高含CO_2天然氣管道輸送技術(shù)研究

【摘要】：目前,我國已發(fā)現(xiàn)多個不同CO2含量的天然氣氣田,如：長慶長北氣田(CO2含量5.321%),江蘇黃橋氣田(CO2含量90～99%),廣東三水氣田(CO2含量84～99%),吉林萬金塔氣田(CO2含量90～99%)等。高含CO2天然氣開采出來后需要通過集輸管道輸送到處理廠進行CO2和天然氣的分離；分離出的CO2也需要通過管道或車船等運輸方式輸送到消費市場用于化工生產(chǎn)、油氣開采、消防、食品加工等。然而由于CO2的熱物性特點(純CO2臨界溫度為304.25K,臨界壓力為7.36MPa),當純CO2或含CO2天然氣進行管道輸送時,其工況明顯不同于常規(guī)天然氣,如容易出現(xiàn)氣相、液相、超臨界的相互轉(zhuǎn)換等,所有這些給含CO2天然氣管道的設(shè)計和管理帶來了新的課題。 針對高含CO2天然氣和純CO2管道輸送過程中的有關(guān)工藝設(shè)計和計算問題,采用實驗和理論研究相結(jié)合的方法,首先評價和篩選了高含CO2天然氣物性參數(shù)和相態(tài)的計算方法；研究了管道設(shè)計過程中的管徑優(yōu)選問題；討論了高含CO2天然氣水合物預測與防止問題；最后分別考慮氣相、液相、超臨界三種情況,基于管道輸送基本方程和特征線求解方法,開發(fā)出了CO2管道仿真系統(tǒng)軟件。取得的主要成果如下： (1)對4種CO2含量(10%、50%、90%、100%)氣體樣品進行配制,在-10～40℃、0～15MPa范圍內(nèi),對壓縮因子、密度、粘度、泡點、露點等參數(shù)進行實驗測試,獲得了完整的實驗數(shù)據(jù),為高含CO2天然氣物性參數(shù)計算方法的篩選修正提供了依據(jù)；實驗還表明：當壓力、溫度相同時,隨著天然氣中CO2含量的增加,天然氣相對體積、密度、粘度總體均呈增大的趨勢,而天然氣壓縮因子、體積系數(shù)則呈降低的趨勢。 (2)針對5種CO2含量(10%、30%、50%、70%、90%)與甲醇(質(zhì)量濃度16.5%、34.6%)、乙二醇(質(zhì)量濃度21.8%、42.6%)2種抑制劑在0～15MPa范圍內(nèi)進行水合物生成溫度測試。結(jié)果顯示,在實驗條件范圍內(nèi),加甲醇可以降低水合物生成溫度15～18℃左右,加乙二醇可以降低水合物生成溫度6～10～C左右。從抑制效果來看,甲醇優(yōu)于乙二醇,且在同樣的抑制效果下甲醇的使用量低于乙二醇。 (3)在-10～40℃、0～15MPa范圍內(nèi),采用實驗數(shù)據(jù)評價RK、SRK、PR、BWRS氣體狀態(tài)方程,以誤差±5%為界,確定了各狀態(tài)方程的適用范圍(表3.2),通過對比發(fā)現(xiàn)BWRS方程的適用范圍相對較廣。因此,在實際計算中可依據(jù)不同的壓力、溫度具體選擇狀態(tài)方程計算物性參數(shù)以獲得更佳的計算精度。 (4)對比分析國外已有的CO2管道投資估算模型,結(jié)合我國管道投資實際情況,建立了適合我國實際情況的CO2管道投資費用估算模型,并得到了輸量與管徑、輸量與年折合費用、輸量與經(jīng)濟流速之間的關(guān)系,可為管道設(shè)計人員提供參考依據(jù)。 (5)采用實驗數(shù)據(jù)在0～15MPa范圍內(nèi)對用于水合物生成條件預測的Chen-Guo模型進行分析,發(fā)現(xiàn)Chen-Guo模型在計算高含CO2天然氣水合物生成溫度時的誤差在2-7℃內(nèi)。基于實驗結(jié)果對Chen-Guo模型進行改進,改進后的模型計算平均誤差小于0.25℃,能夠滿足CO2含量在10%～90%、壓力0～15MPa范圍的計算要求。 (6)在CO2氣相、液相輸送管道系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,考慮壓縮機、泵、閥門等非管元件,結(jié)合不同的初值條件、邊界條件,采用特征線求解方法,基于C#語言,開發(fā)了CO2管道仿真系統(tǒng)軟件,并針對氣相、液相、超臨界三種高含C02天然氣管道輸送管網(wǎng)進行了具體應(yīng)用,分析了各種管輸條件下管路沿線的溫度、壓力分布規(guī)律,預測管路沿線流體介質(zhì)的相態(tài)變化,證明了軟件和方法的合理性。 論文為CO2氣田和高含CO2天然氣氣田的有效開發(fā)利用以及CO2安全、經(jīng)濟、高效的管道輸送奠定理論基礎(chǔ),具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。 【關(guān)鍵詞】：CO_2 管道 物性 仿真 水合物 模型
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TE832.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-27
• 1.1 研究目的與意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-23
• 1.2.1 國內(nèi)外CO_2氣田及管道分布12-14
• 1.2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-23
• 1.3 主要研究內(nèi)容23
• 1.4 技術(shù)路線23-24
• 1.5 主要研究成果24-25
• 1.6 創(chuàng)新點25-27
• 2 高含CO_2天然氣相態(tài)特征實驗研究27-47
• 2.1 實驗測試流程27-28
• 2.2 實驗準備28-29
• 2.2.1 樣品的準備28
• 2.2.2 實驗條件28-29
• 2.3 PVT相態(tài)特征測試結(jié)果及分析29-46
• 2.3.1 組分1天然氣相態(tài)測試數(shù)據(jù)29-32
• 2.3.2 組分2天然氣相態(tài)測試數(shù)據(jù)32-37
• 2.3.3 組分3天然氣相態(tài)測試數(shù)據(jù)37-41
• 2.3.4 組分4天然氣相態(tài)測試數(shù)據(jù)41-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 3 高含CO_2天然氣物性參數(shù)計算模型47-63
• 3.1 壓縮因子計算47-51
• 3.2 焓的計算51-53
• 3.3 熵的計算53-55
• 3.4 比熱容的計算方法55
• 3.5 焦耳—湯姆遜系數(shù)的計算55-56
• 3.6 密度計算56-57
• 3.7 粘度計算57-59
• 3.8 相態(tài)包絡(luò)線計算59-61
• 3.9 本章小結(jié)61-63
• 4 高含CO_2天然氣輸送管道的經(jīng)濟性研究63-82
• 4.1 國外CO_2輸送管道經(jīng)濟性評價模型63-70
• 4.1.1 氣相CO_2管道投資預算模型63-64
• 4.1.2 液相、超臨界CO_2管道投資預算模型64-67
• 4.1.3 國外經(jīng)濟模型的對比分析67-70
• 4.2 適合我國的CO_2輸送管道投資及費用研究70-76
• 4.2.1 國內(nèi)管道項目投資及費用構(gòu)成70-72
• 4.2.2 適合我國的CO_2管道經(jīng)濟計算模型72-76
• 4.3 CO_2管道輸送方式選擇示例76-77
• 4.4 年折合費用及經(jīng)濟流速77-80
• 4.5 本章小結(jié)80-82
• 5 高含CO_2天然氣氣相輸送技術(shù)研究82-93
• 5.1 輸送流程82-84
• 5.2 管道仿真基本方程84-85
• 5.3 管道摩阻計算公式85-86
• 5.4 管道非管元件基本方程86
• 5.5 模型的求解86-92
• 5.6 本章小結(jié)92-93
• 6 高含CO_2天然氣液相輸送技術(shù)研究93-102
• 6.1 輸送流程93-94
• 6.2 管道仿真基本方程94
• 6.3 管道非管元件基本方程94-95
• 6.4 模型的求解95-101
• 6.5 本章小結(jié)101-102
• 7 高含CO_2天然氣水合物防止技術(shù)研究102-126
• 7.1 水合物的結(jié)構(gòu)形式102-103
• 7.2 水合物的形成過程103-104
• 7.3 水合物生成條件實驗104-105
• 7.4 水合物抑制劑評價實驗105-113
• 7.4.1 乙二醇作為抑制劑的效果評價實驗106-109
• 7.4.2 甲醇作為抑制劑的效果評價實驗109-112
• 7.4.3 兩種抑制劑的效果對比112-113
• 7.5 水合物預測模型研究113-125
• 7.5.1 高含CO_2天然氣水合物預測數(shù)值擬合模型113-114
• 7.5.2 Chen-Guo水合物預測模型的修正改進114-125
• 7.6 本章小結(jié)125-126
• 8 高含CO_2天然管道輸送工藝計算軟件開發(fā)126-138
• 8.1 程序介紹126-128
• 8.2 軟件應(yīng)用示例128-132
• 8.3 高含CO_2天然氣輸送管道方案論證132-137
• 8.3.1 液相輸送方案論證132-134
• 8.3.2 氣相輸送方案論證134-135
• 8.3.3 超臨界輸送方案論證135-137
• 8.4 本章小結(jié)137-138
• 9 結(jié)論及建議138-140
• 9.1 結(jié)論138-139
• 9.2 建議139-140
• 致謝140-141
• 參考文獻141-149
• 附錄A 物性參數(shù)計算方法評價149-168
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及科研成果168

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走出盆地 與天然氣工業(yè)一道茁壯成長——部分編委發(fā)言摘要    金濟;

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超臨界CO_2萃取麻瘋樹籽油工藝的響應(yīng)面優(yōu)化    鐘華;蒲彪;胡旭;

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表面改性對活性炭物理、化學性質(zhì)及CO_2吸附性能的影響    朱賽

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球形活性炭對CO_2吸附行為研究    謝菲

雙臺子自然保護區(qū)深部咸水層CO_2地質(zhì)儲存機制與潛力分析    諶艷珍

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CO_2激光寫入旋轉(zhuǎn)折變型長周期光纖光柵研究    史翠華

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跨臨界CO_2熱泵系統(tǒng)的理論分析與實驗研究    孫剛磊