孫勇
(國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司,河北 廊坊 065000)
天然氣投產(chǎn)過程中的許多地方需要用到水力計算,其中就涉及天然氣的熱物性參數(shù)[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者通過狀態(tài)方程、相關(guān)理論以及標準建立預(yù)測氣體物性參數(shù)的模型。LEE等[2]于1975年基于對應(yīng)狀態(tài)原理提出了一種關(guān)于壓力、體積和溫度的3參數(shù)對應(yīng)態(tài)方程,即Lee-Kesler狀態(tài)方程。1978年P(guān)locker-Knapp在Lee-Kesler狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上提出了改進后的氣體混合規(guī)則,稱為Lee-Kesler-Plocker狀態(tài)方程(簡稱“LKP狀態(tài)方程”)。李丹華等[3]根據(jù)GB/T 17747.2[4],采用AGA 8-92DC計算方法,計算天然氣壓縮因子,平均相對誤差為-1.4%。HAFSI等[5]基于Soave Redlich-Kwong(SRK)真實氣體狀態(tài)方程(EOS)建立氫氣-天然氣混合物壓縮因子的相關(guān)性研究,在等溫條件下對氣體壓縮因子的演變進行跟蹤。目前Pipeline Studio軟件采用BWRS、PR、SRK等狀態(tài)方程;SPS軟件采用的狀態(tài)方程有BWRS、AGA8、CNGA等。
在投產(chǎn)之前,需要對投產(chǎn)方案中相關(guān)參數(shù)進行大量計算以制定詳細的投產(chǎn)方案,這往往會消耗現(xiàn)場工作人員大量時間,且計算精度不高。但天然氣投產(chǎn)作業(yè)面臨著大規(guī)模的轉(zhuǎn)變,需減少相關(guān)參數(shù)計算時間以及提高計算精度。因此,本文根據(jù)實際投產(chǎn)情況開發(fā)出能夠提高天然氣管道投產(chǎn)效率的軟件。
壓縮因子定義為在規(guī)定壓力和溫度條件下,任意質(zhì)量氣體的實際體積與理想狀態(tài)下的體積的比值[6]。密度是指在規(guī)定壓力和溫度下,氣體質(zhì)量與體積的比值[7]。不同狀態(tài)方程計算結(jié)果不同,通過查閱對狀態(tài)方程的優(yōu)缺點[1,8]進行了總結(jié),具體優(yōu)缺點如表1所示。
表1 狀態(tài)方程優(yōu)缺點
綜上,LKP狀態(tài)方程適用于寬沸程混合物,具有較高的熱物性計算精確度,被認為是目前計算密度、壓縮因子、摩爾焓和摩爾熵的最佳方法之一,具有普遍適用的參數(shù)[9-10]。對壓力、溫度的覆蓋面大,適用范圍廣泛,因此選擇LKP狀態(tài)方程進行計算。
天然氣壓縮因子、密度的表達式分別定義為式(1)、式(2)[1]。
式(1)~式(2)中:Z為體壓縮因子;Mρ為氣體摩爾密度(kmol/m3);ω為氣體偏心因子[11-12];T為溫度(K);p為壓力(kPa);R為摩爾氣體常數(shù),取8.314472 kJ/(kmol·K);上標0為簡單流體參數(shù);上標r為參考流體(正辛烷)參數(shù)。
投產(chǎn)期間穩(wěn)壓過程管存氣量計算公式如式(3)所示:
式中:Vs為某一階段時標況下用氣量(104m3);VT為管道容積(104m3);P0為標況壓力(MPa);T為氣體平均溫度(K);Pcp為當(dāng)前階段管道壓力(MPa)。
根據(jù)SY/T 5922—2012《天然氣管道運行規(guī)范》[13]中對置換速度的規(guī)定,要求置換過程中氣體流速不宜超過5 m/s。在后續(xù)軟件編寫過程中,對混氣頭的運移速度采用的是5 m/s。
根據(jù)天然氣投產(chǎn)過程,采用DevExpress控件進行界面開發(fā)。軟件整體界面布局由ribbon菜單欄、工程樹部分、效果展示區(qū)三部分組成。ribbon菜單欄和工程樹部分為用戶提供多種操作途徑,效果展示區(qū)是對發(fā)起的操作進行展示。天然氣管道投產(chǎn)軟件功能界面圖如圖1所示。
圖1 天然氣管道投產(chǎn)軟件功能界面圖
選取ISO 20765中兩種氣體,如表2所示,代入軟件進行計算,計算結(jié)果與ISO中的標準值對比,對比結(jié)果如表3和表4所示,發(fā)現(xiàn)最大誤差為0.25%,滿足工程需求。
表2 氣體摩爾組成
表3 氣體1的計算值與標準值對比表
表4 氣體2的計算值與標準值對比表
對軟件壓縮因子、密度等參數(shù)計算功能進行展示。根據(jù)氣質(zhì)組分建立天津LNG流體包,選擇該流體包,并采用LKP方程計算,可以得到該流體包在指定溫度壓力條件下的壓縮因子、密度值,如圖2所示。此外,還可以設(shè)置溫度、壓力梯度,得到不同溫壓條件下計算結(jié)果,如圖3所示。
圖2 參數(shù)計算結(jié)果
圖3 計算結(jié)果表格展示
(1)對比狀態(tài)方程的優(yōu)缺點,選用LKP狀態(tài)方程計算天然氣投產(chǎn)過程中壓縮因子與密度,通過軟件計算結(jié)果與標準值進行對比,最大誤差為0.25%,滿足工程需求。
(2)該天然氣投產(chǎn)軟件采用DevExpress控件進行界面開發(fā),能夠迅速計算壓縮因子、管存量等參數(shù),具有計算結(jié)果快、計算精度高等優(yōu)點,提高了天然氣投產(chǎn)的效率。