天然气水露点与含水量的换算.docx

文章编号：1000-8241（2012）03-0225-03天然气水露点与含水量的换算李大全1,2艾慕阳2 张鹏1 王玉彬2 苗青2 刘凯31. 西南石油大学，四川成都 610500；2. 油气管道输送安全国家工程实验室 中国石油管道科技研究中心，河北廊坊 065000；3. 中国石油兰州输气分公司，甘肃兰州 730070李大全等.天然气水露点与含水量的换算 .油气储运，2012，31（3）：225-227.摘要：在天然气水露点与含水量的换算过程中，涉及天然气状态方程、气液相平衡、气体混合规则等多步计算，参数多且需要迭代求解，整个计算过程相当复杂。为此，提出了一种快速、准确的天然气 水露点与含水量的换算方法：选用 pr 状态方程，并基于 gb/t 226342008 提供的关联关系曲线， 通过相平衡理论导出计算气、液相的逸度系数公式，最后迭代求解。给出了整个换算过程的详细计 算步骤，该计算方法的适用范围可扩展至 0.1 mpa p 30 mpa， 50 t 40 。实际算例 结果表明：该换算方法在压力范围为 0.15 mpa 内计算结果准确性较高，当压力超过 8 mpa 时，计 算不确定度有待进一步分析。关键词：天然气；水露点；含水量；换算；pr 状态方程；逸度系数；相平衡中图分类号：te832文献标识码：adoi：cnki:13-1093/te.20120116.0843.001含水量是天然气的一项重要物性指标，与天然气的压力、温度和组成等条件有关。准确描述天然气中 的含水量值，是确保天然气加工、储存运输等过程工艺 计算准确性的基础。天然气中水蒸气含量值有多种表 示方法1-2 ：物质的量浓度，它与气体的压力和温度 条件无关；体积分数，对于理想气体，它与气体的压 力和温度条件无关；绝对湿度，指单位体积中的水分 质量（mg/m3），使用时必须给出气体的压力和温度参 比条件；相对湿度，指天然气绝对湿度与饱和湿度之 比；天然气水露点，指天然气在水汽含量和气压都不 改变的条件下，冷却至开始析出液态水滴时的温度，露 点温度越低，气体的干燥程度越高。上述表示方法均可以描述天然气的水分含量，但 在较多情况下因计算目标不同或为方便比较，需要将 不同的单位进行换算。在工程实际中，常常遇到将天 然气水露点与含水量进行换算的问题，该换算过程涉 及天然气状态方程、气液相平衡、气体混合规则等，计 算过程中参数繁多，迭代求解复杂，且因选取不同的状 态方程和关联关系，形成不同的计算方法，在实际应用 过程中存在诸多不便。为此，提出了一种天然气水露 点与含水量的简便换算方法。1 参数准备1.1 输入与输出输入参数主要包括干气组成、绝对压力、含水量（或者水露点）等；输出参数则主要包括水露点（或者含 水量）。1.2 干、湿混合体系摩尔组分换算干气与水蒸气共同组成新的混合体系，需要重新 计算各个组分的物质的量浓度。湿混合气体的总物 质的量等于干气的物质的量与水蒸气的物质的量之*和，利用干天然气的物质的量 yi 即可计算出湿混合气体中各组分的物质的量浓度 yi 。例如：输入标准参 比条件（101.325 kpa，0 ）下的天然气含水量值 （单 位为 mg/m3），则1 m3 天然气中水蒸气的物质的量为 103/18。在标准状态下，1 m3 干天然气的物质的 量约为 44.62 mol，则水蒸气的物质的量浓度：其他组分的物质的量浓度 ：网络出版时间：2012-1-16 08:43网络出版地址：/kcms/detail/13.1093.te.20120116.0843.001.html225经验交流2012 年 3 月 第 31 卷 第 3 期2 状态方程和关联方程式（8）的扩展工作范围为5040 。当温度为00，二元交互系数 kij =kij 。pr 方程式最初是针对气体冷凝系统导出的，在许多应用中被作为标准工具。基于 pr（peng-robinson） 方程进行关联，其方程式为：3 气-液两相逸度系数根据天然气水露点温度的定义，天然气中水蒸气与液态水处于相平衡状态，故首先运用相平衡理论进 行计算。相平衡常数的定义和相平衡条件分别为：（1）式中：r 为气体常数，取 8.314 kj（/ kmol k）；v 为气体摩尔体积，m3/kmol。2.1 单组分参数（9）（10）l式中：xi 为液相中 i 组分的物质的量浓度；i 为液相中vi 组分的逸度系数；i 为气相中 i 组分的逸度系数。由式（9）和式（10）可以得到：（2）（3）（11）在式（11）中，需要分别求解组分 i 在气相和液相中的逸度系数。任一相中组分 i 的逸度系数和该相状 态变量间的关系通常由状态方程连接。对于压力是显 函数的状态方程，逸度系数可表示为3-5 ：（4）式中：t c 为临界温度，k；p c 为临界压力，pa；t r 为对比 温度，k；t 为气体温度，k；p 为气体压力，pa。根据文献3， 的关联式为：（5）当 t 适用范围不同，系数 a 取值亦不同（表 13）。表 1 函数中系数 a 的取值（12）（13）式中：z 为压缩因子；fi 为 i 组分的逸度，对于真实气 体，逸度为校正的分压；n 为气体混合物的物质的量， mol。3.1 气相混合物组元利用式（6）和式（7）的混合规则，将式（1）代入式（12），可以导出气相混合物组元逸度系数的计算式5 ：2.2 多组分混合采用范德华方程可以导出以下均衡规则：（6）（7）（14）式中：xi 为混合物中各组分的物质的量浓度；kij 为二元交互作用参数，需由 i-j 二元对的相关实验数据回归得 到，kij kji ，kii kjj 0，在没有实验数据的情况下常取 kij 0。对于二氧化碳 / 水、甲烷 / 水和乙烷 / 水的二元系3.2 液相纯组分pr 状态方程利用压缩因子可表示为4 ：z 3（- 1-b ）z 2+（a -3b 2-2b ）z统，有必要引入以温度t 为函数的交互作用参数 k ，以ij获得对气-液平衡的准确描述。温度函数通常为：（- ab -b 2-b 3）=0（15）（8） ，（16）013式中：kij 、k为二元交互作用参数 。式中：a 、b 为中间计算变量；系数 a 、b 的确定方法同t 的适用范围a 1a 2a 3223.15 kt 273.16 k 0.106 025 2.683 845 4.756 38273.16 kt 313.15 k 0.905 436 0.213 781 0.260 05经验交流李大全等：天然气水露点与含水量的换算li daquan, et al：the conversion calculation method between water content and water dew point of natural gaspr 气体状态方程的系数 a 、b 。由 pr 方程导出的纯组分逸度系数 pure，i 的表达 式为：入参数变为天然气水露点、输出参数为含水量。根据以上计算步骤，分别利用数学计算软件 mathcad 和 编程工具 vb.net，将换算过程编制成程序，并对计算 结果进行对比。在迭代过程中采用改进的试位法6， 收敛速度快且稳定性好。综上所述，推导得出了天然气水露点与含水量的 换算方法，编写了计算程序，并进行了大量的数值验 算。结果表明：天然气水露点与含水量的换算方法适 用的压力和温度范围分别为 0.1 mpap 30 mpa，50 t 40 。在应用过程中，必须同时满足压 力和温度两项适应条件。将数值验证结果与参考文献 3的示例结果进行对比分析：计算结果准确性比较高 的压力范围是 0.15 mpa，而压力值超过 8 mpa 后， 结果偏差扩大，需要经过更多的数值实验或者其他手 段对计算结果的不确定性进行分析。（17）利用式（14）和式（17）分别计算气液两相的逸度系数，并利用相平衡关系公式（11）进行迭代，即可得 到计算结果。4 计算步骤根据含水量计算水露点的具体步骤为：第一步，输入干天然气组成和绝对压力 p ，并假定 初始水露点温度 t ；第二步，计算干天然气与水蒸气组成的新混合体 系中各组分的摩尔分数；第三步，查阅 i 组分的临界温度 t c，此处主要为水 蒸气的临界温度，并由式（4）计算对比温度 t r ；第四步，由式（5）计算 函数，由式（2）和式（3） 计算 i 组分的 ai 和 bi ，由式（6）和式（7）计算混合体系 的 a 和 b ；第五步，利用状态方程（1）求出混合体系的摩尔 体积 v ；第六步，由式（13）求出混合体系在 p 、t 条件下的 压缩因子 z ；第七步，将求得的各参数代入式（14）计算逸度系 数 fi ，此处假设只有水蒸气组分达到气液平衡，因此液 相为水的单一组分，只需要计算水蒸气的逸度系数；第八步，由式（15）和式（16）计算液相压缩因子， 由式（17）计算液相（纯水）逸度系数；第九步，将气、液两相逸度系数代入式（9）计算相 平衡系数 ki ；参考文献：1李 长 俊. 天然气管道输 送m. 2 版. 北 京：石油工业出版社，2008：54-57.陈赓良. 测定天然气水蒸气含量 / 水露点的方法与仪器j. 石油2仪器，2000，14（4）：43-46，62.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. gb/t 22634-32008 天然气水含量与水露点之间的换算s. 北京：中国标准出版社，2009.4郭 天 民. 多元气液平 衡精 馏m. 北 京：石油工业出版 社，2002：36-41.马沛生. 化工热力学m. 北京：化学工业出版社，2005：89-101. chapra s c，raymond p canale. 工程数值方 法m. 于 艳 华，56译. 北京：清华大学出版社，2010：124-129.（收稿日期：2011-04-02；编辑：孙伶）作者简介：李大全，在读博士生，1980 年生，2005 年硕士毕业于西南石油大学油气储运专业，现主要从事油气管道清管仿真模拟及完是否成立，若成立，则 t第十步，判断为露点温度；反之，则需修正继续迭代。由天然气水露点计算含水量的步骤同上，此时输整性管理技术的研究工作。电话email：227in order to reduce the risk in pig receiver and accessories, improving safety, reliability and practicability in pipeline inner inspection, “twicepig receiving” technique is recommended to apply in pig or inner inspection station, that is, opening both pig pilot valve and pig receiving valve, and then closing the inbound valve slowly and adjusting its opening when the receiving pig or inspection gauge passed the t-joint of pig receiver, allowing the pig or inspection gauge into the pig receiver slowly. taking the compressor station in west-to-east natural gas transmission pipeline as an example, “twice pig receiving” operation with the traditional “once pig receiving” operation is compared from some aspects (pig receiving process, preparatory work, etc). the result indicates that “twice pig receiving” method can adjust the travelling speed of inner inspection gauge or pig into the receiver, which not only reduce the risk of pig on receiver and accessories substantially, but also obviously improve the safety of inner inspection gauge receiving or pig.key words: natural gas, pipeline, twice pig receiving, inner inspectionchen wenhua: engineer, born in 1977, graduated from northern jiaotong university, thermal measurement and control technology, in2000, engaged in the research of natural gas pipeline transmission technology.add: room 204, a section, tarim petroleum hotel, korla, xinjiang, 841000, p. r. china. tel: email: 29783864energy saving & environmental protection / experience exchange / question & discussionoptimized running scheme for pump units of second kalamay-urumchi products pipelinezhu peiming, chen zhihua, zhou bin, liu yang, xi xiaobopetrochina west pipeline companyogst, vol. 31 no. 3, pp. 221224,3/25/2012. issn 1000-8241; in chinesebased on the initial process design scheme of pump units in kalamay-urumchi products pipeline, when the actual annual throughput is lower than 195104 t/a, the annual intermittent downtime is 158 d in total, which increases the restart-up/shut-down frequency of pipeline and the accident probability in equipment operation for the initial station, resulting in an energy loss caused by the throttle of regulation valve in the initial station. based on the transportation condition in recent two years and from the point of power consumption, the paper analyzes and compares the differences in power consumption for the temporary testing pump unit and running pump unit. an optimum running scheme of pump units operated under different annual throughputs is proposed, that is, when the throughput is at 195104300104 t/yr, full- load running with “2 oil feed pumps+2 main oil pumps (one half-lift pump and one full-lift pump)” for new pump unit is suitable; when the throughput is less than 195104 t and annual throughput is at 300104400104 t/yr for temporary testing pump unit, full-load running with “3 oil feed pumps+2 multi-stage main oil pumps” for the new pump unit is suitable; when the throughput is over 400104 t/yr, full-load running for the new pump unit with “3 oil feed pumps+2 multi-stage main oil pumps+1 single-stage main oil pump” is suitable.key words: refined product pipeline, pump unit, throughput, energy consumption, data analysis, optimal operationzhu peiming: engineer, born in 1965, graduated from beijing university of posts and telecommunications, post and communication, in1989, engaged in the management of transportation for refined product pipeline.add: xinshi district, urumqi, xinjiang, 830011, p. r. china. tel: email: the conversion calculation method between water content and water dew point of natural gasli daquan1,2, ai muyang2, zhang peng1, wang yubin2, miao qing2, liu kai31.southwest petroleum university2. cnpc key laboratory of oil & gas storage and transportation, petrochina pipeline r & d center3. lanzhou gas transmission branch of petrochina pipeline companyogst, vol. 31 no. 3, pp. 225227,3/25/2012. issn 1000-8241; in chinesein the conversion calculation process between the water dew point and water content of natural gas, several calculations are involved in the state equations of natural gas, gas-liquid phase equilibrium and gas mixing rules. in addition, there are many parameters are concerned and an iterative solution is required. so, the calculation is a very complex process. for these reasons, a quick and accurate calculation method for their conversion is put forward. the basic conversion process is that the pr equation of state is used based on the incidence relationspecified in gb/t 226342008 to calculate the fugacity coefficient about gas-liquid phase in line with the theory of phase equilibrium, andin the final, an iterative solution is used to finish the conversion calculation. detail steps in the conversion calculation process are provided. this method is suitable for the pressure range from 0.1 mpa to 30 mpa, at -5040 . actual calculation case shows that calculation resultswill be accurate if the pressure is at 0.15 mpa, and when the pressure is higher than 8 mpa, the uncertainty of calculation should be further analyzed.key words: natural gas, water dew point, water content, conversion, pr equation of state, fugacity coefficient, equilibriumli daquan: ph.d candidate, born in 1980, ms.d, graduated from southwest petroleum university, gas storage and transportation, in 2005, engaged in the research of pigging simulation for oil & ga