一種酸性天然氣管線硫沉積預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及酸性天然氣集輸技術領域，特別涉及一種酸性天然氣管線硫沉積預測 方法。
【背景技術】
[0002] 酸性天然氣中常含有硫化氫等硫化物，在開發和集輸過程中，不僅具有劇毒性和 高腐蝕性，在特定條件下還會析出單質硫而引起硫元素的沉積。集輸系統中的硫沉積會導 致管線的過流面積減小，降低集輸效率，嚴重時會堵塞管線和設備，造成停產。同時，沉積硫 的存在也會加速集輸管道和設備的腐蝕，造成管材的疲勞破壞，從而嚴重影響集輸系統的 正常運行。
[0003] 國內外學者對氣藏和井筒中的硫沉積問題研究較多，而集輸系統中的硫沉積一直 沒有引起足夠的重視，尚無針對集輸系統硫沉積的有效預測方法。隨著能源問題的日益突 出，越來越多的高含硫酸性氣藏被開發，而集輸系統的運行壓力也不斷提高，更有利于硫元 素的形成，這使得集輸系統中的硫沉積問題越來越突出。目前，硫沉積已成為含硫酸性天然 氣集輸過程中普遍存在的難點問題和制約含硫酸性天然氣集輸技術的瓶頸之一。而準確的 硫沉積預測是確定酸性天然氣管線硫沉積防治措施和管線中沉積硫經濟清管周期的基礎。
[0004] 目前，已有的井筒硫沉積預測方法一般采用由硫固體顆粒垂直方向所受重力、曳 力和浮力合力為零推導得到的臨界流速計算模型作為硫沉積的判斷準則。在地面管線中， 上述三種力不在同一方向，因此該方法不能適用于地面管線的硫沉積預測。另外，傳統的井 筒硫沉積預測方法未考慮過飽和距離，認為只要含硫量大于其溶解度，即有固體硫顆粒析 出，并采用其最大顆粒直徑用于臨界流速計算。而實際上，在過飽和區域，固體硫顆粒處于 成核過程中，不會發生硫元素沉積；在固體硫顆粒沿管線運動過程中，硫顆粒的直徑也并不 是不變的，而是隨著硫元素的析出逐漸增大的。傳統方法并未考慮上述因素的影響，其計算 精度也就不盡如人意。因此，建立更加科學可靠的酸性天然氣管線硫沉積預測方法具有十 分重要的意義。
【發明內容】
[0005] 針對酸性天然氣集輸系統的硫沉積問題，本發明的目的在于提出一種酸性天然氣 管線硫沉積預測方法，基于硫的溶解度模型、經典成核理論和粒子運動方程建立硫元素析 出和沉積的熱力學及動力學模型，并通過計算飽和距離、過飽和距離和顆粒最大迀移距離， 計算酸性天然氣管線的硫沉積位置、硫沉積量以及沉積硫的平均厚度，實現酸性天然氣管 線硫沉積預測。
[0006] 為了達到上述目的，本發明的技術方案為：
[0007] -種酸性天然氣管線硫沉積預測方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟S1 :建立酸性天然氣熱力學性質計算模型，熱力學性質包括密度、動力粘度、 偏差系數、焦耳_湯姆遜系數；
[0009] 步驟S2 :將酸性天然氣管線劃分為多個計算單元，利用輸氣管道壓降、溫降計算 公式，建立酸性天然氣管線壓力溫度耦合計算模型，并計算沿管線的壓力溫度分布；
[0010] 步驟S3 :建立酸性天然氣中硫元素的溶解度計算模型，根據壓力溫度參數計算沿 管線硫元素的溶解度變化；
[0011] 步驟S4 :計算從管道起點到硫蒸汽濃度達到其溶解度值的起始位置之間的距離， 稱為飽和距離；
[0012] 步驟S5 :根據溶解度的變化確定各區域硫元素的析出量；
[0013] 步驟S6 :采用經典成核理論計算從飽和點到出現可見硫顆粒位置之間的距離，稱 為過飽和距離；
[0014] 步驟S7 :通過跟蹤硫顆粒的運動軌跡確定硫顆粒的最大迀移距離；
[0015] 步驟S8 :根據硫元素沿管線的析出量和所析出硫顆粒的最大迀移距離計算沿管 線的硫沉積位置、硫沉積量以及沉積硫的平均厚度。
[0016] 所述步驟S6具體為：
[0017] (1)采用經典成核理論計算需要克服吉布斯自由能的閥值：
[0018]
[0019] 式中J，K，AG，kjPT分別表示成核速率、預指數因子、吉布斯自由能、玻耳茲曼常 數和溫度，預指數因子K采用下式計算
[0020]
[0021] 式中0，a，u』和〇分別表示不等溫因子、凝聚因子、硫的分子體積、可凝聚分 子數和硫的界面張力。
[0022] 可凝聚分子數采用下式計算：
[0023] N=PMyENA
[0024] 式中PM，yjPNA分別表示混合密度、萃取條件下硫元素的摩爾分數和阿伏加德羅 常數。
[0025] 硫的界面張力〇由下式計算：
[0026]
[0027] 式中p。、T。、Tto、1；和分別表示臨界壓力、臨界溫度、對比溫度、對比沸點溫度和 沸點溫度。
[0028] 天然氣中存在雜質時，吉布斯自由能通過下式計算：
[0029]
[0030] 式中psat，psys和S( 9 )分別表示飽和壓力、系統壓力和雜質形狀因子。
[0031] (2)當成核速率超出可見成核速率的閥值時，認為首個可見的硫元素顆粒出現，從 而由下式確定過飽和距離L2，
[0032] L2 =LJ>Jvmbte
[0033] 式中Jvlslbl彥示出現可見硫元素顆粒時的成核速率，建議取1個/m3d。
[0034] 所述步驟S7具體為：
[0035] (1)通過求解如下運動方程計算硫顆粒的運動軌跡：
[0036]
[0037] 式中4 ,t和:^分別表示硫顆粒的位置、時間和速度，硫顆粒的速度通過牛頓第 二定律計算：
[0038]
[0039] 式中mp(t)表示瞬時硫顆粒的質量，表示總力包括曳力、重力以及布朗力，其
中布朗力只有當顆粒尺寸小于2ym時才起作用。式中硫顆粒的瞬時粒徑通過質量平衡計 算：
[0040]
[0041] 式中rp表示顆粒半徑，Am表示計算單元中硫元素的析出量。
[0042] 硫顆粒的凝聚特性采用Smoluchowski模型計算：
[0043]
[0044] 式中N。，K和y分別表示初始硫顆粒數量、碰撞系數和氣體粘度。
[0045] 假設管壁金屬表面液體無液體潤濕，采用Tabakoff模型模擬粒子和管道壁之間 的相互作用：
[0046]
[0047]
[0048] 式中a挪a2分別表示顆粒與管壁碰撞的入射角和反射角，Vp2和Vpl表示粒子碰 撞前和碰撞后的速度。
[0049] (2)根據計算出的硫顆粒運動軌跡確定硫顆粒的最大迀移距離L3。
[0050] 所述步驟S8具體為：
[0051] (1)根據硫元素沿管線的析出量、所析出硫顆粒的過飽和距離和最大迀移距離計 算沿管線的硫沉積位置和單位時間內硫元素的沉積量：
[0052] 假設在管線入口Xl位置處，析出硫元素ylg/s，其過飽和距離為L21，最大迀移距離 為L31，則在義丨+^+^處，有y出/s硫兀素沉積；
[0053] 同理，在管線入口x2位置處，析出硫元素y2g/s，其過飽和距離為L22，最大迀移距離 為L32，則在x2+L22+L3；^，有y2g/s硫兀素沉積；
[0054] 同理，在管線入口x3位置處，析出硫元素y3g/s，其過飽和距離為L23，最大迀移距離 為L33，則在x3+L23+L3；^，有y3g/s硫兀素沉積；
[0055] ......;
[0056] 同理，在管線入口xn位置處，析出硫元素yng/s，其過飽和距離為L2n，最大迀移距 離為L3n，則在xn+L2n+L3r^，有yng/s硫元素沉積；
[0057] ......;
[0058] 管線某位置所有計算出的硫元素沉積量之和，即為此處單位時間內硫元素的沉積 量，管線中硫沉積量不為〇的區域即為硫沉積位置。
[0059] (2)計算酸性天然氣管線中硫元素的總沉積量和沉積硫的平均厚度：
[0060] 管線中某一時間段內硫元素的總沉積量：
[0061]
[0062] 式中t為時間，x為離管線入口的距離，L為管線總長，M為t時間內的管線中硫元 素的總沉積量。
[0063] 管線中沉積硫的平均厚度：
[0064]
[0065]式中5為沉積硫平均厚度，M為管線中硫元素的總沉積量，D為管線內徑，Ls為硫 沉積區域長度，M為t時間內的管線中硫元素的總沉積量。
[0066] 本發明的有益效果是，本發明認為飽和點到出現可見硫顆粒位置之間存在一個過 飽和距離L2，能夠更精確的計算可見硫顆粒的析出位置；采用運動方程計算硫顆粒的運動 軌跡，繼而確定硫顆粒的最大迀移距離l3，該方法從機理上比借用垂直井筒中硫顆粒臨界 流速計算模型進行硫沉積位置預測更合理，使得預測結果也更加科學、準確、可靠。
【附圖說明】
[0067] 圖1為本發明構建預測模型的流程圖。
[0068]圖2為本發明中管線壓力溫度分布耦合計算流程圖。
[0069] 圖3為本發明中硫固體顆粒的運動軌跡示意圖。
【具體實施方式】
[0070] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0071] -種酸性天然氣管線硫沉積預測方法，包括以下步驟：
[0072]參照圖1，步驟S1 :建立酸性天然氣密度、動力粘度、偏差系數、焦耳-湯姆遜系數 等熱力學性質計算模型。
[0073] (1)酸性天然氣密度由下式計算：
[0074]
[0075] 式中P，71為和￥1