基于LKP的天然气投产软件编制

孙勇

(国家管网集团北方管道有限责任公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

天然气投产过程中的许多地方需要用到水力计算，其中就涉及天然气的热物性参数[1]。国内外许多学者通过状态方程、相关理论以及标准建立预测气体物性参数的模型。LEE等[2]于1975年基于对应状态原理提出了一种关于压力、体积和温度的3参数对应态方程，即Lee-Kesler状态方程。1978年Plocker-Knapp在Lee-Kesler状态方程的基础上提出了改进后的气体混合规则，称为Lee-Kesler-Plocker状态方程(简称“LKP状态方程”)。李丹华等[3]根据GB/T 17747.2[4]，采用AGA 8-92DC计算方法，计算天然气压缩因子，平均相对误差为-1.4%。HAFSI等[5]基于Soave Redlich-Kwong(SRK)真实气体状态方程(EOS)建立氢气-天然气混合物压缩因子的相关性研究，在等温条件下对气体压缩因子的演变进行跟踪。目前Pipeline Studio软件采用BWRS、PR、SRK等状态方程；SPS软件采用的状态方程有BWRS、AGA8、CNGA等。

在投产之前，需要对投产方案中相关参数进行大量计算以制定详细的投产方案，这往往会消耗现场工作人员大量时间，且计算精度不高。但天然气投产作业面临着大规模的转变，需减少相关参数计算时间以及提高计算精度。因此，本文根据实际投产情况开发出能够提高天然气管道投产效率的软件。

1 投产过程参数计算方法

1.1 压缩因子与密度

压缩因子定义为在规定压力和温度条件下，任意质量气体的实际体积与理想状态下的体积的比值[6]。密度是指在规定压力和温度下，气体质量与体积的比值[7]。不同状态方程计算结果不同，通过查阅对状态方程的优缺点[1,8]进行了总结，具体优缺点如表1所示。

表1 状态方程优缺点

综上，LKP状态方程适用于宽沸程混合物，具有较高的热物性计算精确度，被认为是目前计算密度、压缩因子、摩尔焓和摩尔熵的最佳方法之一，具有普遍适用的参数[9-10]。对压力、温度的覆盖面大，适用范围广泛，因此选择LKP状态方程进行计算。

天然气压缩因子、密度的表达式分别定义为式(1)、式(2)[1]。

式(1)～式(2)中：Z为体压缩因子；Mρ为气体摩尔密度(kmol/m3)；ω为气体偏心因子[11-12]；T为温度(K)；p为压力(kPa)；R为摩尔气体常数，取8.314472 kJ/(kmol·K)；上标0为简单流体参数；上标r为参考流体(正辛烷)参数。

1.2 管存气量

投产期间稳压过程管存气量计算公式如式(3)所示：

式中：Vs为某一阶段时标况下用气量(104m3)；VT为管道容积(104m3)；P0为标况压力(MPa)；T为气体平均温度(K)；Pcp为当前阶段管道压力(MPa)。

1.3 混气头运移速度

根据SY/T 5922—2012《天然气管道运行规范》[13]中对置换速度的规定，要求置换过程中气体流速不宜超过5 m/s。在后续软件编写过程中，对混气头的运移速度采用的是5 m/s。

2 天然气投产软件编制

2.1 软件设计

根据天然气投产过程，采用DevExpress控件进行界面开发。软件整体界面布局由ribbon菜单栏、工程树部分、效果展示区三部分组成。ribbon菜单栏和工程树部分为用户提供多种操作途径，效果展示区是对发起的操作进行展示。天然气管道投产软件功能界面图如图1所示。

图1 天然气管道投产软件功能界面图

2.2 准确性验证

选取ISO 20765中两种气体，如表2所示，代入软件进行计算，计算结果与ISO中的标准值对比，对比结果如表3和表4所示，发现最大误差为0.25%，满足工程需求。

表2 气体摩尔组成

表3 气体1的计算值与标准值对比表

表4 气体2的计算值与标准值对比表

2.3 软件功能案例展示

对软件压缩因子、密度等参数计算功能进行展示。根据气质组分建立天津LNG流体包，选择该流体包，并采用LKP方程计算，可以得到该流体包在指定温度压力条件下的压缩因子、密度值，如图2所示。此外，还可以设置温度、压力梯度，得到不同温压条件下计算结果，如图3所示。

图2 参数计算结果

图3 计算结果表格展示

3 结语

(1)对比状态方程的优缺点，选用LKP状态方程计算天然气投产过程中压缩因子与密度，通过软件计算结果与标准值进行对比，最大误差为0.25%，满足工程需求。

(2)该天然气投产软件采用DevExpress控件进行界面开发，能够迅速计算压缩因子、管存量等参数，具有计算结果快、计算精度高等优点，提高了天然气投产的效率。