專利名稱：一種高溫高壓復(fù)雜天然氣節(jié)流溫度和氣液比的測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫高壓、含H2S、CO2、凝析氣等復(fù)雜天然氣節(jié)流溫度和氣液比的測量和計算方法，涉及天然氣開發(fā)、利用技術(shù)領(lǐng)域。特別適合于壓力高于20MPa，溫度高于60°C的復(fù)雜天然氣地面節(jié)流溫度和氣液比的測量與計算。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟、社會發(fā)展對天然氣資源需求的持續(xù)增加，開發(fā)高溫高壓、含H2S、CO2等酸性介質(zhì)及凝析氣的復(fù)雜天然氣資源已成為了我國石油天然氣開發(fā)、利用的重要方向。近年來，一些高溫、高壓的復(fù)雜天然氣藏逐漸涌現(xiàn)出來，部分氣藏的壓力達(dá)到了 60MPa以上，溫度也高達(dá)60-100°C。在進(jìn)行高溫高壓天然氣集輸時，必須對天然氣進(jìn)行降壓操作，從而使其能夠安全的進(jìn)入地面集輸系統(tǒng)。當(dāng)前，節(jié)流降壓是應(yīng)用比較普遍的壓力調(diào)節(jié)方式。在節(jié)流時，隨著氣體壓力的降低，其溫度會發(fā)生相應(yīng)的變化。而溫度、壓力的變化又會對天然氣的相態(tài)產(chǎn)生影響，使天然氣中析出液體，即氣液比發(fā)生變化。在由氣體變成液體的過程中，天然氣會發(fā)出部分熱量，使得天然氣的溫度又會發(fā)生變化。天然氣中的液體會沉積到管道中，或流入到下游的分離器等設(shè)備中。因此，節(jié)流后的溫度、氣液比是整個集輸系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，它對集輸?shù)孛婕敼芫€的選材、積液量的計算、水合物形成預(yù)測和天然氣處理廠設(shè)計都具有重要的影響。若測量或計算結(jié)果不準(zhǔn)確，將會導(dǎo)致集輸系統(tǒng)的設(shè)計工況與實際工況之間產(chǎn)生較大的偏差，嚴(yán)重情況下會威脅集輸系統(tǒng)的安全運行，甚至導(dǎo)致集輸系統(tǒng)的大規(guī)模改造或重建。由前面的分析可知，節(jié)流過程中天然氣的溫度、壓力、氣液質(zhì)量比是密切相關(guān)的參數(shù)，必須對這三個參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，才能獲得準(zhǔn)確的節(jié)流后溫度和氣液比。目前，可以采用壓力表和溫度計測量節(jié)流閥前后的壓力和溫度。但是，節(jié)流后天然氣中凝析出的液體會隨著天然氣的流動而流動，還有一部分會分散在氣體中，目前還有沒有可靠的方法對節(jié)流閥后的氣液比進(jìn)行準(zhǔn)確測量。結(jié)合天然氣的組分、產(chǎn)量測試數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法計算節(jié)流后的氣液比是可行的方法。對于壓力低于20MPa，不含H2SXO2等酸性介質(zhì)組分的天然氣的節(jié)流計算，可以采用美國Aspen公司開發(fā)的HYSYS、英國SMSCI公司開發(fā)PIPEPHASE、挪威SPT公司開發(fā)的OLGA軟件等商業(yè)軟件進(jìn)行計算，計算結(jié)果與實測值之間的偏差一般小于3°C。但是，高溫高壓下天然氣分子間相互作用力主要表現(xiàn)為斥力，與較低壓力下存在明顯區(qū)別；在含有H2S、C02、H20等酸性或極性組分時，這些組分也會對烴類體系(非極性體系)的相互作用力產(chǎn)生影響；這些因素的共同作用導(dǎo)致高溫高壓、含H2S、CO2, H2O復(fù)雜天然氣的氣液相態(tài)變化、密度、壓縮因子、焓值等與節(jié)流溫度計算密切相關(guān)的基礎(chǔ)物性參數(shù)與常規(guī)天然氣區(qū)別較大。大量的工程實際表明，壓力高于20MPa時，國際通用的HYSYS、PIPEPHASE、OLGA等軟件所計算的高溫高壓復(fù)雜天然氣節(jié)流后溫度和實測值之間的偏差大于8°C以上，基于所得到的溫度計算的氣液比與實測值之間也存在較大的偏差。這些軟件不能準(zhǔn)確的對節(jié)流后的溫度及氣液比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種準(zhǔn)確、合理的計算壓力大于20MPa，溫度高于60°C的高溫高壓復(fù)雜天然氣節(jié)流后溫度和氣液質(zhì)量比的方法；該方法能夠以測量的節(jié)流閥后的分離器中的天然氣的氣相和液相組分、氣液相體積比為基礎(chǔ)，獲得天然氣氣液兩相混合后的總組分；通過測量得到的節(jié)流前的溫度、壓力和節(jié)流后的壓力，結(jié)合天然氣的總組分，準(zhǔn)確的計算高溫高壓復(fù)雜天然氣在節(jié)流閥后的溫度和氣液質(zhì)量比，為高溫高壓天然氣集輸系統(tǒng)的設(shè)計、運行提供指導(dǎo)。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其實現(xiàn)步驟為第1步采集節(jié)流閥后的分離器中的天然氣氣相和液相樣品，利用氣相色譜儀和液相色譜儀分別對氣相和液相的中的C1-C30、C02、H2S、N2、02、H2O等組分的摩爾分率進(jìn)行分析，采用密度儀分析對液體的密度進(jìn)行分析；收集分離器內(nèi)的氣液相體積比率參數(shù)；結(jié)合氣相、液相的組分和氣液相體積比，計算得到節(jié)流后天然氣氣相和液相混合后C1-C30、CO2,H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率。具體實現(xiàn)步驟如下(I)在分離器底部出口采集天然氣液體樣品，在分離器頂部出口采集天然氣氣體樣品，如

圖1所示；(2)采用氣相色譜儀分析氣相中C1-C30、CO2, H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率，形成氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)庫Xi ;采用液相色譜儀分析液體中C1-C30、CO2, H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率，形成液體組分?jǐn)?shù)據(jù)庫Ji ;采用密度儀分析液體樣品密度P !;(3)采集分離器中同一段時間內(nèi)的氣液體積產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體產(chǎn)量V1和液體產(chǎn)量Vg ；(4)根據(jù)組分分析獲得的氣液相組分計算液相的摩爾質(zhì)量；
權(quán)利要求
1.一種高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其實現(xiàn)步驟為 第I步采集節(jié)流閥后的分離器中的天然氣氣相和液相樣品，利用氣相色譜儀和液相色譜儀分別對氣相和液相的中的C1-C30、CO2, H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率進(jìn)行分析，采用密度儀對液體的密度進(jìn)行分析；收集分離器內(nèi)的氣液相體積比率參數(shù)；結(jié)合氣相、液相的組分和氣液相體積比，計算得到節(jié)流后天然氣氣相和液相混合后C1-C30、CO2, H2S, N2,O2、H2O等組分的摩爾分率； 第2步采用壓力表測量節(jié)流閥前后的壓力值，保持節(jié)流閥前壓力、溫度穩(wěn)定，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，使節(jié)流后壓力為預(yù)定值；將鉬電阻溫度計的探頭插入到管道當(dāng)中，測量與節(jié)流閥前壓力表相同位置的天然氣溫度； 第3步從相關(guān)數(shù)據(jù)庫中獲得天然氣中所含組分的臨界溫度、臨界壓力、偏心因子、摩爾質(zhì)量、二元交互系數(shù)、臨界比容并組成節(jié)流溫度基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫； 第4步根據(jù)天然氣在節(jié)流前的溫度、壓力值和節(jié)流后的壓力值，采用改進(jìn)的Wong-Sandler或Lee-Kelser混合規(guī)則確定天然氣節(jié)流前后的虛擬臨界溫度和臨界壓力值；采用BWRS方程和氣液相平衡熱力學(xué)模型計算節(jié)流前后的氣液比，Lee-Kesler狀態(tài)方程進(jìn)行天然氣焓值計算；基于等焓節(jié)流模型，采用迭代方法實現(xiàn)氣液質(zhì)量比和溫降計算的耦合，得出天然氣節(jié)流后的溫度和氣液比。
2.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，采集節(jié)流閥后的分離器中的天然氣氣相和液相樣品，利用氣相色譜儀和液相色譜儀分別對氣相和液相的中的C1-C30、CO2, H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率進(jìn)行分析，采用密度儀對液體的密度進(jìn)行分析；收集分離器內(nèi)的氣液相體積比率參數(shù)；結(jié)合氣相、液相的組分和氣液相體積比，計算得到節(jié)流后天然氣氣相和液相混合后C1-C30、C02、H2S、N2、02、H20等組分的摩爾分率，具體實現(xiàn)步驟如下 (1)在分離器底部出口采集天然氣液體樣品，在分離器頂部出口采集天然氣氣體樣品; (2)采用氣相色譜儀分析氣相中C1-C30、CO2,H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率，形成氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)庫Xi ;采用液相色譜儀分析液體中C1-C30、CO2, H2S, N2, 02、H2O等組分的摩爾分率，形成液體組分?jǐn)?shù)據(jù)庫Ji ;采用密度儀分析液體樣品密度P !; (3)采集分離器中同一段時間內(nèi)的氣液體積產(chǎn)量數(shù)據(jù)，得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體產(chǎn)量V1和液體產(chǎn)量Vg ； (4)根據(jù)組分分析獲得的氣液相組分計算液相的摩爾質(zhì)量；
3.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，從相關(guān)數(shù)據(jù)庫中獲得天然氣中所含組分的臨界溫度、臨界壓力、偏心因子、摩爾質(zhì)量、二元交互系數(shù)、臨界比容并組成節(jié)流溫度基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。
4.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，根據(jù)天然氣在節(jié)流前的溫度、壓力值和節(jié)流后的壓力值，采用改進(jìn)的Wong-Sandler或Lee-Kelser混合規(guī)則確定天然氣節(jié)流前后的虛擬臨界溫度和臨界壓力值,具體實現(xiàn)步驟為 (I)確定天然氣的虛擬臨界溫度和虛擬臨界壓力 1)采用VanderWaals方法初步確定天然氣的虛擬臨界溫度和臨界壓力 該混合規(guī)則認(rèn)為流體的虛擬臨界參數(shù)可以采用各組分真實臨界參數(shù)的摩爾分?jǐn)?shù)加權(quán)平均值計算得到。
5.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，計算天然氣的氣液比，采用BWRS方程和熱力學(xué)平衡方程計算一定組分、溫度和壓力下的天然氣的氣液比； BffRS方程形式如下
6.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，采用了 Lee-Kesler狀態(tài)方程計算天然氣的j含值,確定高溫高壓天然氣的j含值等這一在節(jié)流溫度計算至關(guān)重要的基礎(chǔ)物性參數(shù)；根據(jù)特定的初始值設(shè)定方法，利用帶阻尼的牛頓迭代法求解Lee-Kesler狀態(tài)方程,具體步驟為 采用牛頓迭代法求解LK方程
7.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，本發(fā)明考慮了天然氣在節(jié)流過程中的氣液相變，建立了氣液兩相等焓節(jié)流數(shù)學(xué)模型；利用迭代方法求解等焓節(jié)流數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了溫降計算和和氣液比計算的耦合，具體模型為miihn+mglhgl = m12h12+mg2hg2 (25) 式中mn-節(jié)流前的液相質(zhì)量，kg ；m12——節(jié)流后的液相質(zhì)量，kg ； mgl-節(jié)流前的氣相質(zhì)量，kg ； mg2——節(jié)流后的液相質(zhì)量，kg ； hn——節(jié)流前的單位質(zhì)量液相的焓值，J/kg ； h12——節(jié)流后的單位質(zhì)量液相的焓值，J/kg ； hgl-節(jié)流前的單位質(zhì)量氣相的洽值，J/kg ； hg2——節(jié)流后的的單位質(zhì)量氣相的焓值，J/kg ； 求解步驟為 (1)輸入氣液相組分，節(jié)流前溫度、壓力和節(jié)流后的壓力。
(2)根據(jù)氣液相組分和節(jié)流前的溫度、壓力參數(shù)，計算節(jié)流前的氣液相組分與質(zhì)量分率； (3)計算節(jié)流前氣液相的焓值、密度等物性參數(shù)；按照質(zhì)量分率混合規(guī)則計算節(jié)流前的總焓值H1。
(4)輸入節(jié)流后的溫度估算值； (5)根據(jù)氣液相組分和節(jié)流后的溫度、壓力參數(shù)，計算節(jié)流后的氣液相組分和質(zhì)量分率； (6)計算節(jié)流后氣液相的焓值、密度等物性參數(shù)；按照質(zhì)量分率混合規(guī)則計算節(jié)流后的總焓值H2 ； (7)比較節(jié)流前與節(jié)流后總焓值的大小，若H1> H2，則調(diào)高節(jié)流后的估算溫度，返回步驟2 ;若H1 < H2，則調(diào)低節(jié)流后的溫度，返回步驟5 ;若IH1-H2I < 0.2，則輸出結(jié)果，計算結(jié)束。
8.如權(quán)利要求1所述的高溫復(fù)雜高壓天然氣節(jié)流溫度和氣液比測量與計算方法，其特征在于，為了在加快溫度收斂速度的同時保證節(jié)流后溫度計算的準(zhǔn)確性，溫度的調(diào)整分為三個階段進(jìn)行， 第一階段按照焓值差除以1. 2來調(diào)整溫度，即AT = -； 第二階段若IH1-H2I > I，則按照下式調(diào)整溫度Tk+1 = Tk+0. 5，若 H「H2 > 0 ；Tk+1 = Tk-O. 5，若 H「H2 < 0 ； 第三階段若Ih1-H2I > 0.3，則按照下式調(diào)整溫度Tk+1 = Tk+0. 2，若 H「H2 > 0 ；Tk+1 = Tk-O. 2，若 H「H2 < 0 ； 當(dāng)最終焓值Ih1-H2I <0.2時，則迭代結(jié)束，輸出計算結(jié)果。這樣就可以將計算結(jié)果的精度控制在0. 2°C以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫高壓復(fù)雜天然氣節(jié)流溫度和氣液質(zhì)量比的測量與計算方法?，F(xiàn)有方法和軟件在計算壓力高于20MPa，溫度高于60℃的含H2S、CO2、凝析氣等復(fù)雜天然氣的節(jié)流后溫度時偏差達(dá)8℃以上。本方法可根據(jù)所提出的測量和理論計算方法，準(zhǔn)確的得到節(jié)流后的溫度和氣液質(zhì)量比，溫度偏差小于3℃，解決了上述問題。其步驟是分析節(jié)流閥后分離器中的天然氣氣體、液體組分和產(chǎn)量；測量節(jié)流前的壓力、溫度，節(jié)流后壓力；獲得各組分的基礎(chǔ)物性參數(shù)；采用改進(jìn)的Wong-Sandler或Lee-Kesler混合規(guī)則確定天然氣的虛擬臨界溫度和臨界壓力，采用迭代方法求解狀態(tài)方程及等焓節(jié)流模型，得到節(jié)流后的溫度和氣液質(zhì)量比。
文檔編號G01K7/18GK103063320SQ20121057196
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者李長俊, 賈文龍, 吳瑕, 李卓然 申請人:西南石油大學(xué)