天然气集输 第二章

天然气集输第二章第1页，共48页，2023年，2月20日，星期六2第一节天然气含水量的计算一、天然气含水量表示方法1、湿含量1）绝对湿含量2）饱和湿含量3）相对湿含量第2页，共48页，2023年，2月20日，星期六34）天然气的露点和露点降天然气的露点是指在一定的压力条件下，天然气中开始出现第一滴水珠时的温度。天然气的露点降是在压力不变的情况下，天然气温度从一个露点降至另一个露点时产生的温降值。通常，要求埋地输气管道所输送的天然气的露点温度比输气管道埋深处的土壤温度低5℃左右。第3页，共48页，2023年，2月20日，星期六4

2、天然气含水量的各种物理量之间的关系1）露点—饱和温度2）饱和—相对湿度最大值3）露点降—干燥程度高低、相对湿度大小第4页，共48页，2023年，2月20日，星期六5二、天然气含水量的估算

（一）非酸性天然气的含水量1、Mcketta-Wehe算图第5页，共48页，2023年，2月20日，星期六6第6页，共48页，2023年，2月20日，星期六72、公式法第7页，共48页，2023年，2月20日，星期六8第8页，共48页，2023年，2月20日，星期六92）Bukacek法3）Kaziam法压力为2~8MPa，温度小于82℃压力在1.4~21MPa范围内第9页，共48页，2023年，2月20日，星期六10（二）酸性天然气的含水量1、坎贝尔辅助算图第10页，共48页，2023年，2月20日，星期六112、Wichert辅助算图1molCO2将向混合物中带入的水量相当于0.75molH2S将带入的水量图2.3Wichert辅助算图第11页，共48页，2023年，2月20日，星期六123、直接查算法第12页，共48页，2023年，2月20日，星期六13第二节天然气水合物的形成条件预测一、水合物的结构和形成条件在0℃以上的一定温度和有液相水存在的条件下，天然气中的某些组分能和液态水形成一种白色结晶固体，外观类似于松散的冰或致密的雪，密度为0.88～0.9g/cm3，人们称其为水合物。水合物的形成会使输气管道和设备堵塞，影响集输的正常进行。第13页，共48页，2023年，2月20日，星期六14图2.6天然气水合物的笼单元及晶胞（a）笼形空腔；（b）晶胞第14页，共48页，2023年，2月20日，星期六15水合物形成的条件有三：（1）天然气的含水量处于饱和状态（2）压力和温度天然气处于足够高的压力和足够低的温度时表2-3天然气生成水合物的临界温度组分名称CH4C2H6C3H8iC4H10nC4H10CO2H2S临界温度，℃21.514.55.52.51.010.029.0

（3）流动条件突变第15页，共48页，2023年，2月20日，星期六16二、形成水合物的温度或压力的预测1、相平衡常数法第16页，共48页，2023年，2月20日，星期六17图2.7气­—固平衡常数第17页，共48页，2023年，2月20日，星期六18水合物形成温度的计算假设T查组分的Ki计算yi/Ki∣∑yi/Ki-1

∣<ε结束调整T=T′否是第18页，共48页，2023年，2月20日，星期六192、相对密度法(1)水合物生成的平衡曲线相对密度曲线法。第19页，共48页，2023年，2月20日，星期六20

图2.8是不含H2S和CO2的，如果H2S和CO2含量小于1%(mol%)，也可应用此图。P*与气体相对密度有关第20页，共48页，2023年，2月20日，星期六213、Baillie-Wichert法第21页，共48页，2023年，2月20日，星期六22

4、统计热力学模型法5、管线水合物形成温度经验计算公式第22页，共48页，2023年，2月20日，星期六23第三节天然气水合物的防止一、限制天然气在集输中的温度降1、限制节流时的节流程度第23页，共48页，2023年，2月20日，星期六242、提高天然气流动温度，防止水合物生成天然气经过节流降压，温度降低现象，称之为焦耳－汤姆逊效应。第24页，共48页，2023年，2月20日，星期六25图2.13第25页，共48页，2023年，2月20日，星期六26

如果知道天然气的相对密度（或组成）、初始压力，初始温度和最终压力，就可以判断是否会形成水合物。第一步计算节流后的温度降（ΔT）第二步计算节流后的温度

T2=T1-ΔT第三步计算形成水合物的温度(节流后)TC第四步判断是否形成水化物T2＞TC不形成水合物，T2＜TC形成水合物第26页，共48页，2023年，2月20日，星期六27

对于天然气由于压降所引起的温度变化，也可以用经验公式计算：Di——焦耳汤姆逊效应系数，℃/MPa；

TC——气体临界温度，K；

PC——气体临界压力，Pa；

Pr，Tr——对比压力，对比温度；

CP——定压比热，kJ/(kmolK)。第27页，共48页，2023年，2月20日，星期六28f(Pr，Tr)用下式计算：

Cp用下式计算：T——节流前后温度平均值，K；

M——气体平均分子量；

P——节流前后压力平均值，Pa。第28页，共48页，2023年，2月20日，星期六29二、注入抑制剂防止天然气水合物形成天然气水合物抑制剂有甲醇和甘醇类化合物，如甲醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇。所有这些化学抑制剂都可以回收和再次循环使用，但在大多数情况下，回收甲醇的经济性是很差的。

第29页，共48页，2023年，2月20日，星期六30HO-CH2CH2-OH分子量：62沸点：197.3℃乙二醇蒸汽压：0.06mmHg/20℃甲醇CH3OH分子量：32沸点：65.4℃蒸汽压：410mmHg(50℃）第30页，共48页，2023年，2月20日，星期六31甲醇由于沸点较低，宜用于较低温度的场合，温度高时损失大，通常用于气量较小的井场节流设备或管线。甲醇富液经蒸馏提浓后可循环使用。第31页，共48页，2023年，2月20日，星期六32

甲醇可溶于液态烃中，其最大质量浓度约3%

。甲醇具有中等程度的毒性，可通过呼吸道、食道及皮肤侵入人体，甲醇对人中毒剂量为5～10毫升，致死剂量为30毫升，空气中甲醇含量达到39～65毫克/米3时，人在30～60分钟内即会出现中毒现象，因而，使用甲醇防冻剂时应注意采取安全措施。第32页，共48页，2023年，2月20日，星期六33

甘醇类防冻剂（常用的主要是乙二醇和二甘醇）无毒，沸点较甲醇高，蒸发损失小，一般都回收、再生后重复使用，适用于处理气量较大的井站和管线，但是甘醇类防冻剂粘度较大，在有凝析油存在时，操作温度过低时会给甘醇溶液与凝析油的分离带来困难，增加了凝析油中的溶解损失和携带损失。第33页，共48页，2023年，2月20日，星期六341）注入抑制剂防冻计算抑制剂富液浓度计算第34页，共48页，2023年，2月20日，星期六35式中：△T——形成水合物的温度降℃M——抑制剂的分子量K——常数，对于甲醇Kc=1297；乙二醇和二甘醇，取Kc=2220。x——在最终的水相中抑制剂的重量百分数（即富液的重量浓度）t1——对于集气管线，t1是在管线最高操作压力下天然气的水合物形成的平衡温度（℃），对于节流过程，则为节流阀后气体压力下的天然气形成水合物的平衡温度（℃）；

t2——对于集气管，t2是管输气体的最低流动温度（℃），对于节流过程，t2为天然气节流后的温度℃。第35页，共48页，2023年，2月20日，星期六36（３）抑制剂最低富液浓度校核

甘醇类化合物在低温下会丧失流动性。重量浓度为60%～75%第36页，共48页，2023年，2月20日，星期六37图2.14三种甘醇的“凝固点”图第37页，共48页，2023年，2月20日，星期六38（４）抑制剂注入量计算

①注入甘醇时：Ge—新鲜甘醇注入量，kg/d；qv—天然气流量，Nm3/d；G—新鲜甘醇注入速率，kg/kg水；查图2-16；W1、W2—天然气在膨胀前后温度和压力条件下的饱和含水量，mg/m3；Wf—天然气中的游离水，mg/m3。第38页，共48页，2023年，2月20日，星期六39图2-16甘醇注入速率与浓度的关系第39页，共48页，2023年，2月20日，星期六40②注入甲醇时：Gm—甲醇注入量，kg/d；qv—天然气流量，Nm3/d；Gs—液相中甲醇量，mg/m3；Gg—甲醇气相损失，mg/m3。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期六41Gs—液相中甲醇量，mg/m3；Gg—甲醇气相损失，mg/m3；x—甲醇富液浓度，%（质）；C—注入甲醇溶液的浓度，%（质）；W1、W2—天然气在膨胀前后温度和压力条件下的饱和含水量，mg/m3；Wf—天然气中的游离水，mg/m3。第41页，共48页，2023年，2月20日，星期六42Gg—甲醇气相损失，mg/m3；X—甲醇富液浓度，%（质）；α—甲醇在气体中的含量（g/m3）与甲醇在水中质量百分数的比值；查图2-17。C—注入甲醇溶液的浓度，%（质）；第42页，共48页，2023年，2月20日，星期六43２）防冻剂的注入方式采用计量泵泵送三、动力学抑制剂法（1）动力学抑制剂作用原理分为水合物生长抑制剂、水合物聚集抑制剂和具有双重功能的抑制剂。第43页，共48页，2023年，2月20日，星期六44动力学抑制剂的使用浓度一般在0.01％～0.5％之间，分子量从几千到几百万，与热力学抑制剂相比，使用成本可降低50％以上，并可大大减小储存体积和注入容量，使用和维护都很方便。第44页，共48页，2023年，2月20日，星期六45①表面活性剂类聚氧乙烯壬基苯基酯、十二烷基硫酸钠、12－14羧酸与二乙醇胺的混合物、聚丙三醇油酸盐等。在管道中应用非离子表面活性剂，将产生大量小直径的水合物微粒，能有效防治其聚集。第45页，共48页，2023年，2月20日，星期六46②聚合物类N－乙烯基吡咯烷酮、(N，N二甲胺)甲基丙烯酸乙酯、N－乙烯基己内酰胺、N－酰基聚烯烃亚胺、聚异丙基甲基丙烯酰胺、N，N烷基丙稀酰胺、丙烯酸酯、N－甲基－N－乙烯基乙酰胺等。作用机理是通过共晶或吸附作用，阻止水合物晶