l e ds i m u l a t i o np r o g r a m m e ra c c o r d i n ge n e r g yb a l a n c ea n d m a t e r i a lb a l a n c ea n db a s i n go nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi n d i v i d u a le q u i p m e m ，b u i l td a t a b a s eo ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n db a s i cp r o c e s sp a r a m e t e r so fe q u i p m e n t t h e nd i d s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h ee q u i p m e n t se n t i r et r e a t m e n tc a p a b i l i t y , t r e a t m e n tq u a l i t ya n d t e c h n i c a lt a r g e ta c c o r d i n gt h e s ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ef l o wd a t ao ft h eo i l ，g a sa n dw a t e r , t h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ep e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d t h e nb u i l tm o d e lb a s eo f p r o c e s se q u i p m e n ta n dc a r r i e do nf u n c t i o nv e r i f ya n d t e s tc o m b i n i n gt h ea c t u a ld a t ai no r d e r t om o d i f ya n dp e r f e c tt h em o d e l t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ew a se s t a b l i s h e db yc o n n e c t i n gt h e m o d e l sa n da l s od i df u n c t i o nv e r i f ya n dt e s tf o rt h ew h o l es y s t e m f i n a l l yc r e a t e dt h e n e c e s s a r ys i m u l a t i o np r o c e s s e sa n d c o n d u c t e dr e l a t e dr e s e a r c ha c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s k e yw o r d s ：o i l & g a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，e q u i p m e n t ，s i m u l a t e ，e v a l u a t e i i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 壹! l 圭孳 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - 1 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：翌! 盍鳌 指导教师签名：垄磁缉 日期： 同期： 年月日 年月日 中固石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 第一章前言 1 1 论文研究的背景 石油是国民经济的血液，随着我国现代工业的发展，石油工业在国民经济中占的地 位越来越重要，油田作为石油产出的地方，其重要性就不言而喻了。就油田的生产全局 来说，油气集输是继油藏勘探、油田开发、采油工程之后的很重要的生产阶段。如果说 油藏勘探是寻找原料，油田开发和采油工程是提供原料，那么原油集输就是把油井生产 的油气收集、输送和处理成合格原油的过程。集输系统中集中处理及污水处理建在一起 叫做联合站。联合站是原油的处理中心，主要是对含水原油进行原油的分离、脱水及稳 定处理，然后得到合格的外输原油1 】f 2 】。 孤岛油田中部的孤四区，包括8 套开发层系，地质储量6 8 3 8 万吨，含油面积1 1 8 平方千米，共有油井4 1 4 口，年产原油9 0 多万吨，其中注聚、热采原油占7 5 以上，日 产液量2 8 6 5 9m 3 ，综合含水上升到9 0 以上，由于长时间运转，设施设备不仅安全性能 有所下降，而且在技术性能、使用性能、处理能力、处理效果等方面也在逐步下降，生 产能耗逐年上升。主要暴露出的问题有： 油气集输和处理系统负荷增大，现有的工艺流程复杂，系统能力不能满足开发后 期的生产要求。各油田现有设备主要是针对开发中期的特点而设计配套的，进入开发后 期后，采出液的乳化特性、介质特性都有较大变化，原油集输方式、设备结构不能适应 这一变化的需要。 污水处理系统主要是处理量的增加和水质标准的提高，现有流程和设备落后，按 常规的处理方式已不能满足生产要求。 进入开发后期，为了进一步提高采收率，各油田都在进行三次采油矿场试验，有 的已进入工业性推广应用阶段，如大庆、大港、河南等油田。由于驱注液对原油乳化液 特性有较大的影响，为地面处理工艺带来了新的课题。 注水系统由于注入量的增加，电力负荷急剧增长，注水井洗井次数增多，造成洗 井能耗和污水处理系统的负担增大。 集输系统存在的主要问题：加热炉运行热效率低；原油一次处理达标率低、不达 标原油回掺量大；被加热原油含水率高；破乳剂低温性能差；原油不加热预分水工艺不 完善：老站设备散热损失大。 第一章前占 油田丌发后期防腐问题只益突出。由于东部油田开发建设较早，地面工艺管线设 备运行时间长，防腐措施破坏严重，经常性的管线穿孔、设备腐蚀已严重影响了油f f l 的 正常生产运行【引。 因此依靠科技进步，降低原油开发成本成为当务之急。为了从集输系统方面降低原 油的开发成本，孤四油气集输系统多年来在高含水期集输系统的节能降耗、提高效率方 面开展了大量的工作，例如研究和应用了高效的三相分离器、游离水脱出器，在总体布 局上进行各类站的功能调整，流程简化改造等一系列技术和工艺措施，以适应高含水期 的油气处理要求4 】【5 】。这些技术和工艺措施在降低成本、简化流程、节能降耗等方面都 取得了显著的成效。但是现有的这些措施基本上都是着眼于集输系统的某一局部，没有 将集输系统作为一个整体来考虑。现有的技改措施对整个集输系统有何影响，其整体效 果如何，缺乏足够的、深入的了解；为了能从全局的高度对技改措施进行评价，了解技 改措施对整个油气处理系统的影响，另外在采用了技改措施之后，能否节能降耗并从节 能降耗的角度出发，对关键的运行参数做出调整，以期进一步降低【6 】。这些都是需要进 一步的研究。 1 2 论文研究的目的和意义 1 2 1 油田集输系统仿真技术 计算机仿真技术是通过建立系统的模型，借助计算机对真实系统或设想系统进行试 验和分析论证的一门综合性技术【7 1 。计算机仿真技术除了涉及数值计算、数据处理和知 识处理技术外，还涉及到数据、文字、声音、图形、图像等多媒体信息处理技术它能 为研究工艺过程、自控系统的系统功能、体系结构、信息流程和数学模型提供硬件及软 件平台；为系统设备测试、软件功能调试、产品性能检验与评估提供设计、测试、调试、 检验与评估的环境【8 】。油田集输生产工艺过程的计算机仿真主要是根据工艺设计和过程 运行的基本原理，建立描述工艺生产设备和流程的数学模型，采用计算机技术对油田生 产过程中的部分生产装置或工艺流程进行静态及动态计算机仿真。 1 2 2 开发仿真模拟系统的意义 联合站是油田地面工程，特别是油气集输系统的重要组成部分、功能单元和能耗单 元，在实际生产中，联合站系统的主要设备都是常年运行的设备，由于长时间运转，设 施设备不仅安全性能有所下降，而且在技术性能、使用性能、处理能力、处理效果等方 面也在逐步下降，为使达到原来的处理效果，只有采取高能耗、高成本的办法，投入大 2 中固石油人学( 华东) 硕j ：学位论文 量的人力物力维持生产。但通过仿真技术并根据其原理对其模拟运算，为投资决策提供 科学依据，保证设施安全、平稳、高效运行。- 而且对提高油田原油采收率、降低原油开 采成本及促进节能降耗都具有十分重要的理论意义和实用价值i 6 。 目前，在油田生产及开发建设中，节能降耗及外围油田的高效开发是油田地面工程 建设的主要课题，也是油田工艺及自动化面临的主要攻关课题。随着油藏经营管理改组 和调整，将完全打破目前的经营管理模式，对油、气、水、电交接计量、油气水的处理 与供给、服务成本的定价核算等各方面提出新的要求，根据地面适应地下的原则，在油 田地面工程生产过程中，需要对原有的工艺流程、设备等进行不断改造和更新，这就对 生产、设计、科学研究人员提出了新的要求。为适应这一发展需要，需要开发一套油田 地面集输系统仿真模拟软件，用来仿真模拟现有集输系统的运行参数和处理能力，评估 确定现有系统对改组和调整的适应性，为调整、完善油藏经营单元地面系统提供依据， 从而达到降低工程投资、提高地面系统效率、降低油藏经营管理风险的目的【9 1 。 油田集输系统仿真模拟系统可以实现以下功能： ( 1 ) 建立油田生产设备、流程的工艺模型，进行有关基础工艺技术的数值模拟计算、 动态仿真计算，为工艺、自控设计方案提供参考，验证工艺流程或设备设计的合理性，优 选设计方案及设备结构。 ( 2 ) 可以模拟生产过程中的诸多工作状态，且可多次重复、无破坏性。因此，通过油 田工艺过程计算机仿真系统研究，可对科学研究过程中的新工艺、新流程、新方案等先 进行计算机模拟仿真，找出最优化、最合理的方法。这样，不但能够提高科学试验的效 果和成功率，而且能大大加快科学研究的速度，节省大量的试验投资和费用，并可以对 多个方案进行对比和选优，大大提高了实验效率。 ( 3 ) 利用仿真系统的动态模拟特点，可以优选生产流程的控制规律，确定合理的控 制参数，为整个生产流程的平稳运行提供合理依据。 可以说，油田集输生产工艺过程计算机仿真系统的研究，为油田生产提供了一种方 便、直观、快速、灵活、节省成本的试验和管理手段。 1 3 论文研究的基本方法和内容 1 3 1 仿真系统研究的方法 数学模型是仿真系统的核心，必须能够全面、深刻、集中地反映对象的本质，因此， 建立仿真系统的前提条件是获取反映集输系统运行机理的数学模型。 油田集输系统主要包括油气分离、原油脱水、污水处理等子系统、输油管线等，主 3 第一章前言 要设备包括：两相分离器、三相分离器、沉降罐、游离水脱除器、电脱水器、净化油罐 等。研究开发集输工艺的仿真系统，必须研究上述设备的工作原理和特性，确定各设备 的动态模型，所确定的模型必须反映各种工作状况下的生产过程的内在关系。根据质量 守恒和能量守恒及相关热力学基本方程，建立输入变量与输出变量之间的动态关系，对 关系方程中涉及到未知参数要采用现场实测数据进行设计。 首先开发油田生产单元模块，建立较完整的油田集输工艺设备模型库，并结合油田 生产中的实际数据对各主要设备模型进行功能验证与测试，修改并完善各个模块。然后 把各模块连接成一个整体，形成系统软件，并对整个系统进行功能验证与测试。最后根 据实际需要，创建所需模拟的工艺流程，并进行相关研究。 1 3 2 主要内容 ( 1 ) 归纳、总结集输系统主要单体设备工作原理和计算方法，主要设备包括：立式 两相分离器、卧式两相分离器、卧式三相分离器、沉降罐、净化油罐、原油电脱水器、 泵、管道等。 ( 2 ) 在单体设备工作原理的基础上，根据能流和物流平衡，编制相应的仿真程序； 建立相关设备的技术参数库和系统基本工艺参数库，然后根据系统的工艺参数、进站的 油、气、水量等相关数据，以及关键设备的技术参数及性能计算方法，对各设备的整体 处理能力、处理质量、技术指标等关键参数进行仿真计算。 ( 3 ) 收集归纳总结有关原油物性的计算方法。 1 4 论文研究研究的国内外现状及前景 随着计算机技术的发展及数值计算方法的不断完善，世界发达国家( 尤其是美国) 的长输管道仿真技术发展很快，应用范围日益扩大【1 0 】。总的说来，自8 0 年代以来世界 上许多著名的石油管道公司都花费了大量的人力物力从事管道仿真技术的研究，并开发 出了相应的仿真软件。如著名的t g n e t 、t l n e t 、s p s 、l i q n e t 等。目前国外在管道 系统的设计、生产管理、教育培训等方面，这些仿真软件己成为一个很重要的环节，为 管道工业带来了巨大的社会效益和经济效益。 我国软件产业和国外软件产业相比还有很大的差距，尤其在石油行业领域更是如 此。石油软件的开发需要同时具备石油行业专业背景和软件开发专业背景。然而，国内 普遍缺乏这方面的专业人才，同时受国内整体软件开发水平的限制，我国自主研制_ 了1 发 的能够普遍应用的适合国内实际情况的商业化石油软件非常少。这样，外国人开发能各 4 中国石油人学( 华东) 硕j ：学位论文 种商业软件便进入了我国石油行业，但这些外来软件在国内的应用情况并不理想。由于 对软件的功能、性能、使用方法、设计思路及其所采用的数学模型与算法缺乏全面系统 的了解，因此其作用还没有得到充分发挥和体现。只有充分消化吸收国外引进的软件， 才能开发研制适合我国的具体实际情况的石油软件。 虽然国外已经开发了很多成熟的仿真软件，然而这些软件基本上都是用于油气管道 的设计和运行管理。专门针对于油田集输系统开发的能够普遍应用的仿真软件几乎没 有。目前，在集输系统的日常设计、方案选择、生产管理、操作和控制中，所采用的方 法和技术还比较落后，效率低，效果差。而且油田集输过程生产管理、操作控制水平低， 自动化程度不高。为了满足集输系统生产管理、操作和控制等方面的要求，迫切需要开 发一套仿真模拟软件。 油田集输生产工艺过程计算机仿真系统充分利用现代高科技手段，不仅能够对工艺 装置和流程进行计算机模拟仿真，而且能够用于油田联合站工艺特性的分析及新型控制 策略的开发。并且在此基础上还可以开发石化工业应用软件。可以说，油田集输工艺过 程计算机仿真系统研究具有广阔的应用前景。 5 第二章油气物件计算 第二章油气物性计算 在油田集输系统的仿真模拟计算中，不可避免地要用到不同压力、温度条件下的油 气物性参数，这些参数大部分通过经验公式或实验相关式计算得到。本章整理归纳了常 见的计算油气物性的公式。 2 1 脱气原油物性计算【1 】 在工艺计算中常常需要确定脱气原油的物性参数，最可靠的方法是试验测定，在缺 少实验条件的情况下可以利用一些经验关系式计算。 2 1 1 原油密度 若已知2 0 。c 时的原油密度，在0 - 5 0 。c 范围内其它温度下的密度可按下式计算： 肛= p 2 0 f o - 2 0 ) ( 2 1 ) f = 1 8 2 8 0 0 0 1 3 2 p 2 0 式中：肛，p 2 0 温度为，。c 和2 0 。c 时的原油密度，k g m 3 ； f 温度系数，k g ( m 3 。c ) 。 在2 0 1 2 0 。c 范围内，原油的密度为： n 2 瓦硒p 2 0j(2-2) 7 8 0 p 2 0 8 6 0 时，口= ( 3 0 8 3 2 6 3 8 x 1 0 3 岛o ) x l o 一 8 6 0 岛o 9 6 0 时，口= ( 2 5 1 3 1 9 7 5 x 1 0 3 岛o ) x 1 0 3 2 1 2 原油粘度 在缺少实验数据条件下，可根据相对密度和温度估算原油的动力粘度： 心= 1 0 。一1( 2 - 3 ) x = y ( 1 8 t + 3 2 ) 一6 3 y = 1 0 。 z = 5 6 9 2 6 2 8 6 2 5 a 。 式中：从原油动力粘度，m p a s ； 。1 5 。c 时原油相对密度； f 原油温度，o c 。 若已知任何两个温度下的原油粘度值，可按下述相关式计算其它温度下的原油轱 6 中困石油大学( 华东) 硕士学位论文 g o = e x p ( 手一爿) 6 ：j l l n 笠 ，2 一f l2 式中：i 、2 温度为 和f 2 ( 。c ) 时原油的粘度，m p a s 。 ( 2 4 ) 2 2 天然气的物性计算 2 2 1 天然气压缩因子 过去，人们应用司坦丁压缩因子图来计算不同温度和压力条件下天然气的压缩因 子。随着计算机的广泛应用，国外学者提出了十多种用计算机直接计算压缩因子的方法。 下面介绍比较常用且精度较高的罗宾逊法。 压缩因子相关式为： z = 1 + ( 彳l + 彳2 巧1 + 彳3 正_ 3 ) 岛+ ( 4 4 + 彳5 巧1 ) p ；+ 4 以p ；f 1 + ( 彳，, r r ) ( 1 + a s p ；) e x p ( - a 8 p ；)( 2 5 ) 式中：p r = 0 2 7 p ，( z t , ) a l = o 31 5 0 6 2 3 7 ；a 2 = 一1 0 4 6 7 0 9 9 0 ；4 = - 0 5 7 8 3 2 7 2 9 ； a 4 = 0 5 3 5 3 0 7 7 1 ；a 5 = 一0 6 1 2 3 2 0 3 2 ；也= - 0 1 0 4 8 8 8 1 3 ； a ，= 0 6 8 15 7 0 0 1 ；a s = 0 6 8 4 4 6 5 4 9 。 n 天然气的对比压力，可由式( 2 - 8 ) 计算； z 天然气的对比温度，可由式( 2 - 9 ) 计算。 缺乏天然气组成资料时，可用天然气的相对密度按式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 求天然气的假临界 压力和假临界温度。 p 。= ( 5 5 3 - 1 0 4 ) x1 0 5( 2 6 ) 瓦= 1 2 + 2 3 8 a o ；5 ( 2 7 ) 式中：p 。气体的临界压力，p a ： r 气体的临界温度，k ； a s 天然气的相对密度，k g m 3 。 7 吐堕乞等 拈 第二章油气物r 丰计算 气体的对比压力p ，和对比温厦2 j 由f 式计算： pr=一p(2-8) p 。 i = 吾 ( 2 - 9 ) 2 2 2 天然气粘度 已知天然气所处压力、温度条件下的密度以和标准状态下的相对密度g ，可按下 式求所处条件下的天然气粘度： 旷剐旷唧， ，p k ：( 9 4 + 0 0 2 m x 1 8 t ) 1 5 x ：3 5 + 墅+ o 0 1 m y = 2 4 0 2 x m = 2 8 9 6 4 a g 式中：心天然气粘度，m p a s ； r 天然气温度，k ； 以天然气密度，k g m 3 ： m 气体相对分子量。 2 2 3 天然气密度 工程标准状况( 压力和温度值) 下天然气密度： 成= g p o( 2 11 ) 任意工况下天然气密度为： 依：p g 丐。p f t o ( 2 - 1 2 ) 依5 瓦万 式中：p ：，群工程标准状况下的天然气及空气密度，k g m 3 p g 天然气密度，k g m 3 ； 8 一 主旦至鲨叁兰! 竺查! 堡：竺兰篁笙兰 _-_-_-一一一 一 2 3 油水混合物物性 在油田集输生产中，大多数情况下物流都是油水乳状液，因此有必要计算油水混合 物的常用物性参数。 2 3 1 混合物密度 油水混合物密度可近似按下式计算： p l = ( 1 一k ) p o + 毛p 。 ( 2 1 3 ) 式中：k 原油体积含水率，； 成原油密度，k g m 3 ； p 。水的密度，k g o ； 2 3 2 质量含水率 根据体积含水率，可由式( 2 1 4 ) 算出油水混合物的质量含水率： x ：f 姜l ( 2 1 4 )x 2 矿而 u 。 2 4 计算框图 图2 1油气物性计算框图 f i 9 2 1 o i la n dg a sp r o p e r t i e sc a l c u l a t i o nd i a g r a m 9 第- 二章油气物性计算 2 5 功能描述 物性计算为集输系统模拟仿真的基础，通过物性计算，完成以下功能： 1 ) 物流性质计算 根据输入的参数，计算物流在给定压力温度条件下流体的密度、粘度、热物性等参 数，为工艺设备的计算提供输入数据。 2 ) 为分离设备的分离平衡计算提供基础：在分离设备内，随着压力温度的改变， 气液相发生流量的变化。通过物性计算，确定气液比例的变化。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第三章设备建模及仿真评价 建模是仿真的核心环节，本论文建模的模型是以子系统与设备来进行界定的，子系 统的划分原则是：具有单一的生产功能，符合传统习惯，例如油气集输系统可分为“分 离计量站 、“联合站”。设备是相对于“子系统而言的，它是实现单一功能的基础 单元，例如电机和压缩机以及泵类应视为“一台 设备，所以设备应包括主机及其附属 设备，同时为了尽可能的简化系统流程的复杂程度，多台相同功能的设备应视为同一台 设备，例如( 并联) 串联使用的水泵，加热炉等作为一个设备来进行建模仿真，同时， 为了增加软件的可加减性应该把管道也视为“一台设备”。 设备的模型应满足能够对设备的工作过程给出准确的描述和预测，基本如下： ( 1 ) 输入输出一一对应：也就是要准确关联设备的输入输出的关系，满足设备基 本工作原理的要求，反映设备的实际工作状态。 ( 2 ) 要反映与外晃的联系：设备的工作状态一般应该会受到它所处环境的影响， 当设备的环境参数发生变化时，设备的输出及其它性能参数也应该发生相应的、符合相 关定律的变化。 ( 3 ) 反应与其他设备之间的联系：这种联系包括直接的( 串联的) 和间接的( 并 联的) ，也包括正反馈联系以及负反馈联系。 ( 4 ) 反映与其他子系统之间的联系：类似于设备与设备之间的联系【1 l 】。 孤四油气集输系统主要包括脱水系统，转油站系统，原油稳定系统，污水处理系统， 注水系统，天然气处理系统等，主要设备有加热炉，油气分离器，沉降罐，净化油罐、 电脱水器，污水处理泵、管线等。根据以上要求，按照建模仿真的原则，把设备模型划 分为加热炉模型、油气分离器模型、沉降罐模型、净化油罐模型、电脱水器模型、泵机 组模型、管道模型等。然后通过这些模型的建模来完成仿真与评价。 3 1 分离器的仿真与评价 由于孤岛油田是采用注水压力驱动开采，因而从油井生产出来的油气混合物中经常 含有大量的水泥沙等杂质，特别是油田后期生产中，油井出水量可达其产量的9 0 以上， 所以油田产品脱水的脱水是十分必要的；另一方面，原油含水后，其比热、粘度等会发 生很大的变化，不仅给油田生产带来一系列的困难，还给油库的储存，铁路、公路、航 运、长输管道的输送，以及炼油厂的加工精练造成不利的影响因此必须对原油进行脱 第三章设备建模j 仿真评价 水净化处理，使之成为合格的原油。 通过油气分离器以及油气水三相分离器，可以实现原油的简单分离，为原油迸步 的精炼提纯奠定了基础。 3 1 1 分离器的工作原理 礁力柠剐i i c l ：i 厦面授制嘲 图3 - 1卧式分离器原理图 f i 9 3 - 1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fh o r i z o n t a ls e p a r a t o r 流体由入口进入分离器，经过入口折流板，油、气的流向和流速突然发生改变，使 油气得以初步分离。经初步分离后的原油在重力作用下流入分离器集液部分。集液部分 需要一定的体积，使原油流出分离器前在集液部分有足够的停留时间，以便被原油携带 的气泡上升至液面并进入气相。集液部分也提供缓冲容积，均衡进出分离器原油流量的 波动。集液部分的原油最后经由液面控制器的出油阀流出分离器。为得到最大的气液界 面面积，通常使卧式分离器充满二分之一的液体。 来自入口分离器的气体水平地通过液面上方的重力沉降部分，被气流携带的油滴在 此部分靠重力降至气一液界面。为沉降至液面的、粒径更小的油滴随气体流经除雾器， 在除雾器内部分。脱除油滴的大气经压力控制阀流入集气管线【l 】o 3 1 2 分离器的仿真 3 1 2 1 仿真模型 仿真计算中采用黑油模型，在这种模型中烃类系统可用两组分描述：( 1 ) 非挥发组 分；( 2 ) 挥发组分，即溶于原油中的气。 原油和天然气是两种互溶的流体，油气混和物进入分离器后，在分离器内有一定的 停留时间，油气两相经过充分接触，接近气液平衡状态。在分离器内的压力和温度条件 1 2 中国石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 下，计算溶解气油比，然后根据质量守恒，可以计算出口的油、气流量。 溶解气油比的相关关系式： 耻2 舶7 4 川4 ( 尚 ( 鲁) ( 3 1 ) 驴o s 2 6 - g ( 1 1 8 6 9 争一， 仔2 ， 。a p i ：堂一1 3 1 5 m o = 6 5 9 6 8 1 2 - 1 0 8 3 6 9 j a p i 1 5 o a p i 3 8 ( 3 - 3 ) a 乞= 7 6 3 6 9 8 4 - 1 8 15 6 4 。彳+ 0 1 2 3 5 。彳2 3 8 。a p i _ 5 5 ( 3 4 ) 式中：r s 溶解气油比，m 3 ( 气) m 3 ( 油) ； y g 天然气摩尔分数，由式( 3 2 ) 计算： a o 工程标准状态下脱气原油相对密度，k 咖3 ； a g 工程标准状态下天然气的相对密度，k g m 3 ； m 。脱气原油分子量，按式( 3 3 ) 求出。彳后由相关式( 3 4 ) 计算； 尸压力，m p a ； 丁温度，k 。 根据质量守恒方程，分离器出口的气、液流量为： q 删= q 跏一( r ，一r ，o ) 既 m 劬= m 讯+ 乜弘一q 删迭g p d ( 3 5 ) ( 3 6 ) 对于三相分离器，出口气体流量仍按式( 3 5 ) 计算。出口的油、水流量按下式计算： m 。t n = m l 咖一m m 口i d m t = x 1 m i i q x z m 唰 式中：入口的气体流量( 标准状况下) ，m 3 d ； m 砌入口的液体流量，k g d ； 1 3 ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 第三章设备建模j 仿真评价 m 。训出口的原油流量，k g d ； m 们埘出口的污水流量，k g d ； r s 在分离器内压力温度条件下的溶解气油比，m 3 ( 气) m 3 ( 油) ； r ，。初始溶解气油比； x 。入口的原油质量含水率，； x ：出口的原油质量含水率，。 根据能量平恒方程，分离器出口的能量平衡： h 葺“，m 卿+ hh m | m j rq l ，= h 鲫m + h l 呲m l 哪一q 细t q q 式中：入口的气体焓值，k j k g ； q 外界传递的热量，k j d ； 入口的液体焓值，k j k g ； 埘出口的气体焓值，k j k g ； 热量的损失，k j d ； 玩圳入口的液体焓值，k j k g ； 3 1 2 2 仿真程序 ( 匿多 图3 - 2分离器仿真程序流程图 f i g3 - 2 t h es i m u l a t i o np r o c e s sf l o wc h a r t o ft h es e p a r a t o r 1 4 中圉石油人学( 华东) 硕：l 学位论文 根据以上分析和计算公式，编写了分离器仿真程序。仿真程序流程图见图3 - 2 。 输入参数：分离器入口气体流量、入口液体流量、入口处的温度及压力、分离器的 操作压力和温度、入口含水率、出口含水率、气液的相关物性参数。 输出参数：出口温度、分离器出口的气、液流量。 其中，气体流量都是工程标准状态下的值，单位为m 3 d 。液体流量分别为出入口状 态下的实际流量，单位为m 3 d 。程序中水的密度按常数处理，忽略其随温度、压力的变 化。 3 1 2 3 输入参数 表3 1分离器仿真输入参数 t a b l e3 - 1s e p a r a t o rs i m u l a t i o ni n p u tp a r a m e t e r s 输入参数名所用变量类型单位 分离器类型 l x 整型 台数t x整型 入口气体流量 r k q t l l 浮点数 k g h 入口液体流量r k y t l !浮点数 k g h 操作温度 j k w d 浮点数 操作压力 y l 浮点数 k p a 入口含水率 r k h s i 浮点数 出口含水率 c k h s i 浮点数 热量的损失 r s l 浮点数 k j ，d 3 1 2 4 输出参数 表3 - 2 分离器仿真输出参数 t a b l e3 - 2s e p a r a t o rs i m u l a t i o no u p u tp a r a m e t e r s 输出参数名所用变量类型单位 出口气体流量 q t l l 浮点数 m f 出口液体流量 y t l l 浮点数m h r 出口温度 c k w d 浮点数 3 1 3 油气两相分离器的评价方法 分离器的主要评价指标为：分离器处理能力及分离效果。分离器的处理能力可以通 1 5 第三章设备建模j 仿真评价 过其气液处理量来表示，分离效果由分离器的最小分割粒径决定。 3 1 3 1 分离器处理能力评价 已知分离器结构尺寸，按照分离效果要求和集输系统设计方法，反算分离器的处理 能力。 ( 1 ) 气体处理能力 油气混和物经分离器的入口分流器获得油气初步分离后，携带大量油滴的气体进入 重力沉降部分，气体流速突然变慢，油滴在重力作用下以某一速度下沉。随着油滴下沉 速度的加大，油滴受到的气流阻力也越来越大。当油滴上所受合力为零时，油滴将匀速 下降。显然，油滴沉降至分离器集液部分所需的时间应小于气流把油滴带出分离器所需 的时间。于是，油滴沉降速度的大小关系到能否把油滴从气流中分离出来。 为简化油滴匀速沉降速度计算公式的推导，假设： ( 1 ) 油滴为球形，在沉降过程中既不破碎也不与其他油滴合并； ( 2 ) 油滴与油滴、油滴与分离器壁以及其它构件间没有作用力； ( 3 ) 气体在分离器重力沉降部分内的流动是稳定的，任一点的流速不随时间而变化； ( 4 ) 作用在油滴上各种力的合力为零，油滴以不变的速度沉降。 不同流态区的油滴匀速沉降速度公式： 层流区：斯托克斯( s t o k e s ) 公式 y ：掣 ( 3 - 】o ) y = of 1 n l 1 8 g r 7 过渡区：阿伦( a l l e n ) 公式 肛塑等等止 仔3 y = = ：1 _ = o _ 二二l f11 l h tp t 紊流区：4 = 0 4 4 牛顿( n e w t o n ) 公式 心 掣 o 5 p 2 ， l 以 j 为判断某一直径的油滴在给定的分离条件下处于什么流态区，在此引入阿基米德佳 数a r ，定义如下： 爿，：亟啦 ( 3 - 1 3 ) ； 。 1 6 中固石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 根据油滴直径和分离条件下的气液物性，求出a r 后，根据表3 3 查出雷诺数范围， 按流态选用公式计算油滴沉降速度。流态用雷诺数r e 判断，雷诺数的表达式为： r e = 垒丝( 3 - 1 4 ) 弘g 式中：“。一分离条件下气体( 连续相) 的动力粘度，p a s 。 上式说明，油滴粒径愈大，沉降速度愈快，雷诺数愈大。 表3 3不同流态下a r r e 关系 t a b l e3 - 3u n d e rd i f f e r e n tf l o wp a t t e r na r - r er e l a t i o n s 流态 雷诺数范围a r 范围 a r r e 关系 层流 r e 立a 图6r e = 0 0 5 6 a r 过渡区 2 8 3 x 1 0 3r e = 1 7 4 a r o 5 一般来说，分离器重力沉降部分要求能够分离出直径为1 0 0 m 以上的液滴，因此重 力沉降段液滴的临界沉降速度w o 是指直径1 0 0 p m 液滴的沉降速度。 在立式分离器中，气流方向与油滴沉降方向