天然气管道清管过程水合物生成预测技术研究

【摘要】：对天然气管道进行清管,可提高管道输送效率,降低管道腐蚀速率,确保管道安全运行。然而清管操作又伴有很高的风险,清管过程易发生清管器卡堵、丢球、甚至爆管等事故。特别是近年来随着我国天然气管道里程的飞速增长,天然气管道清管过程中的事故越来越多。其中,天然气管道清管过程发生的水合物堵塞清管器事故已经多次出现,严重影响管道的正常运行,解决该工程实际问题迫在眉睫。 利用带射流孔的清管器对天然气管道进行清管,天然气经过射流孔产生的冲击力可使清管器前面堆积的各种污物发生扰动,防止积聚堵塞管道。但是,当天然气经过清管器射流孔后发生节流,气体温度降低,如果清管过程的参数控制不当,使得清管器头部区域达到水合物生成条件,如果管道中含有液态水,则会发生水合物堵塞清管器事故。 针对工程实际中已经发生的清管过程水合物卡堵事故案例分析,运用天然气管道运行及清管器运动仿真模拟理论,天然气水合物初始生成条件预测理论,以及气液两相管流的相关理论,分析清管器在天然气管道中的运动过程,利用流体力学、热力学等相关知识建立天然气管道清管过程的数学模型。根据相平衡理论,建立天然气水合物初始生成条件模型。当利用清管运动模型模拟计算得到天然气管道清管过程中全线压力和温度参数后,将这些参数代入水合物初始生成条件模型,判断其是否符合水合物生成条件。 因为清管过程管道运行条件的差异,分别建立了清管过程稳态、瞬态模拟模型。利用热力学理论对模型中各项系数进行等价变换处理,提高模型的计算准确性。在对清管器的运动模型进行分析的过程中,建立带射流孔清管器前后的压降规律模型,并经过实例分析得到：清管器射流孔直径、管道内径、清管操作压力等参数对清管器运动的影响规律。以及清管器发球启动过程、清管器在管道中发生卡堵事故后,管道运行参数的变化规律。 首次基于气液两相流理论,建立了天然气管道中液态水的积液量估算模型及应用技术方法。根据天然气管道的相关运行参数及高程数据即可计算得到积液量。根据积液量判断是否足够生成水合物并堵塞管道,并可估算需要添加多少抑制剂方能防止天然气管道清管过程生成水合物。 本文首次建立了一套天然气管道清管过程水合物生成预测的技术方法,在天然气管道清管之前利用该技术方法对清管过程进行模拟分析,确保实际操作参数不在水合物生成条件区域。并根据模拟结果编写天然气管道清管方案,确保天然气管道清管过程安全、有效。实例计算表明所建立的清管过程水合物生成条件模拟结果符合工程实际。 【关键词】：天然气管道 清管 水合物形成 管道积水 气液两相流
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE973
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 论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 清管及运行过程事故案例与危害12-17
• 1.2 天然气管道清管技术存在的问题17-18
• 1.3 论文研究的主要内容及思路18-22
• 1.3.1 问题描述18-19
• 1.3.2 研究内容及思路19-22
• 1.4 主要创新点22-23
• 1.5 小结23-24
• 第2章 应用理论及技术现状24-30
• 2.1 天然气管道清管模拟技术24-27
• 2.2 水合物初始生成条件预测技术27-28
• 2.3 气液两相管流技术28-29
• 2.4 小结29-30
• 第3章 清管过程管内天然气运动模型研究30-43
• 3.1 稳态非等温模型30-36
• 3.1.1 稳态非等温仿真基本方程30-31
• 3.1.2 方程组求解表达式变换31-33
• 3.1.3 求解过程33-36
• 3.2 瞬态非等温模型36-42
• 3.2.1 瞬态非等温仿真基本方程36-38
• 3.2.2 方程组求解表达式变换38-40
• 3.2.3 求解过程40-42
• 3.3 小结42-43
• 第4章 清管器运动模型研究43-70
• 4.1 清管器运动过程模拟43-49
• 4.1.1 射流清管器运动方程44-45
• 4.1.2 清管器运动过程流量及压力变化45-46
• 4.1.3 射流孔内气体运动速度与压差关系46-47
• 4.1.4 清管器前后温度降47-49
• 4.2 清管器运动模型的边界参数49-51
• 4.2.1 边值参数49-50
• 4.2.2 初值参数50
• 4.2.3 确定清管器头部天然气速度50-51
• 4.3 清管器启动过程与清管器卡堵过程分析51-54
• 4.3.1 启动清管器的操作过程分析51-52
• 4.3.2 清管器启动压差的建立52-53
• 4.3.3 清管器卡堵过程分析53-54
• 4.4 清管器启动及清管器卡堵过程算例54-63
• 4.4.1 基础数据54-55
• 4.4.2 清管器启动压差计算55-56
• 4.4.3 清管器在管道中卡堵计算56-63
• 4.5 清管器前两相流动模型63-68
• 4.5.1 基本假设63-65
• 4.5.2 均相流基本方程65-66
• 4.5.3 方程组变换66-68
• 4.5.4 变量差分格式及边界条件68
• 4.5.5 气液均相流求解步骤68
• 4.6 小结68-70
• 第5章 水合物初始生成条件及实现70-85
• 5.1 天然气露点温度计算70-71
• 5.2 DU & GUO预测模型71-76
• 5.2.1 △μ~H的计算72-73
• 5.2.2 △μ~W的计算73-75
• 5.2.3 计算步骤75-76
• 5.3 CHEN & GUO预测模型76-82
• 5.3.1 纯组分气体水合物生成条件77-79
• 5.3.2 混合气体水合物生成条件79-80
• 5.3.3 计算步骤80-82
• 5.4 水合物初始形成条件的计算实例82-84
• 5.4.1 露点计算结果分析82-83
• 5.4.2 水合物生成条件计算结果分析83-84
• 5.5 小结84-85
• 第6章 输气管道内积液量估算方法研究85-113
• 6.1 管道中积液量分析方法85-98
• 6.1.1 气液分层流基本参数及相互关系85-87
• 6.1.2 建立气液两相分层流模型87-90
• 6.1.3 基本方程中变量变换90-92
• 6.1.4 基本方程中不含变量项表达式92-96
• 6.1.5 基本方程中变量的差分格式96-97
• 6.1.6 边界条件及求解步骤97-98
• 6.2 低洼管段积液分析98-112
• 6.2.1 低洼管段中气液两相流动分析99-101
• 6.2.2 临界状态的数学描述101-102
• 6.2.3 水平管段起始端界面参数102-108
• 6.2.4 水平管段内积液量估算108-111
• 6.2.5 上坡管段内积液量估算111-112
• 6.3 小结112-113
• 第7章 工程实例分析113-117
• 7.1 管道基本参数113-114
• 7.2 清管参数计算结果114-115
• 7.3 积液量估算结果115-116
• 7.4 小结116-117
• 第8章 研究结论及展望117-119
• 8.1 研究结论117-118
• 8.2 进一步研究展望118-119
• 致谢119-120
• 参考文献120-126
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果126

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