天然氣管道清管過程水合物生成預(yù)測技術(shù)研究

【摘要】：對天然氣管道進行清管,可提高管道輸送效率,降低管道腐蝕速率,確保管道安全運行。然而清管操作又伴有很高的風(fēng)險,清管過程易發(fā)生清管器卡堵、丟球、甚至爆管等事故。特別是近年來隨著我國天然氣管道里程的飛速增長,天然氣管道清管過程中的事故越來越多。其中,天然氣管道清管過程發(fā)生的水合物堵塞清管器事故已經(jīng)多次出現(xiàn),嚴(yán)重影響管道的正常運行,解決該工程實際問題迫在眉睫。 利用帶射流孔的清管器對天然氣管道進行清管,天然氣經(jīng)過射流孔產(chǎn)生的沖擊力可使清管器前面堆積的各種污物發(fā)生擾動,防止積聚堵塞管道。但是,當(dāng)天然氣經(jīng)過清管器射流孔后發(fā)生節(jié)流,氣體溫度降低,如果清管過程的參數(shù)控制不當(dāng),使得清管器頭部區(qū)域達(dá)到水合物生成條件,如果管道中含有液態(tài)水,則會發(fā)生水合物堵塞清管器事故。 針對工程實際中已經(jīng)發(fā)生的清管過程水合物卡堵事故案例分析,運用天然氣管道運行及清管器運動仿真模擬理論,天然氣水合物初始生成條件預(yù)測理論,以及氣液兩相管流的相關(guān)理論,分析清管器在天然氣管道中的運動過程,利用流體力學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)知識建立天然氣管道清管過程的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)相平衡理論,建立天然氣水合物初始生成條件模型。當(dāng)利用清管運動模型模擬計算得到天然氣管道清管過程中全線壓力和溫度參數(shù)后,將這些參數(shù)代入水合物初始生成條件模型,判斷其是否符合水合物生成條件。 因為清管過程管道運行條件的差異,分別建立了清管過程穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬模型。利用熱力學(xué)理論對模型中各項系數(shù)進行等價變換處理,提高模型的計算準(zhǔn)確性。在對清管器的運動模型進行分析的過程中,建立帶射流孔清管器前后的壓降規(guī)律模型,并經(jīng)過實例分析得到：清管器射流孔直徑、管道內(nèi)徑、清管操作壓力等參數(shù)對清管器運動的影響規(guī)律。以及清管器發(fā)球啟動過程、清管器在管道中發(fā)生卡堵事故后,管道運行參數(shù)的變化規(guī)律。 首次基于氣液兩相流理論,建立了天然氣管道中液態(tài)水的積液量估算模型及應(yīng)用技術(shù)方法。根據(jù)天然氣管道的相關(guān)運行參數(shù)及高程數(shù)據(jù)即可計算得到積液量。根據(jù)積液量判斷是否足夠生成水合物并堵塞管道,并可估算需要添加多少抑制劑方能防止天然氣管道清管過程生成水合物。 本文首次建立了一套天然氣管道清管過程水合物生成預(yù)測的技術(shù)方法,在天然氣管道清管之前利用該技術(shù)方法對清管過程進行模擬分析,確保實際操作參數(shù)不在水合物生成條件區(qū)域。并根據(jù)模擬結(jié)果編寫天然氣管道清管方案,確保天然氣管道清管過程安全、有效。實例計算表明所建立的清管過程水合物生成條件模擬結(jié)果符合工程實際。 【關(guān)鍵詞】：天然氣管道 清管 水合物形成 管道積水 氣液兩相流
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TE973
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• 第1章 緒論11-24
• 1.1 論文研究背景及工程需求11-17
• 1.1.1 管道清管目的11-12
• 1.1.2 清管及運行過程事故案例與危害12-17
• 1.2 天然氣管道清管技術(shù)存在的問題17-18
• 1.3 論文研究的主要內(nèi)容及思路18-22
• 1.3.1 問題描述18-19
• 1.3.2 研究內(nèi)容及思路19-22
• 1.4 主要創(chuàng)新點22-23
• 1.5 小結(jié)23-24
• 第2章 應(yīng)用理論及技術(shù)現(xiàn)狀24-30
• 2.1 天然氣管道清管模擬技術(shù)24-27
• 2.2 水合物初始生成條件預(yù)測技術(shù)27-28
• 2.3 氣液兩相管流技術(shù)28-29
• 2.4 小結(jié)29-30
• 第3章 清管過程管內(nèi)天然氣運動模型研究30-43
• 3.1 穩(wěn)態(tài)非等溫模型30-36
• 3.1.1 穩(wěn)態(tài)非等溫仿真基本方程30-31
• 3.1.2 方程組求解表達(dá)式變換31-33
• 3.1.3 求解過程33-36
• 3.2 瞬態(tài)非等溫模型36-42
• 3.2.1 瞬態(tài)非等溫仿真基本方程36-38
• 3.2.2 方程組求解表達(dá)式變換38-40
• 3.2.3 求解過程40-42
• 3.3 小結(jié)42-43
• 第4章 清管器運動模型研究43-70
• 4.1 清管器運動過程模擬43-49
• 4.1.1 射流清管器運動方程44-45
• 4.1.2 清管器運動過程流量及壓力變化45-46
• 4.1.3 射流孔內(nèi)氣體運動速度與壓差關(guān)系46-47
• 4.1.4 清管器前后溫度降47-49
• 4.2 清管器運動模型的邊界參數(shù)49-51
• 4.2.1 邊值參數(shù)49-50
• 4.2.2 初值參數(shù)50
• 4.2.3 確定清管器頭部天然氣速度50-51
• 4.3 清管器啟動過程與清管器卡堵過程分析51-54
• 4.3.1 啟動清管器的操作過程分析51-52
• 4.3.2 清管器啟動壓差的建立52-53
• 4.3.3 清管器卡堵過程分析53-54
• 4.4 清管器啟動及清管器卡堵過程算例54-63
• 4.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)54-55
• 4.4.2 清管器啟動壓差計算55-56
• 4.4.3 清管器在管道中卡堵計算56-63
• 4.5 清管器前兩相流動模型63-68
• 4.5.1 基本假設(shè)63-65
• 4.5.2 均相流基本方程65-66
• 4.5.3 方程組變換66-68
• 4.5.4 變量差分格式及邊界條件68
• 4.5.5 氣液均相流求解步驟68
• 4.6 小結(jié)68-70
• 第5章 水合物初始生成條件及實現(xiàn)70-85
• 5.1 天然氣露點溫度計算70-71
• 5.2 DU & GUO預(yù)測模型71-76
• 5.2.1 △μ~H的計算72-73
• 5.2.2 △μ~W的計算73-75
• 5.2.3 計算步驟75-76
• 5.3 CHEN & GUO預(yù)測模型76-82
• 5.3.1 純組分氣體水合物生成條件77-79
• 5.3.2 混合氣體水合物生成條件79-80
• 5.3.3 計算步驟80-82
• 5.4 水合物初始形成條件的計算實例82-84
• 5.4.1 露點計算結(jié)果分析82-83
• 5.4.2 水合物生成條件計算結(jié)果分析83-84
• 5.5 小結(jié)84-85
• 第6章 輸氣管道內(nèi)積液量估算方法研究85-113
• 6.1 管道中積液量分析方法85-98
• 6.1.1 氣液分層流基本參數(shù)及相互關(guān)系85-87
• 6.1.2 建立氣液兩相分層流模型87-90
• 6.1.3 基本方程中變量變換90-92
• 6.1.4 基本方程中不含變量項表達(dá)式92-96
• 6.1.5 基本方程中變量的差分格式96-97
• 6.1.6 邊界條件及求解步驟97-98
• 6.2 低洼管段積液分析98-112
• 6.2.1 低洼管段中氣液兩相流動分析99-101
• 6.2.2 臨界狀態(tài)的數(shù)學(xué)描述101-102
• 6.2.3 水平管段起始端界面參數(shù)102-108
• 6.2.4 水平管段內(nèi)積液量估算108-111
• 6.2.5 上坡管段內(nèi)積液量估算111-112
• 6.3 小結(jié)112-113
• 第7章 工程實例分析113-117
• 7.1 管道基本參數(shù)113-114
• 7.2 清管參數(shù)計算結(jié)果114-115
• 7.3 積液量估算結(jié)果115-116
• 7.4 小結(jié)116-117
• 第8章 研究結(jié)論及展望117-119
• 8.1 研究結(jié)論117-118
• 8.2 進一步研究展望118-119
• 致謝119-120
• 參考文獻120-126
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果126

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