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文档简介

西南石油大学 CO2管道输送工艺设计方法研究 2008年10月 汇报人 李长俊 2 汇报提纲 研究目的及内容CO2 高含CO2天然气相态特征实验研究CO2 高含CO2天然气管道系统仿真技术研究高含CO2天然气水合物生成与防治技术研究研究结论 3 减少CO2的排放量是世界各国阻止全球变暖 保护环境的重要举措 除开节能减排之外 CO2的综合利用也成为各国学者关注的焦点 伴随着超临界CO2萃取技术 CO2气驱提高采收率技术 CO2置换开采CH4水合物等技术的发展 CO2逐步成为一种重要的资源 为什么要输送CO2 如何输送CO2 CO2的输送主要有三种形式 轮船 槽车以及管道 轮船 目前跨海运输CO2的需求较小 因此发展并不显著 槽车 仅适用于短距离 小规模的输送任务 管道 长距离 大规模的输送CO2最经济可行的方案 1研究目的 一 研究目的及内容 4 管道输送CO2 CO2具有较低的临界温度 临界温度为31 06 临界压力为7 39MPa 使其在常温下也可能进入超临界状态 因此 管道输送CO2可以通过三种相态实现 1 气态输送 2 液态输送 3 超临界输送 管道输送CO2在国外已有近三十年的历史 在此期间取得到了大量的研究成果 并制定了一系列行业内规范和准则 我国还没有建设长距离CO2管道的先例 因此有必要广泛阅读国内外的相关文献 学习了解先进的技术与经验 一 研究目的及内容 5 北美二氧化碳管道分布图 一 研究目的及内容 6 一 研究目的及内容 2主要研究内容 2 1CO2及高含CO2天然气相态特征室内实验研究 1 流体样品的配制或现场取样 根据现场提供的CO2气井的CO2含量和其它组成 采用天然气与CO2进行配样 2 高含CO2流体在不同地管输条件下的流体相态测试 采用DBR全透明观察窗PVT仪 在不同管输温度和不同压力下 研究CO2的相态行为 测试不同压力条件下气相的偏差系数 密度 体积系数等变化 3 筛选 改进和建立CO2 高含CO2天然气和CO2驱伴生气相态变化理论模型 并进行相应的理论计算及分析 为CO2气田及高含CO2天然气集输 液体CO2长距离管道输送及不同CO2含量天然气的防冰堵研究提供依据 7 一 研究目的及内容 2主要研究内容 2 2CO2气田 高含CO2天然气及CO2驱伴生气集输系统仿真分析研究 1 建立能适合CO2气田 高含CO2天然气气田的各种物性参数计算模型 为各种工艺仿真提供依据 2 针对CO2气田 高含CO2天然气及CO2驱伴生气集输系统 建立流体流动单相和多相输送仿真模型 3 模型求解 编制软件 4 针对各种可能的输送方案进行仿真分析 确定沿线各节点合理的压力 温度 流速 气液比分布 预测水合物生成条件 筛选合适的方案 8 一 研究目的及内容 2主要研究内容 针对各种集输条件 测试不同CO2含量的水合物生成条件与不同抑制剂及其浓度筛选评价测试线 1 在对实际流体进行取样后 进行水合物生成条件预测 2 筛选适合CO2气田 高含CO2天然气 CO2驱伴生气和液体CO2的水合物生成条件预测模型 3 选择不同水合物抑制剂 对管输介质进行水合物抑制效果对比 以选择合适的抑制剂 4 利用室内试验对水合物抑制剂使用效果进行对比分析 以推荐出合适的抑制剂进行现场试验 2 3高含CO2天然气水合物生成与防治技术研究 9 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 加拿大DBR JEFRI无汞高温高压地层流体分析仪 1实验装置 10 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 2实验样品 表1天然气摩尔组成 11 CO2含量为100 40 时 CO2的P T相图Pc 6 79MPa Tc 31 69 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 3实验结果 12 CO2含量90 40 时 P T相图 Pc 8 642MPa Tc 26 74 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 13 CO2含量为30 40 时 天然气的P T相图Pc 8 152MPa Tc 23 09 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 14 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 10 CO2含量天然气相态测试数据 3实验结果 15 二 CO2 高含CO2天然气相态特征实验 4不同CO2含量天然气的相态特征对比 40 16 1物性参数计算模型的筛选和建立 在室内相态实验的基础上 对气体压缩因子 焓 熵 密度 粘度等物性参数的计算方法进行了筛选 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 17 1 1各方程适用范围 通过对BWRS SRK PR RK状态方程的对比分析 得到了各方程的适用范围 误差小于4 时 如表所示 对于CO2 高含CO2天然气 当系统压力不超过15MPa时在各种气体状态下均推荐使用BWRS状态方程 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 18 18 RK方程 SRK方程 PR方程 BWRS方程 1 2焓的计算值与标准值对比 5 CO2 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 19 19 以通用气体焓的修正图为标准 分别利用四个状态方程进行焓的计算 将得出的焓差值与查图得出的值进行误差计算 以误差不超过5 来确定各方程的适用范围 1 2焓的计算值与标准值对比 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 20 20 RK方程 SRK方程 PR方程 BWRS方程 1 3熵的计算值与标准值对比 5 CO2 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 21 21 1 3熵的计算与分析 以通用气体熵的修正图为标准 分别利用四个状态方程进行熵的计算 将得出的熵差值与查图得出的值进行误差计算 以误差不超过5 来确定各方程的适用范围 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 22 绘制P T相态图实际上是求解混合气泡露点的过程 求解混合气的泡露点 2 求出真实气液平衡常数K 1 求解气化率e 3 判断是否处于泡点或露点 求平衡常数K 判断 求解气化率e 1 4高含CO2天然气相图绘制 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 23 在实验值和理论计算的基础上得到了CO2含量从10 100 时的相图 1 4高含CO2天然气相图绘制 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 24 气态CO2的粘度可通过查表获得 且因变化不大 可在整条管线的设计中取一个定值 1 5高含CO2天然气粘度计算 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 25 对于超临界CO2的粘度 对Dean和Stiel所提出的高压非极性气体混合物的粘度模型的修正方法 修正后的计算结果 同超临界CO2粘度的实测之间 平均偏差为4 2 对式中两个可调参数k0 kl两参数进行优化 优化后的值为k0 1 015 kl 1 110 1 5高含CO2天然气粘度计算 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 26 对下图所示超临界CO2粘度实验值进行数值拟和得到超临界CO2粘度计算公式 1 5高含CO2天然气粘度计算 压强 MPa 8 20Mpa 温度 20 100 粘度 式中 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 27 结论 BWRS方程适用于高含CO2天然气的密度计算 实际应用时只需对临界压力附近的计算结果进行单独的修正 1 6高含CO2天然气密度计算 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 28 输送过程中CO2在管道内保持气相状态 通过压缩机压缩升高输送压力 对于CO2气井 其开采出的气体多处于超临界状态 在进入管道之前需要对其进行节流降压 以符合管输要求 同样在对CO2气体增压时 压力不可过高 以免超过其临界压力 进入超临界态 2CO2 高含CO2天然气输送工艺 2 1气态相输送工艺 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 29 输送过程中CO2在管道内保持液相状态 通过泵送升高输送压力以克服沿程摩阻与地形高差 通常 要获得液态二氧化碳 需要对其进行冷却 最为常见的方法是利用井口气源自身的压力能进行节流制冷 为了保护增压泵 必须保证CO2在进入之前 已转化为液态 同时在泵送增压之后 也有必要设置换热器冷却CO2 2 2液相输送工艺 2CO2 高含CO2天然气输送工艺 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 30 CO2保持超临界状态 通过压缩机增压时 必须将CO2从稠密蒸汽状态 densevaporphase 转化为气态 方可进入压缩机 再气化是通过换热器对CO2升温实现的 与气态输送不同 超临界输送需要设定最低运行压力以保持其稠密相态 2 3超临界输送工艺 2CO2 高含CO2天然气输送工艺 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 31 2CO2 高含CO2天然气输送工艺 在工艺计算中 为了使计算问题简化 可以采取强迫单相 气相 液相 超临界 的计算方式 即按照单相流动的方式进行计算 然后将计算结果在相图中进行校核 如果管道进入多相区 则对工艺参数进行调整后再进行计算 针对CO2在管道输送中 随着管道压力 温度的变化而产生相变的问题 可以按照湿气输送方式 实时计算CO2在管道中的相变过程 确定管道各截面的持液率 压力 温度等参数 针对CO2驱伴生气输送 可以采取气液两相流的输送方式 首先根据管道中油 水 气的输量确定流型 然后采用相应的工艺计算模型计算管道沿线的压力 温度条件 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 32 3 CO2 高含CO2天然气管道动态仿真基本方程 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 33 4 CO2 高含CO2天然气管道静态仿真基本方程 当气体的挠动程度较小时 我们可近似将它看为稳定流动 即管道内气体各点参数可视为不随时间变化 对以上三式求解可得 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 34 5 非管元件基本方程 离心压缩机模型 调压阀模型 储气田模型 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 35 6 摩阻计算公式 层流 光滑区 混合摩擦区 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 36 阻力平方区 1 威莫斯 Weymouth 公式 2 潘汉德尔 Panhandle A式 3 潘汉德尔 Panhandle B式 4 全苏天然气研究所早期公式 5 全苏天然气研究所近期公式 6 普朗特 卡门公式 7 柯尔布鲁克 怀特公式 8 米勒公式 6 摩阻计算公式 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 37 正特征线方程C 负特征线方程C 温度特征线方程V 7 仿真模型求解 特征线法 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 38 如图1 在平面上 取距离步长为 时间步长 为了保证解的稳定和收敛 二者必须满足的收敛条件 用有限差分方程对三组特征线方程作数值解 如图2所示 我们可以用1 2 3点的参数求出4点参数 图2特征线差分格式 图1特征线法差分网格 特征方程的差分方法 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 39 将特征方程中的系数计为C1 L1 C2 L2 C3 L3 则原方程可变形为 离散化 7 仿真模型求解 特征线法 通过迭代计算 便可得到各时间层的压力 流量 温度等参数 实现对管道的防真 三 CO2 高含CO2天然气集输系统单相流仿真 40 管道仿真系统 PES 是一套能服务于管网系统设计 改造以及运行分析和调度管理等方面的多功能软件包 它既可单独用于矿场集输管网 干线的仿真 又可用于这些管网组合形式的仿真 四 CO2 高含CO2天然气管道系统仿真软件开发 CO2 高含CO2天然气管道设计方案分析及评价CO2 高含CO2天然气管道改造方案分析及评价CO2 高含CO2天然气管道调度方案分析及评价CO2 高含CO2天然气管道储气能力分析CO2 高含CO2天然气管道调峰方案分析CO2 高含CO2天然气管道运行状态分析 主要功能 41 四 CO2 高含CO2天然气管道系统仿真软件开发 图1软件主要界面 图2常用工具栏 图2元件类型 42 四 CO2 高含CO2天然气管道系统仿真软件开发 该管网由21根管道和16个节点组成 通过对图形组态以及对管道 节点属性编辑后 就可以进行静态和动态仿真 实例分析 43 四 CO2 高含CO2天然气管道系统仿真软件开发 仿真结果 节点10 11动态仿真结果 管道12上 下端动态仿真结果 系统仿真结果实时显示 44 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 图1气体水合物的晶格 图2水合物的形成过程示意 图3水合物形成的自催化反应机理 45 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 DBR水合物测试仪 30 150 21MPa 实验测试设备 46 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 1高含CO2天然气水合物生成条件实验 图110 CO2气体水合物生成曲线 图230 CO2气体水合物生成曲线 图350 CO2气体水合物生成曲线 图470 CO2气体水合物生成曲线 图590 CO2气体水合物生成曲线 47 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 2高含CO2天然气水合物抑制剂评价实验 乙二醇做抑制剂 30 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 50 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 70 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 90 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 48 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 3高含CO2天然气水合物抑制剂评价实验 对比分析 10 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 30 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 50 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 70 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 90 CO2浓度气体抑制剂评价曲线 实验结果显示 甲醇的水合物抑制效果优于乙二醇 且甲醇的用量小于乙二醇 49 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 4高含CO2天然气水合物生成条件预测模型 采用最小二乘法对以上实验数据进行拟合 得到了高含CO2天然气的水合物形成条件预测模型 4 1无抑制剂时的预测模型 CO2摩尔百分比 水合物形成压力 MPa 水合物形成温度 MPa 式中 50 五 高含CO2天然气水合物生成与防治技术 4 2乙二醇 21 8 作抑制剂时的预测模型 CO2摩尔百分比 水合物形成压力 MPa 水合物形成温度 MPa 式中 51 六 CO2输送管道方案论证 针对长深4井 黑59区块的具体情况 对以下内容进行了论证 1 将长深4井由10 6MPa 20 节流到5 0MPa 40 需要几级加热 每级热负荷为多少 并给出每级加热节流的温度和压力 2 将长深2井由16 4MPa 20 节流到6 0MPa 40 需要几级加热 每级热负荷为多少 并给出每级加热节流的温度和压力 3 气体从长深2井输到长深4井 距离8km 到长深4井后与长深4井的气混合输到8km以外的黑59区块 压力为4 0MPa 要求两段输送过程全部为气体 不能发生相变 计算每段管线的管径和长深4井 长深2井得到出口温度 52 六 CO2输送管道方案论证 1气体从长深2井输到长深4井 气量 10万方 天井口流动压力 16 4MPa井口温度 20 组分 V CO297 39 C12 47 N20 15 1 1节流加热方案 1 2管输方案 53 六 CO2输送管道方案论证 1 3压力温度分布及相态特征 54

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