摘要：目前國內(nèi)外高含硫天然氣田開發(fā)多采用高壓輸送工藝，高含硫天然氣分子量和壓縮系數(shù)對流量的影響較大。為此，以普光氣田高含硫天然氣氣體主要成分為基準(zhǔn)條件，考慮各氣體成分的交互作用，基于Peng-Robinson方程解算出H₂S摩爾分?jǐn)?shù)從0～40%的天然氣壓縮系數(shù)。通過計算分析對比可知：高含硫氣體流量變化的影響因素與氣體成分及摩爾含量有直接關(guān)系。體積流量變化在相同壓力條件下，隨不同合量H₂S不是單純的負(fù)增長下降趨勢，壓縮系數(shù)和分子量共同影響體積流量的變化。質(zhì)量流量隨H₂S重組分的增加而增加，但主要受壓縮系數(shù)的影響，增長速度及方向會在2個不同壓力范圍內(nèi)發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：高含硫天然氣；硫化氫；分子量；壓縮系數(shù)；流量；影響

    目前國內(nèi)外高含硫天然氣田開發(fā)多采用高壓輸送工藝^[1]，高含硫天然氣由井口至天然氣凈化廠壓力范圍跨度較大，、如普光氣田井口生產(chǎn)壓力為19～28MPa，而經(jīng)集氣站節(jié)流至天然氣凈化廠的輸氣管線運行壓力為8～10MPa，壓力變化較大^[2]，而各井口的氣體成分，尤其是H₂S含量差別較大，目前專門針對高含硫天然氣對流量的影響研究較少。為此，通過計算模擬的方法分析了高含硫天然氣分子量和壓縮系數(shù)的變化對流量的影響規(guī)律。

    我國SYT 6143—2004《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量》和GBT 11062—1998《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》僅給出了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下個別計量參比條件壓縮系數(shù)Z的計算方法；美國煤氣協(xié)會(AGA)壓縮系數(shù)計算公式適用于天然氣主要含量為甲烷、乙烷、重?zé)N影響較小的情況^[3]。為準(zhǔn)確求解壓縮系數(shù)Z，應(yīng)考慮壓力升高和密度增加時分子本身占據(jù)的體積和分子間的相互作用力^[4]。因此，利用Peng-Robinson狀態(tài)方程得到關(guān)于高含硫天然氣混合氣體壓縮系數(shù)Z的方程：

Z³=(1-B)Z²+(A-3B)Z-(AB-B²-B³)=0    (1)

 

    以上3式中：R為氣體常數(shù)，8.314kJ/(kmol·K)；a和b為混合物常數(shù)，由純組分的摩爾分?jǐn)?shù)y_i和相應(yīng)常數(shù)a_i、b_i按分別按式(4)、(5)的混合規(guī)則求得，二元相互作用采用表1所列的交互參數(shù)K_ij。

為模擬氣田高含硫天然氣中H₂S含量對壓縮系數(shù)和天然氣流通能力的影響，以表2所示氣體成分為基準(zhǔn)條件，逐漸增加H₂S的摩爾分?jǐn)?shù)，模擬不同井口和管線內(nèi)氣體成分的影響。

表2 天然氣壓縮系數(shù)Z計算基準(zhǔn)條件表    %

以普光氣田集輸系統(tǒng)最低運行溫度40℃為溫度條件；壓力為6～16MPa時的混合氣體壓縮系數(shù)變化情況見圖1。壓力為17～19MPa時的混合氣體壓縮系數(shù)變化情況見圖2。對比兩圖可知：在基準(zhǔn)條件下壓縮系數(shù)均隨著H₂S含量的增加而下降，但在6～16MPa條件下，同H₂S摩爾含量氣體壓縮系數(shù)隨壓力升高而降低，而在17～19MPa附近氣體壓縮系數(shù)大小及變化近似一致，在21～29MPa范圍，同H₂S摩爾含量的壓縮系數(shù)卻隨著壓力升高而升高，與壓力6～16MPa時相反。

 

    不考慮地形起伏影響時，標(biāo)準(zhǔn)狀況p₀=0.101MPa，T₀=293.15K)下的體積流量方程為：

 

式中：Q為天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，m²/s；p_Q為管道進(jìn)口氣體壓力，MPa；p_Z為管道出口氣體壓力，MPa；Z為管道平均壓力和平均溫度下的壓縮系數(shù)天然氣壓縮系數(shù)；R_a為空氣氣體常數(shù)，m²/(s²·K)；D為管道內(nèi)徑，m；T為天然氣平均溫度，K；L為管道長度，m；λ為水力摩阻系數(shù)，無因次；M為天然氣氣體平均分子量。

為便于分析含H₂S氣體平均分子量和壓縮系數(shù)對流通能力的影響，采用相對變化率進(jìn)行分析。由式(6)可知同一管道在運行條件相同時(即p_Z、p_Q、D、T、L相等)，水力摩阻系數(shù)(基于Weymouth和前蘇聯(lián)天然氣研究所早期和近期等公式^[5])主要與D有關(guān)，故可以得出天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量與成正比例關(guān)系的結(jié)論，這和文獻(xiàn)[6]、[7]的結(jié)論一致。不同H₂S含量的體積流量相對變化率，可表示為式(7)。同理可得出天然氣質(zhì)量流量與成正比例關(guān)系，不同H₂S含量的質(zhì)量流量相對變化率表示為式(8)：

 

式中：M、Z分別為H₂S摩爾分?jǐn)?shù)為某值時的混合氣體的分子量和壓縮系數(shù)；M₀、Z₀為H₂S摩爾分?jǐn)?shù)為0時混合氣體的分子量和壓縮系數(shù)。

圖3、4分別給出了基于前述基準(zhǔn)條件，40℃時壓力為6～16MPa、17～29MPa和不同H₂S摩爾分?jǐn)?shù)含量時體積流量相對變化情況。由圖3、4可知：在所列H₂S摩爾分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，隨著H₂S含量增加，6～8MPa范圍內(nèi)體積流量變化始終負(fù)增長，呈下降趨勢；12～16MPa，17～27MPa的體積流量變化均開始負(fù)增長，后正增長；10MPa時與29MPa時類似，分別在H₂S摩爾分?jǐn)?shù)為25%、20%附近時體積流量降至最低，分別降低3%和1.6%。

 

    圖5、6分別給出了基于前述基準(zhǔn)條件，40℃時壓力為6～16MPa、17～29MPa和不同HzS摩爾含量時質(zhì)量流量變化情況。可見質(zhì)量流量變化主要受到H₂S含量的影響，均隨H₂S摩爾分?jǐn)?shù)增加而增加。相同H₂S摩爾分?jǐn)?shù)時，6～16MPa的質(zhì)量流量隨壓力增加的變化速度明顯加快，而在19～29MPa范圍時又隨壓力增加變化速度變慢。

    通過計算分析對比可知：高含硫氣體流量變化的影響因素與氣體成分及摩爾含量有直接關(guān)系。體積流量變化在相同壓力條件下，隨不同含量H₂S不是單純的負(fù)增長下降趨勢，壓縮系數(shù)和分子量共同影響體積流量的變化。質(zhì)量流量隨H₂S重組分的增加而增加，但主要受壓縮系數(shù)的影響，增長速度及方向會在2個不同壓力范圍內(nèi)發(fā)生變化。

[1] EDWARD W. Design and operation of sour gas gathering systems[M].Canada：[s.n.]，2000.

[2] 何生厚.普光高含H₂S、CO₂氣田開發(fā)技術(shù)難題及對策[J].天然氣工業(yè)，2008，28(4)：82-85.

[3] 李長俊.天然氣管道輸送[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000：14-17.

[4] BOYUN GUO，ALI C HALAMBOR. Natural gas engineering Handbook[M].[S.l.]：Gulf Publishing Company，2005：97-140.

[5] 王志昌.輸氣管道工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997：24-29.

[6] MoHITP0uR M，GOLSHAN H，MURRAY A. Pipeline design＆construction：a practical approach[M].[S.l]：ASME Press，2000：71-74.

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(本文作者：付建民¹ 陳國明³ 龔金海² 王勇² 1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國石化中原油田勘探設(shè)計研究院)