含液对气体节流温降计算的影响

2015-01-03徐卜垒夏振陈飞樊荣华

油气田地面工程 2015年12期

关键词：焦耳液量节流

徐卜垒　夏振　陈飞　樊荣华

1兰州寰球工程公司　2中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司　3青海油田采油二厂

含液对气体节流温降计算的影响

徐卜垒1夏振2陈飞3樊荣华3

1兰州寰球工程公司2中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司3青海油田采油二厂

气田采出气含有一定量的水，集输工艺为高压集气、站内多井加热节流，通过节流的方式达到气液分离的效果。节流后的温度可根据焦耳-汤姆逊效应定义的方法进行计算，但其只适用于纯气体，含液量较小时对其影响并不大，随着含液量的增多误差会越来越大。根据节流效应系数的计算公式，考虑过程的可变性，用积分的方法求解节流后的温度，最后通过编写C语言程序计算和查图法两种不同的方法对现场数据进行验算，检验当含液量超过多少时此方法不再适用。

天然气；节流温降；焦耳-汤姆逊效应；含液量

气田采出气集输工艺可利用开发前期的高压力能，通过节流降温，回收凝析油和脱水，满足外输天然气烃露点、水露点的要求，这样投资少、能耗低、流程简单。根据焦耳-汤姆逊效应的定义可以计算纯气体的节流温降，方法简单、可操作性强、结果相对准确，适用于工程上的简易计算。

当前一些文献对焦耳-汤姆逊效应系数[1]进行了计算，但没有涉及含液量对节流温降产生影响程度的相关计算，就焦耳-汤姆逊效应系数的计算而言，文献[2]给出了甲烷在某些温度压力条件下的焦耳-汤姆逊效应系数的部分实测数据，由于组分的不同以及实测数据的不连续性，难以适应工程的需要；文献[3]的焦耳-汤姆逊效应系数是通过查图法确定或取为定值；文献[4]给出了用立方型状态方程计算焦耳-汤姆逊效应系数的方法；文献[5]给出了LKP状态方程计算焦耳-汤姆逊效应系数的方法；文献[6]用扩展的维里型状态方程以数值计算的方法研究了天然气的焦耳-汤姆逊效应系数，文献[7]用实验的方法研究了二氧化碳的焦耳-汤姆逊效应系数，以上方法中后几种过于复杂，有的受气体组分和温度压力范围以及实用性的限制，不适用于工程上的简单计算。

1　节流效应简介

气体在流道中经过突然缩小的断面（如管道上的针形阀、孔板等），产生强烈的涡流，使压力下降，这种现象称为节流。气体通过缩孔时流速很高与外界热交换一般很小（可忽略），节流过程视为绝热过程[8]。在工程中绝热节流过程得到广泛应用，各种阀门和调压器就是利用节流过程来调节压力和控制流量的。气体节流过程如图1所示，在缩孔附近流速增加，由热力学第一定律可知焓会下降，气流在通过缩孔时动能增加，由伯努利方程可知压力下降，同时会产生摩阻损失，摩擦产生的热能又被流体所吸收。但由于扰动和摩擦的不可逆性，气体节流后的状态不能恢复到节流前的状态，因此绝热节流是不可逆的过程，在节流过程中流体处于非平衡状态，没有确定的状态参数。但是可以研究节流前后流体处于平衡状态的情况，如距离节流足够远的两个截面1、2处，气体已为平衡状态，对于水平管气体位能不变，节流以后，流速增大，但总的来讲，动能变化不大可忽略，根据能量守恒可得节流前后（1、2处）气体的焓相等，即h1=h2。

图1　气体节流过程

对于理想气体焓是温度的单值函数，但对真实气体还与压力有关，所以对真实气体而言，节流以后压力下降，通常也会造成温度下降，这称为节流正效应；当气体节流前温度T1超过最大转变温度（约为临界温度的4.85～6.2倍）时，节流后压力下降，会造成温度上升，这称为节流负效应。

节流效应又称为焦耳-汤姆逊效应。定义温度下降的数值与压力下降的数值之比称为节流效应系数[9]，它表示在焓不变的条件下气体的温度随压力的变化率。根据热力学知识和麦克斯韦关系式可导出

式（1）中 Di为焦耳-汤姆逊系数（K/kPa）；Cp为摩尔定压热容［kJ/(kmol·K)］； p为压力（kPa）；T为温度（K）； ρ为密度（kmol/m3）；其中Cp、 ρ均为未知参数，通过积分可得

应用于计算焦耳-汤姆逊效应系数的状态方程有RK方程、SRK方程、PR方程、PT方程、BWR方程、BWRS方程，其中BWRS状态方程是目前认为用于描述天然气PTV性质的最精确的方程[2]，适用性广泛，计算精度高，因此本文选用BWRS方程建立温降计算模型。

2　定压热容的计算

在高压下真实气体的定容比热和定压比热与理想气体的值差别很大[10]，文献[2]给出了高压下的定容比热的详细计算方法；文献[11]给出了理想气体状态下物质的热容与温度的经验关联式，将热容定义为温度的单一函数；文献[12]通过对天然气实验数据拟合得到的定压比热经验公式，为了增强其对现场应用中的适应性，通过对现场生产数据与公式计算结果偏差原因的分析，对其公式中的参数进行了优化，经验公式中的定压比热定义为温度、压力、混合气体摩尔质量的函数；对于不同组分气体可直接利用实用热物理性质手册中的数据，或者对其中的数据进行回归分析得出计算式，例如甲烷，通过回归分析得到比热计算式[4,13]。

前两种方法均是先将实际气体理想化，然后在按实际气体进行修正，而且它的使用条件是高压条件，显然对于实际气体而言，在低压高温条件才接近理想气体，在修正时又与高压条件不符，从而使实际情况受到限制，通过实际的验证显示只有在高温低压条件下计算结果比较准确，而在其他情况下误差比较大；第四种方法在使用时需要先查阅相关手册选取数据（纯组分）或者对数据进行回归分析，这样不便于程序运算，同时适用于纯组分；故文中在计算Cp时采用的是第三种方法。

3　实例计算

3.1程序计算法

根据气体含液量由少到多的情况对10#站含液天然气节流温降进行分析，含液量为月累计产液量（m3）与产气量（m3）的比值。结果见表1。

表1　10#站不同井不同含液量的对比结果

由以上计算结果与测量结果对比情况可以看出，当含液体积分数达到3.77×10-5时平均温度偏差0.2℃/MPa，当含液体积分数达到4.02×10-5时，平均温度偏差2.4℃/MPa，偏差已经很大，此方法不再适用。

3.2查图法

根据文献[3]对现场数据进行验证，该曲线是根据含液体积分数在11.3×10-6(GPA标准)条件下得出来的，以11.3×10-6为标准，每增减5.6×10-6，应有相应的±2.8℃的温度修正值，含液体积分数最高达28.3×10-6，高于此值曲线不再适用。对于不在曲线上的点采取内插法进行计算。计算结果见表2。

由表2计算结果可以看出，当含液体积分数达到1.41×10-5时，偏差开始增大，当含液体积分数达到1.73×10-5时，温度平均偏差为3.2℃，查图法不宜使用。

3.3结果分析

（1）程序计算法。当含液量比较少的时候，在节流过程中对其阀后温度的影响不大，产生的偏差一方面由于现场测量的组分当中含有少量的空气、氦气、氩气、氢气，而BWRS方程没有对其他数据相关联的kij数据，所以在计算过程没有考虑，使得计算会有一定的偏差。从计算结果可以看出，当含液体积分数高于4.02×10-5时，所有的偏差均为负，随着含液量的增多，液体对阀后温度的影响越来越大，原因在于液体在节流过程中由于摩擦温度会略有上升，而气体经过节流以后会产生温降，节流后的气体温度与水的温度不同，必然会产生热交换，从而使得整个体系的温度要比纯气体节流后的温度偏高，而计算过程中并未考虑水的影响，直接按纯气体的情况进行考虑，所以使得计算结果要比实际结果偏低。由含液体积分数为3.77×10-5、4.02×10-5计算结果可看出，两者节流压降不同，前者大，后者小，节流后的气体在与液体进行换热时，液体对气体温度的提升作用，压降小的要比压降大的明显。

表2　查图计算结果与现场数据对比情况

（2）查图法。曲线图并未给出具体的组分信息，计算不同组分的天然气温降时必然会引入误差，查表过程也会人为的引入一定的读数误差，此外，曲线图上不同的压降曲线并非均匀分布，而采用内插法则是按均匀分布的方式计算的，由此也会引入一定的误差。当含液体积分数高于1.41×10-5时，偏差开始增大，误差增大的原因在于曲线图所描述的体系不同于现场的体系，查图后的温度修正不能弥补液体对气体的温升作用。