【正文】 在此將 W?? 分為三項(xiàng)，分別代表溫度，壓力和抑制劑的貢獻(xiàn) 0( ) lnWWF T p V RT a?? ? ? ? ? (410) 由 ,0if 的物理意義有 ,0 22( ) 1expi iFTf R T C????????? (411) ,0 ,0( ) ( ) ( )i iT Wf f T f p f a? (412) 02( ) exp Vpfp RT ????? ???? (413) 221/1/,0() WWWWff a a f ?? ?? ???? ???? (414) 式 (413)中 0V? ， 2? 都只與水合物結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，因此可以合并 0( ) exp pfp T???? ???? (415) 此時(shí)的熱力學(xué)模型成為 ,0 11(1 )ki i i iif x f ???? ? ? ? (416) 當(dāng)系統(tǒng)中不含抑制劑，一致性地假設(shè) ()Wfa =。如果 ,0if 僅是溫度和函數(shù)，那么 ,0if 就完全可以物征化，即它只與組分 i 的特性及溫度有關(guān)，與系統(tǒng)壓力及其它組分的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 W?? 的計(jì)算更復(fù)雜，許多參數(shù)需要給定而這些參數(shù)在不同文獻(xiàn)中的報(bào)道值差別較大，一致性很低，因此對(duì)一些常數(shù)進(jìn)行特征化處理。 Ci僅是溫度的函數(shù)， W?? 與溫度和壓力都有關(guān)系，但在壓力較低時(shí)，受壓力的影響較小。它適合于大分子氣體水合物生成條件的預(yù)測(cè)。 1． 多元?dú)怏w水合物生成條件的預(yù)測(cè) (1) 基本方程 由 ChenGuo 熱力學(xué)模型可得，平衡氣相中 k 元?dú)怏w水合物的逸度為： 11221ex p ( 1 )kWi i iiifx RT C ?? ??????? ? ? ????? ? (41) 11111iiikiiiCfCf???? ? (42) 1 kii x? ?? (43) 令 ,0 221exp Wi if R T C??????????? (44) ,0if 的物理意義為純基礎(chǔ)水合物組分 i（小孔全空）在當(dāng)前系統(tǒng)溫度下的平衡蒸汽逸度。因此，有必要對(duì)天然氣水合物生成條件做出預(yù)測(cè)。 預(yù)測(cè)模型建立過(guò)程 在天然氣開(kāi)采及集輸過(guò)程中，時(shí)有水合物堵塞的現(xiàn)象發(fā)生，影響正常生產(chǎn)。 5． 不考慮擾動(dòng)對(duì)天然氣形成水合物的影響。 3． 當(dāng)混合氣中同時(shí)存在可形成水合物結(jié)構(gòu) I 和水合物結(jié)構(gòu) II 的組分時(shí)，則需按形成水合物結(jié)構(gòu) I 和水合物結(jié)構(gòu) II 兩種方案進(jìn)行計(jì)算，最后選較低的壓力作為該混合氣生成水合物 時(shí)的最低壓力。本研究以輸氣管道基本方程導(dǎo)出的平坦地區(qū)和起伏地區(qū)輸氣管道流量與壓力關(guān)系的基本公式為基礎(chǔ)，計(jì)算管線壓力 分布，并結(jié) 合 熱力計(jì)算實(shí)現(xiàn)輸氣管道工況模擬。 天然氣水合物臨界生成溫度預(yù)測(cè)模型 預(yù)測(cè)模型遵循的原則 本研究主要預(yù)測(cè)在已知?dú)赓|(zhì)條件下，水合物形成的溫度或壓力，即氣質(zhì)條件確定時(shí)，水合物形成溫度壓力組合。 (5) 注醇 于 干線異常點(diǎn)上游閥室。如果沒(méi)有異常壓差，說(shuō)明已經(jīng)解堵。 (3) 經(jīng)過(guò)前兩個(gè)步驟，如果關(guān)閉 RTU 閥室之后下游各管段沒(méi)有壓差，即表明該閥室下游壓力均衡，此時(shí)可打開(kāi)該閥室的旁通閥，為下游緩慢供氣。 主要通過(guò) 管道壓力 、 地形位置和上下游位置簡(jiǎn)略判斷 是否發(fā)生水合物冰堵，一旦發(fā)生，應(yīng)關(guān)閉堵塞的前一個(gè) RTU 閥室 (盡量保證一段時(shí)間內(nèi)滿足下游供氣 )，觀察壓力變化情況，并立即派人到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，下游各站需同時(shí)解除 GOV 閥的自動(dòng)截 斷功能 。在確定管道某點(diǎn)發(fā)生水合物冰堵時(shí)，應(yīng)采用以下步驟處理已經(jīng)形成的水合物 [67] 。 輸氣管道水合物處理 步驟 天然氣管道中的水合物是逐漸形成的，不會(huì)在瞬間形成并堵塞全部管道。 腐蝕管線 管道中的游離水是造成管道內(nèi)腐蝕的主要原因，沒(méi)有游離水也就削弱了電化學(xué)反應(yīng)的主要因素 ， 也就形成不了電子流動(dòng)的主要回路 ， 從而腐蝕過(guò)程將會(huì)削弱。 圖 33 天然氣 管道水合物預(yù)測(cè)分析軟件界面 圖 34 軟件溫度預(yù)測(cè)求解模塊 西南石油大學(xué)碩士 研究生 學(xué)位論文 17 第 4 章 天然氣 管道線路 水合物形成研究 天然氣水合物對(duì) 干線輸氣管道 的影響 水合物的形成不僅會(huì)對(duì)管道設(shè)備設(shè)施造成影響，管道線路同樣會(huì)受到嚴(yán)重影響，尤其是在形成水合物之前或在水合物降解分離之后的游離水都會(huì)給管道運(yùn)營(yíng)帶來(lái) 不安全因素 ， 帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，下面主要分析 水合物的存在 對(duì)管道線路 的影響 ： 產(chǎn)生冰堵 在管道輸氣干線，由于投產(chǎn)初期，管道中因水壓測(cè)試有殘余的游離水存在，尤其是在低洼處，或是清管較少的復(fù)雜管段，在冬天溫度較低時(shí)就非常容易形成水合物，從而導(dǎo)致冰堵現(xiàn)象的發(fā)生，影響正常輸氣生產(chǎn)和在運(yùn)管線安全，嚴(yán)重的可導(dǎo)致停輸事件發(fā)生。見(jiàn)圖 33 所示，該件提供了兩種預(yù)測(cè)模型，一種是已知組分，通過(guò)壓力求得水合物生成的溫度條件，一種是已知組分，通過(guò)溫度求水合物生成的壓力條件。本研究是采用陳光進(jìn)和郭天民（分別于 1996 年和 1998 年）提出的一個(gè)基于水合物生成動(dòng)力學(xué)機(jī)理的水合物模型（ Chen amp。依據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB 50251200； ASMEB ，輸氣和配氣管道系統(tǒng)；《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 501832020； SY/T00552020，長(zhǎng)距離輸油輸氣管 道測(cè)量規(guī)范； SY/ 一 1999《石油工業(yè)應(yīng)用軟件工程規(guī)范》，中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，利用圖 31，32 可以預(yù)測(cè)水合物生成。值得注意的是，這種情況容易把它誤判為管線冰堵。通常表現(xiàn)為管線的出站與進(jìn)站壓力均以相同的幅度變化，兩端壓差基本保持不變 。通過(guò)關(guān)閉導(dǎo)壓管氣源閥，用開(kāi)水澆淋堵塞點(diǎn)，吹掃導(dǎo)壓管解除堵塞。 2． 導(dǎo)壓管。當(dāng)一、二級(jí)節(jié)流處有水合物堵塞時(shí)，表現(xiàn)為節(jié)流閥前的壓力上升 ， 且輸壓與瞬時(shí)產(chǎn)量都會(huì)呈下降趨勢(shì)。正是由于站內(nèi)發(fā)生冰堵的位置多變，這就 需要迅速而又準(zhǔn)確地判斷出冰堵的具體位置。 站場(chǎng)水合物形成原因及位置分析 天然氣長(zhǎng)輸管線由于 分輸站場(chǎng)較多，輸壓較高，站場(chǎng)背壓升高為水合物形成提供了有利條件 ； 站場(chǎng)分離器的分離效果不好，孔板上會(huì)留有大小不一的水珠，下閥腔排污有大量的水存在使得在站內(nèi)的一、二級(jí)節(jié)流處和各變送器導(dǎo)壓管等處易形成水合物 [61~63]。 凍裂設(shè)備 由于管線中水合物的存在，造成閥門或管線凍裂。如由于水合物的存在，加上環(huán)境溫度過(guò)低，導(dǎo)致氣液聯(lián)動(dòng)閥電子控制單元引壓管堵塞，從而不能正確的反映管線壓力變化有的甚至導(dǎo)致閥門的誤關(guān)斷。這些故障都意味 著調(diào)壓裝置喪失調(diào)壓功能，無(wú)法正常對(duì)下游用戶進(jìn)行分輸。這一類的冰堵經(jīng)常發(fā)生的部位為調(diào)壓裝置上或者調(diào)壓裝置后。 站場(chǎng)水合物對(duì)輸氣場(chǎng)站設(shè)備危害分析 調(diào)壓裝置的影響 由于天然氣的的節(jié)流效應(yīng)，天然氣氣流在節(jié)流處會(huì)產(chǎn)生急劇的溫降，節(jié)流壓降越大，溫降就越大 [60]。 天然氣管道水合物的預(yù)測(cè)和防治 研究 14 第 3 章 天然氣 管道 站場(chǎng)水合物形成預(yù)測(cè)分析 引言 天然氣 分 輸站場(chǎng)一般擔(dān)負(fù)著分離、清管、節(jié)流、降壓等功能。即便是氣體速度增大帶來(lái)的相間作用力增大，也較重力作用弱。 上傾管路， 傾角不為零，重力作用是管道傾角的作用體現(xiàn)。 當(dāng)動(dòng)力 阻力時(shí)，部分液體加速運(yùn)動(dòng)，被氣體攜帶向前，持液率會(huì)下降，但是如果動(dòng)力 阻力，速度減小，液體積聚象，持液率增加 [58]。 起伏地形對(duì)流體 管道力學(xué)作用的影響 將 流體 管壁 作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析 ， 主要有壓力、氣體對(duì)液體的作用力 (包括摩擦剪切、沖擊以及火帶作用 )，液體與管壁之間的摩擦力，還有由于傾角作用而受到的重力作用。其次為間歇流，因?yàn)橛捎诖嬖谝喝?，氣體有時(shí)會(huì)沖擊液體向前流動(dòng)，使液體流速加快，所以導(dǎo)致持液率降低。根據(jù)均相流模型的假設(shè)條件，得到均相流基本流動(dòng)方程 [57]： 連續(xù)性方程 ： ? ? ? ? 0m A GAtx??????? (21) 動(dòng)量方程 ： 22( 1 ) ( 1 )g l g l l l g l g l l lH A w H A w A H w H wtx? ? ? ??? ????? ? ? ? ??? ?? = si ng l mPA gAx ? ? ? ??? ? ? ?? (22) 能量方程 ： ?2 2 2 21 1 1 1( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( )2 2 2 2lg l g l l l g l g l l l lH A w H A U w d x G A H A U g w H A U w d xtx? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ?g（ U+ ） = () sinmPmd Q G A G A g d xx? ?????? (23) 式中 x表示氣液兩相流體流動(dòng)方向 ； 西南石油大學(xué)碩士 研究生 學(xué)位論文 13 t時(shí)間 ； lH 持液率 ； g? , l? 氣、液相密度， kg/m3； g? ， l? 氣、液相單位長(zhǎng)度剪切力， N/m； P氣液相界面壓力， Pa； gU , lU 氣、液相單位質(zhì)量的內(nèi)能， J； Q流體與環(huán)境的熱量交換， J； ? 管道傾角，弧度。此時(shí)，氣液混合物可看作氣、液相間無(wú)滑脫的均勻混合物。可以從作用的氣強(qiáng)度上分析氣體的持液能力 [56]。 (3) 間歇流，包括氣團(tuán)流和段塞流，其特征是氣液兩相間歇流動(dòng)，對(duì)于整條管路來(lái)講氣相和液相都不是連續(xù)相。 (1) 彌 散流，包括氣泡流和霧狀流，在這種流型下，氣體或液體以氣泡或液滴的形式均勻地分散于另一相中。 (7) 霧狀流，當(dāng)氣體流速更大時(shí)，環(huán)狀液層被氣體吹散，以液霧的形式隨高速氣流向前流動(dòng)。起初，氣體將液體的斷面壓縮成新月形。氣體流速更大時(shí)，波浪加劇，波峰高達(dá)管頂時(shí)形成液塞，阻礙高速氣體的通過(guò)，進(jìn)而又被氣體吹散并帶走一部分液體。 (4) 波狀流，氣量進(jìn)一步增大，氣體流速提高，在氣液界面上出現(xiàn)波浪。 (2) 氣團(tuán)流 ， 隨著氣量增大，形成較大的氣團(tuán)，在管路上部同液體交替流動(dòng)?？梢圆捎糜^察法、高速攝影法、射線衰減法等方法來(lái)識(shí)別，流型不同，兩相流體的流體力學(xué)特性和傳熱特性也不相同， 目前，對(duì)氣液兩相流動(dòng)流型的劃分有以下兩大類 [55]。 (10) 流型 ： 流型不同，氣液之間作用的形式就不同 [54]。此外，傾角也會(huì)影響到流型，從而影響持 液率。這時(shí)候兩相之間摩擦剪切碰撞之類的作用就減弱，持液率就會(huì)增大，這時(shí)候又會(huì)勢(shì)必增大液體的過(guò)流面積，這樣最終直至兩相重新達(dá)到流動(dòng)平衡。所以流體就會(huì)發(fā)生膨脹或收縮，流體的體積流量就會(huì)增大或減小，如果界面含液率不變，單相流體的過(guò)流面積就不變，流體的流速就會(huì)增大，兩相之間會(huì)產(chǎn)生碰撞摩擦剪切之類的作用會(huì)增大，氣體就會(huì)攜 帶更多液體向前，截面持液率就會(huì)下降，液體的過(guò)流面積減小，這樣直至兩相重新達(dá)到新的平衡。 (6) 壓力 ： 和溫度一樣，通過(guò) 影響物性 和 相間傳質(zhì) 進(jìn)而 影響 流速和 流量 變化 [52,53]。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，管道 的壓降和溫降對(duì)十氣體的密度而言，他們的變化趨勢(shì)呈相互抵消之勢(shì)，所以這時(shí)候管道沿程的持液量不一定會(huì)增大 [51]。在滑脫比一定的情況下，如果氣液比大，含的氣體越多，氣體的動(dòng)能就越大，沖擊攜帶作用就會(huì)強(qiáng)，所以持液率就會(huì)變小。在兩相流量一定的情況下，如果滑脫比比較小，就意味著液體與氣體的流動(dòng)速度越接近，說(shuō)明氣體的持液能力強(qiáng)，反之，如果滑脫比比較大，就會(huì)有較少的液體被攜帶。氣體速度越大，流體在流動(dòng)時(shí)，兩相之間會(huì)產(chǎn)生碰撞摩擦剪切之類的作用，從而產(chǎn)生能量和質(zhì)量的傳遞，所以氣體就越具有較強(qiáng)的持液能 力。 (2) 密度 ： 密度大，動(dòng)能大，對(duì)液體做功能力 就 大，攜液 能力就越強(qiáng) ， 就會(huì)攜帶更多的液體向前流動(dòng)。而這些因素之間并不是孤立 的對(duì)管道壓差乃至水合物形成產(chǎn)生影響，但同時(shí)都會(huì)對(duì)持液率產(chǎn)生影響，因此只需要通過(guò)分析它們之間互相作用的關(guān)系以及對(duì)氣體持液帶來(lái)的影響來(lái)深入研究持液機(jī)理，從而得出起伏地形對(duì)水合物的影響即可。因此，高低起伏的復(fù)雜地形也是影響水合物形成的非常重要的影響因素 [46]。 當(dāng) 擾動(dòng)強(qiáng)度增加 ， 氣體和水就 可獲得較大的接觸面積，而較大的接觸面積可以使氣相進(jìn)入液相的速度加快 ， 因此 ， 在一定時(shí)間內(nèi)水中有了較高濃度的氣體 ， 水合物成核就較快。 起伏地形 對(duì)流體性質(zhì)的影響 由于地形起伏會(huì)造成部分管道有較大的高差。 2． 游離水對(duì)天然氣水露點(diǎn)