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(Natural Gas Liquids, 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(Volume of Fluid)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。 【关键词】：天然气液烃 气液两相流 数学模型 管网 仿真 软件
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE832
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-36
• 1.1 研究的目的与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-32
• 1.2.1 天然气液烃(NGL)资源与输送管道现状14-17
• 1.2.2 NGL的相态与物性参数研究现状17-22
• 1.2.3 NGL输送管道气液两相流研究现状22-30
• 1.2.4 气液两相流管网仿真技术研究现状30-32
• 1.3 本文的研究内容与技术路线32-34
• 1.3.1 本文的研究内容32-33
• 1.3.2 本文的技术路线33-34
• 1.4 本文的创新点34-36
• 第二章 NGL基础物性参数模型的评价与改进36-59
• 2.1 常用立方型状态方程36-42
• 2.1.1 常用立方型状态方程36-37
• 2.1.2 PR方程的α函数37-38
• 2.1.3 PR方程的二元交互作用系数38-40
• 2.1.4 PR方程的体积平移法40-42
• 2.2 常用立方型状态方程的精度分析42-47
• 2.2.1 天然气混合物露点预测精度分析42-46
• 2.2.2 NGL密度预测精度分析46-47
• 2.3 PR状态方程的改进研究47-50
• 2.3.1 PR状态方程的改进思路47-48
• 2.3.2 改进后PR状态方程的精度分析48-49
• 2.3.3 VTPPR78方程对于NGL组分相态预测精度分析49-50
• 2.4 基于状态方程的NGL物性参数计算模型50-52
• 2.5 NGL的黏度预测模型52-56
• 2.5.1 VTPRμ黏度预测模型52-53
• 2.5.2 VTPRμ黏度预测模型精度分析53-56
• 2.6 NGL气液两相界面的表面张力预测模型56-58
• 2.6.1 NGL表面张力热力学计算模型56-57
• 2.6.2 NGL表面张力计算模型精度分析57-58
• 2.7 本章小结58-59
• 第三章 NGL气泡动力学数值模拟与特征参数研究59-79
• 3.1 NGL的汽化机理和流型演变特征59-61
• 3.2 气液两相流基本控制方程组61-64
• 3.2.1 Navie-Stokes方程61-62
• 3.2.2 气液两相流双流体模型62-64
• 3.3 管道中NGL汽化过程的数值模拟64-68
• 3.3.1 NGL汽化过程的数值模拟模型64-65
• 3.3.2 NGL汽化过程模拟模型的求解65
• 3.3.3 NGL汽化模拟实例65-68
• 3.4 基于VOF方法的气泡动力学数值模拟模型68-70
• 3.4.1 VOF模型控制方程组68-69
• 3.4.2 VOF模型中源项的处理69-70
• 3.4.3 VOF气液相界面重构方法70
• 3.5 NGL气泡动力学数值模拟实例70-73
• 3.5.1 NGL气泡动力学数值模型的求解70-71
• 3.5.2 NGL气泡动力学数值模拟实例与验证71-73
• 3.6 NGL气泡特征参数理论计算模型73-78
• 3.6.1 NGL沸腾传热系数分析73-75
• 3.6.2 NGL气泡动力学特征参数理论计算模型75-78
• 3.7 本章小结78-79
• 第四章 低含气率NGL输送管道不稳定流动研究79-90
• 4.1 低含气率NGL输送管道不稳定流控制方程80-83
• 4.1.1 低含气率NGL输送管道控制方程80-81
• 4.1.2 特征线方程81-83
• 4.2 基于NGL气泡动力学特征参数的气相体积分析83-84
• 4.3 低含气率NGL输送管道数学模型的求解84-87
• 4.3.1 基于集中空穴假设的有限差分方程84-86
• 4.3.2 边界条件的处理86-87
• 4.4 低含气率NGL输送管道不稳定流动模拟实例87-89
• 4.5 本章小结89-90
• 第五章 NGL气液两相流管道数学模型研究90-120
• 5.1 气液两相流管道双流体模型90-93
• 5.2 非平衡热力学状态下气相两相传热传质模型93-96
• 5.3 NGL气液两相流流型判断96-97
• 5.4 气液两相流剪切应力计算97-102
• 5.4.1 气泡流剪切应力计算97-99
• 5.4.2 分层流剪切应力计算99-101
• 5.4.3 环状流剪切应力计算101
• 5.4.4 段塞流剪切应力计算101-102
• 5.5 NGL气液两相流模型的数学性质分析102-108
• 5.6 NGL气液两相流管道数学模型的离散108-116
• 5.6.1 有限体积法的离散网格108-110
• 5.6.2 管道内部节点控制方程的离散110-113
• 5.6.3 管道边界条件的处理113-116
• 5.7 NGL气液两相流管道数学模型的求解116-117
• 5.8 非平衡气液两相管流计算实例117-118
• 5.9 本章小结118-120
• 第六章 复杂NGL输送管网系统仿真技术120-147
• 6.1 复杂NGL管网系统的组成120-121
• 6.2 节点数学模型121-123
• 6.3 非管元件数学模型123-135
• 6.3.1 局部阻力件数学模型123-125
• 6.3.2 泵数学模型125-126
• 6.3.3 换热器数学模型126
• 6.3.4 分离器数学模型126-127
• 6.3.5 非管元件数学模型的变量分析127
• 6.3.6 局部阻力件温度方程与实验验证127-135
• 6.4 复杂NGL管网系统物理结构的数学描述135-136
• 6.5 复杂NGL管网系统仿真模型的建立136-139
• 6.5.1 管网系统仿真模型137-138
• 6.5.2 管网仿真模型的边界条件138-139
• 6.6 NGL管网组分分布模型139
• 6.7 复杂NGL管网系统仿真模型的求解139-145
• 6.7.1 管网仿真模型的线性化141-142
• 6.7.2 矩阵的LU分解142-144
• 6.7.3 基于阻尼Newton-Raphson法的NGL管网仿真模型求解144-145
• 6.8 本章小结145-147
• 第七章 复杂NGL输送管网仿真软件开发与验证147-174
• 7.1 复杂NGL管网系统仿真软件开发平台148
• 7.2 NGLPES软件的体系结构148-151
• 7.3 NGLPES软件数据库结构151-152
• 7.4 NGLPES软件的界面与功能152-157
• 7.5 塔里木液化石油气管道运行参数现场测试与软件验证157-163
• 7.5.1 塔里木油田液化石油气输送管道现场参数测试方案157-158
• 7.5.2 英买力—牙哈液化气管道运行参数测试结果与验证158-161
• 7.5.3 牙哈—牙哈液化气管道运行参数测试结果与验证161-163
• 7.6 英买力—牙哈液化气气液两相流动态仿真精度验证163-166
• 7.7 基于NGLPES的复杂枝状管网模拟166-170
• 7.7.1 复杂枝状管网基础参数166-167
• 7.7.2 复杂枝状管网稳态仿真167-168
• 7.7.3 复杂枝状管网动态仿真168-170
• 7.8 基于NGLPES的复杂环状管网模拟170-173
• 7.8.1 复杂环状管网基本参数170-171
• 7.8.2 复杂环状管网稳态模拟171
• 7.8.3 复杂环状管网动态模拟171-173
• 7.9 NGL PES软件适用范围分析173
• 7.10 本章小结173-174
• 第八章 结论与展望174-178
• 8.1 结论174-176
• 8.2 研究展望176-178
• 致谢178-179
• 参考文献179-190
• 附录190-195
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果195-197
• 所发表的学术论文195-196
• 软件著作权与专利196
• 参与的科研项目196-197
• 获奖情况197

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