节流阀内天然气组分凝结规律研究.pdf

第 4 8 卷第 1 O期 2 0 1 2 年5 月 机械、工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vl0 1 ． 48 M a y NO． 1 O 2 0 1 2 DoI 1 0． 3 9 01 ／ J M E． 2 01 2 ． 1 0 ． 1 3 9 节流阀内天然气组分凝结规律研究木 柳 海 吕孝飞2 张锋 李名生 白博峰 2 f 1 ．中国石油新疆油田分公司采气一厂 克拉玛依8 3 4 0 0 7 2 ．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安7 1 0 0 4 9 摘要节流制冷低温分离工艺是天然气集输过程中常见的脱水脱烃技术，节流凝结过程是天然气露点温度能否达标、工艺系 统能否优化运行的关键。基于天然气在节流阀内的凝结过程，建立均质凝结和异质凝结统一的数值模型，研究天然气中易发 生凝结的四种烷烃 正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷 组分的凝结规律，分析背压比和总温等因素对凝结性质的影响。结果 表明节流阀内部流场非常复杂，呈现强湍流特性，节流孔内达到极低的温度使烃类组分的凝结在节流孔出口前基本完成。 背压比和总温增加会减弱节流温降，使各组分的凝结量和液滴尺寸同时减小。节流过程中各组分的凝结性质存在较大差异。 分子量较小的轻烃类组分，节流孔出口凝结量大，且凝结量和液滴尺寸受背压比和总温的影响大。 关键词天然气节流凝结 中图分类号T K1 2 1 Co mpo n e n t Co nd e n s a t i o n o f Na t ur a l Ga s i n Thr o t t l i n g Fl o w L I U Ha i L O Xi a o f e i 2 Z H ANG F e n g L I Mi n g s h e n g B A I Bo f e n g 2 1 ． F r i s t G a s P r o d u c t i o n F a c t o r y , P e t r o C h i n a Xi n j i a n g Oi l F i e l d B r a n c h C o mp a n y , Ka r a ma y 8 3 4 0 0 7 ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f Mu l t i p h a s e F l o w i n P o we r E n g i n e e r i n g ， X i ’ a i 1 J i a o t o n g U n i v e r s i t y , Xi ’ a l l 7 1 0 0 4 9 Ab s t r a c t I n n a t u r a l g a s g a t h e r i n g a n d t r a n s p o r t a t i o n p r o c e s s ， t h e t h r o t t l i n g e x p a n s i o n r e f r i g e r a t i o n an d l o w t e mp e r a t u r e s e p a r a ti o n me tho d i s o n e o f t h e mo s t c o mmo n t e c h n o l o g y ． T h e c o n d e n s a t i o n i s a k e y i s s u e d u r i n g the t h r o t t l i n g flo w, a s t h e t e mp e r a t ure a f t e r t h r o tt l e i s t h e ma i n i n fl u e n c e f a c t o r s o f d e w p o i n t ．Wi th t h e fi e l d d a t a o f t h r o tt l i n g s e p ara ti o n t e c hn o l o g y ,u n i f o r m mo d e l for h o mo g e n e o u s an d h e t e r o g e n e o u s c o n d e n s a t i o n i s e s tab l i s h e d t o s t u d y the n a t u r a l g a s t h r o tt l i n g c o n d e n s a t i o n p r o c e s s ．F o u r h y d r o c arb o n c o mp o n e n t s n - p e n t ane ， n - h e x ane ， n h e p t a n e ， n - b u t a n e a r e c h o s e n a s t h e o b j e c t s o f s t u d y ． T h e e ff e c t s o f b a c k p r e s s ure r a t i o a n d i n l e t t o t a l t e mp e r a t u r e o n t h e c o n d e n s a t i o n p r o p e rti e s o f d i ffe r e n t h y dr o c arb o n c o mp o n e n t s are a n a l y z e d ． I t i s s h o wn t h a t ， t h e flo w fie l d i n the t h r o tt l e i s e x t r e me l y c o mp l e x ， and i n t e n s e t u r b u l e n t flo w c h ara c t e r i s t i c s are p r e s e n t e d ． I n t h e n a t u r a l g a s t h r o tt l i n g p r o c e s s ， e x tre me l y l o w t e mp e r a t u r e i s o b t a i n e d wh i c h p r o v i d e s t h e s u i t a b l e c o n d i t i o n for c o n d e n s a t i o n o f the h y dro c arb o n s ． W i t h i n c r e a s e o f b a c k p r e s s ure r a t i o and t o t a l t e mp e r a t u r e ， t h e c o n d e n s a t i o n ma s s fra c t i o n an d dro p l e t s i z e o f e a c h c o n d e n s a b l e c o mp o n e n t d e c r e a s e ． Gr e a t d i ffe r e n c e s o f c o n d e n s a t i o n p a r a me t e r s a r e foun d a mo n g e a c h c o mp o n e n t ． F o r the l i g h t e r h y d r o c arb o n c o mp o n e n t s ． t h e c o n d e n s a t i o n ma s s f r a c t i o n i s g r e a t e r , a n d the c o n d e n s a t i o n ma s s f r a c t i o n a n d dro p l e t r a d i u s o f wh i c h are mu c h mo r e a ffe c t e d b y the b a c kp r e s s ur e r a t i o a n di n l e t t o t a l t e mp e r a t u r e ． K e y wo r d s Na t u r a l g a s T h r o ttl ing Co n d e n s a t i o n 0 前言 天然气外输前需要进行脱水脱烃处理，以防止 国家 自然科学基金资助项 1 5 1 1 2 1 0 9 2 。 2 0 1 1 1 0 2 9收到初稿， 2 0 1 2 0 3 3 0 收到修改稿 输运过程中析 出的液相形成水合物堵塞管道，影响 输气管道的平稳供气和生产装置的正常运行。低温 分离法是天然气处理的主流技术，按提供冷量 的制 冷系统不 同，一般可分 为膨胀制冷 、冷剂制冷和联 合制冷 3种【 J J 。新疆油田等国内多个油 田采用节流 制冷、低温分离工艺 ，通过节流阀的节流效应实现 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 5月 柳海等节流阀内天然气组分凝结规律研究 1 4 3 越靠前 ，极值点的压力温度增大，导致液滴生长率 的减小， 在相同的凝结核心数量和初始颗粒尺寸下 ， 节流孔 出口的液滴尺寸和凝结量都减小。C 5 、C 6 组 分体积分数较多，而且饱和温度较低，不易凝结， 受背压 比变化影响较大 ， 而 C 7 、 C8 组分体积分数较 少 ，而且在进入节流孔之前 已经开始凝结 ，进入节 流孔后在非常高的过饱和度下很容易凝结 ，背压 比 变化造成的压力温度变化对其影响很小。 2 ． 4 总温对凝结的影响 总温也是对天然气凝结影响较大的因素 。保持 外界核心浓度 1 ． 0 1 0 k g - ， 初始颗粒半径 0 ． 0 l k t m， 入 口总压 3 ． 9 MP a ，背压 1 ． 6 MP a ，分析入 口总温对 天然气 各组分节流凝 结参数 的影响 。总温 分别取 2 6 7 K、2 7 2 K和 2 7 7 K。各组分节流凝结的液滴尺 寸和相对凝结量变化列于表 2 。 表 2 不同总温下的节流孔出口凝结参数对比 随着总温的增大，天然气各组分的凝结量和液 滴尺寸都减小，c 、 c 6 凝结量 的变化幅度较大 ， C 7 、 C 8 凝结量变化幅度很小 。以上组分的凝结液滴尺寸 随总温变化较小，变化幅度在 1 0 ％以内。主要原因 是 由于入 口总温增大时， 在整个节流阀内温度增加 ， 使凝结开始位置逐渐靠后，液滴生长速度减小 ，凝 结时间缩短 ，导致凝 结量和液滴尺寸都减小。C 5 、 C 6 组分体积分数多，受总温变化影响大 ，而 C 7 、 C 组分体积分数较少，受总温影响较小。在总温增 加 5 K，温降减小0 ． 5 K时，C 5 、C 6 凝结量减小值 最大达到了 1 2 ． 9 ％，而 C7 、C 8 凝结量变化幅度最大 值 只有 6 ． 1 ％。 3 结论 本文基于天然 气处理工艺 中的节流凝 结过程 建立了均质凝结和异质凝结统一的数学模型，对节 流 阀内发生凝结的主要组分 C 5 ～C 8的凝结规律进 行 了研究，分析了背压 比和总温等 因素对节流凝结 的影响，得到 了以下结论。 1 天然气在节流 阀的节流孔 内发生显著的温 降和压降，各烃类组分在节流孔出口前基本完成凝 结过程 。 2 背压 比和 总温的增 大会减弱节流温降，导 致各组分的凝结量和液滴尺寸同时减小；分子量小 的烃类组分 ，受背压 比和总温的影响越大 。 3 节流 阀环室内部流场非常复杂 ，凝结液滴 在环室 内跟随气流做强湍流运动，液滴发生碰撞聚 并等行为。 后续研究需要构建液滴／ 液滴群的碰撞聚 并与破碎动力学模型， 预测节流 阀出 口的液滴分布 ， 为改进节流 阀环形腔 的结构 ，增加凝结液滴尺寸提 供指导。 参考文献 ⋯ 1 郑欣，王遇冬，王登海，等．影响低温法控制天然气 露点的因素分析[ J 】 ． 天然气工业， 2 0 0 6 ， 2 6 8 1 2 3 1 2 5 ． ZHENG Xi n ，WANG Y u d o n g ，W ANG De n g h a i ，e t a 1 ． An a l y s i s o n i n flu e n c i n g f a c t o r s o f n a t u r a l g a s d e wp o i n t c o n t r o l l e d b y t h e me tho d o f a f f e c t i n g l o w t e mp e r a t u r e[ J ] ． Na t u r a l G a s I n d u s t r y , 2 0 0 6 ， 2 6 8 1 2 3 1 2 5 ． [ 2 ] MUI T J E NS M， K AL I KMA NO V V I ， V a n DO NG E N M E H， e t a 1 ． O n mi s t f o r ma t i o n i n n a t u r a l g a s【 J ] ． O i l Ga s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y R e v ．I F P ,1 9 9 4 ， 4 9 1 6 3 ． 7 2 ． [ 3 ] L O 0I J MANS K N H．Ho mo g e n e o u s n u c l e a t i o n a n d d r o p l e t g r o wt h i n the c o e x i s t e n c e r e g i o n o f n a l k a n e ／ me t h a n e mi x t u r e s a t h i g h p r e s s u r e s[ D] ．T h e Ne t h e r l a n d s E i n d h o v e n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 1 9 9 5 ． [ 4 】 L O OI J MANS K N H，L U I J T E N C C M， V a n DONGEN M E H． Bi n a r y n u c l e a t i o n r a t e me a s ure me n t s o f n - n o n a n e／ me t h ane a t h i g h p r e s s u r e s[ J ] ． T h e J o u r n a l o f C h e mi c a l P h y s i c s ， 1 9 9 5 ， 1 0 3 4 1 7 1 4 - 1 7 1 7 ． [ 5 】 L U I J T E N C C M． Nu c l e a t i o n a n d dro p l e t g r o w t h a t h i lg h p r e s s u r e [ D ] ． T h e Ne t h e r l and s E i n d h o v e n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y , 1 9 9 8 ． [ 6 ] L U I J T E N C C M， V an HO OY R G J A NS S E N J W F ， e t a 1 ．Mu l t i c o mp o n e n t n u c l e a t i o n a n d d r o p l e t g r o wt h i n n a t u r a l g a s[ J ] ． Th e J o u rna l o f C h e mi c a l P h y s i c s ， 1 9 9 8 ， 1 0 9 9 3 5 5 3 - 3 5 5 8 ． 【 7 】P E E T E RS Nu c l e a t i o n a n d c o n d e n s a t i o n i n g a s - v a p o r mi x t u r e s o f a l k a n e s a n d wa t e r [ D] ．T h e Ne t h e r l and s Ei n d h o v e n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 2 ． [ 8 】 P E E T E RS H R UB J ， V a n DO NG E N M E H． H i g h p r e s s ure n u c l e a t i o n e x p e r i me n t s i n b i n a r y a n d t e r n a r y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 4 机械工程学报 第4 8卷第 l O期 [ 9 】 【 1 0 】 【 l 2 ] [ 1 3 ] I n i x t u r e s【 J 】 ． T h e J o u r n a l o f P h y s i c a l C h e mi s t r y B ， 2 0 0 1 ， 1 0 5 4 7 1 1 7 6 3 - 1 1 7 7 1 ． L ABET S D．Nu c l e a t i o n o f n ． n o n a n e i n mi x t u r e s o f me t h a n e ， p r o p ane ， and c a r b o n d i o x i d e 【 D 】 ． Th e Ne the r l a n d s ．．E i n d h o v e n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 7 ． YOUNG J B．T wo d i me n s i o n a l ，n o n e q u i l i b r i u m，we t - s t e a m c a l c u l a t i o n s f o r n o z z l e s and t u r b i n e c a s c a d e s[ J ] ． J o u rna l o f P r o p u l s i o n and P o w e r , 1 9 9 2 ， l l 4 3 5 6 9 5 7 9 ． T ANAKA M， MAS T UO S ， S ET OGUCm T ， e t a 1 ． Eff e c t s o f h e t e r o g e n e o u s c o n d e n s a ti o n o n t h e t r a n s o n i c f l o w fi e l d s o n a b u mp mo d e l [ J ] ． J o u r n a l o f T h e 册 a 】S c i e n c e ， 2 0 0 5 ， 1 4 1 3 4 _ 4 0 ． GYARM AT HY C t Th e s p h e ric a l d r o p l e t i n g as e o u s c a r r i e r s tr e a ms R e v i e w and s y n the s i s[ J 】 ．Mu l t i p h a s e S c i e n c e a n d T e c hno l o gy ，1 9 8 2 ， l 1 - 4 9 9 - 2 7 9 ． 吕孝飞，常春，白博峰．正戊烷节流凝结规律研究模 拟[ J 】 _ 机械工程学报， 2 0 1 1 ， 4 7 1 6 1 3 3 1 3 8 ． LU Xi a o f e i ， CHANG Ch u n ，BAI Bo f e n g ．I n v e s ti g a t i o n o f c o n d e n s a ti o n c h a r a c t e ris t i c s o f n p e n t a n e i n t h r o t t l i n g fl o w[ J ] ．J o u r n a l o f Me c h ani c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 ， 4 7 1 6 1 3 3 1 3 8 ． 【 1 4 】 吕孝飞，常春，白博峰．节流阀中己烷凝结流动数值 模拟[ J ] ．化工学报， 2 0 1 1 ， 6 2 9 2 4 4 7 ． 2 4 5 4 ． L U Xi a o f e i ，CHANG Ch u n ，BAI Bo f e n g ．Nu me ric a l s i mu l a t i o n o f h e x a n e c o n d e n s i n g f l o w i n t h r o t t l e[ J ] ． J o u r n a l o f Che mi c a l I n d u s t r y a n d E n g i n e e rin g ，2 0 1 1 ， 6 2 9 2 4 4 7 2 4 5 4 ． 作者简介柳海，男，1 9 6 7年出生，高级工程师，新疆油田公司采气一 厂副厂长、总工程师、安全总监。主要从事油气 田开发管理工作。 E m a i l l i u h a i 6 6 6 p e t r o c h in a ． o m． c n 自博峰 通信作者 ，男，1 9 7 1 年出生，博士，教授 ，博士研究生导师。 主要从事多相流动与传热传质方面的研究。 E - ma i l b f b a i ma il ． x j t u ．e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m