天然气液烃输送管网仿真理论与技术研究

【摘要】天然气液烃(NaturalGasLiquids,NGL)的主要成分是乙烷、丙烷、丁烷、凝析油及其混合物,是重要石油化工原料与燃料,具有较高经济价值和广阔应用前景。凝析气、页岩气和页岩油中含有非常丰富的NGL成分,脱除NGL不仅可以降低其烃露点,还可以提高气田的经济效益。管道是长距离、大量输送NGL最为经济的方式之一。然而,沿线温度、压力的变化,可能会使NGL汽化,导致管道中出现气液两相流动。在气液两相流状态下,气液相的比例和组成、黏度、密度等基础物性参数会不断的发生变化,并反过来影响管道的水力、热力参数分布规律。如果多条NGL管道相互连接,形成了复杂的NGL管网,将会使流动参数的预测和分析变得更加困难。针对上述问题,基于流体力学、热力学和传热传质学理论,采用实验、理论和数值模拟相结合的方法,研究了NGL的基础物性参数变化规律、汽化规律、气液两相流动规律,探索了复杂NGL管网系统仿真技术,开发了NGL气液两相流管网仿真软件,为NGL管网的设计、运行和管理提供了理论和技术支撑。具体的研究内容和取得的主要成果如下：(1)结合NGL气液两相输送管道中气液两相共存的特点,分析了SRK、PR、PRD、PRSV2、PR-Twu、PRN、PRG、PPR78、VTPR共9种立方型状态方程,对于天然气露点及液烃密度预测的准确性；针对现有方法的局限性,提出了将基团贡献法(用于二元交互作用系数计算)和体积平移法相结合的PR状态方程改进新思路,建立了适用于NGL的VTPPR78状态方程,并验证了该方程的准确性。以此为基础,建立了NGL的泡点、露点、焓、熵、热容等基础物性参数计算模型。基于VTPRμ状态方程,建立了NGL气液两相黏度计算模型。考虑到化学位、逸度和表面张力之间的热力学关系,建立了NGL表面张力计算模型。(2)基于气液两相流动的Navie-Stokes方程、RPI沸腾模型、VOF(VolumeofFluid)模型和CFD技术,开展了NGL汽化机理和气泡动力学的研究,并建立了气泡生成与发展过程的数值模拟模型；结合文献提供的实验数据,验证了数值模拟模型的可靠性。基于实验数据和数值模拟结果,研究了NGL气泡的脱离直径、起飞直径、脱离频率和活化核心密度等气泡动力学特征参数理论计算模型。(3)以一维不稳定流动方程为基础,基于集中空穴假设,建立了低含气率NGL输送管道数学模型,并采用特征线法和有限差分法对模型进行了求解；基于NGL气泡起飞直径、脱离频率和活化核心密度,实现了对低含气率NGL输送管道中汽化速率的定量计算。(4)以Navie-Stokes方程为基础,结合一维管道流动的特点,并针对NGL汽化过程中气液两相温度不相等的情况,建立了非平衡热力学状态下的NGL管道气液两相双流体模型。基于特征值理论,研究了NGL双流体模型的数学特征,指出在管输条件下：①当气液两相速度相等时,双流体模型的类型为双曲型；②当气液两相速度不相等时,双流体模型的类型为抛物型；③当气液两相流退化为单相流动时,相应的模型也退化为单相流动控制方程组,其类型为双曲型。采用Barne方法进行流型判别；建立了气泡流、分层流、段塞流和环状流下的剪切应力闭合关系式。针对模型的特点,研究了基于有限体积法的双流体模型离散方法。(5)考虑到NGL管网多元件、多节点的特点和物理结构上的多样性,采用节点一元件关联矩阵法,实现了对任意管网物理结构的数学描述。在此基础上,结合管道元件,非管元件和节点的数学模型,建立了能够适用于任意结构管网的NGL气液两相流系统仿真模型。针对模型的高度非线性特点,研究了模型的线性化方法、以及基于LU分解法和阻尼Newton-Raphson法的模型求解方法。(6)基于(1)～(5)的理论研究成果和西南石油大学“管网仿真系统PES”平台,开发了具有完全自主知识产权、能够适用于任意结构形式管网的“液烃输送管道仿真软件NGLPES”软件。NGLPES模拟的塔里木液化气管道的流量与实测值之间的平均绝对偏差为0.0845t/h,相对偏差为0.956%,温度的平均绝对偏差为1.29℃。仍基于塔里木液化气管道的基本参数,在动态工况下,NGLPES模拟的压力值与OLGA软件模拟值之间的平均绝对偏差为58.5kPa,持液率的平均绝对偏差为0.03。通过仿真实例,进一步验证了NGLPES对于复杂枝状、环状气液两相流管网仿真的适应性。NGLPES已经获得了国家软件著作权,著作权登记号2014SR043986,并在中石油塔里木油田分公司油气运销部得到了实际应用。
【作者】贾文龙；
【导师】李长俊；
【作者基本信息】西南石油大学，油气储运工程，2014，博士
【关键词】天然气液烃；气液两相流；数学模型；管网；仿真；软件；

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