一种酸性天然气管线硫沉积预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及酸性天然气集输技术领域，特别涉及一种酸性天然气管线硫沉积预测 方法。
【背景技术】
[0002] 酸性天然气中常含有硫化氢等硫化物，在开发和集输过程中，不仅具有剧毒性和 高腐蚀性，在特定条件下还会析出单质硫而引起硫元素的沉积。集输系统中的硫沉积会导 致管线的过流面积减小，降低集输效率，严重时会堵塞管线和设备，造成停产。同时，沉积硫 的存在也会加速集输管道和设备的腐蚀，造成管材的疲劳破坏，从而严重影响集输系统的 正常运行。
[0003] 国内外学者对气藏和井筒中的硫沉积问题研究较多，而集输系统中的硫沉积一直 没有引起足够的重视，尚无针对集输系统硫沉积的有效预测方法。随着能源问题的日益突 出，越来越多的高含硫酸性气藏被开发，而集输系统的运行压力也不断提高，更有利于硫元 素的形成，这使得集输系统中的硫沉积问题越来越突出。目前，硫沉积已成为含硫酸性天然 气集输过程中普遍存在的难点问题和制约含硫酸性天然气集输技术的瓶颈之一。而准确的 硫沉积预测是确定酸性天然气管线硫沉积防治措施和管线中沉积硫经济清管周期的基础。
[0004] 目前，已有的井筒硫沉积预测方法一般采用由硫固体颗粒垂直方向所受重力、曳 力和浮力合力为零推导得到的临界流速计算模型作为硫沉积的判断准则。在地面管线中， 上述三种力不在同一方向，因此该方法不能适用于地面管线的硫沉积预测。另外，传统的井 筒硫沉积预测方法未考虑过饱和距离，认为只要含硫量大于其溶解度，即有固体硫颗粒析 出，并采用其最大颗粒直径用于临界流速计算。而实际上，在过饱和区域，固体硫颗粒处于 成核过程中，不会发生硫元素沉积；在固体硫颗粒沿管线运动过程中，硫颗粒的直径也并不 是不变的，而是随着硫元素的析出逐渐增大的。传统方法并未考虑上述因素的影响，其计算 精度也就不尽如人意。因此，建立更加科学可靠的酸性天然气管线硫沉积预测方法具有十 分重要的意义。
【发明内容】
[0005] 针对酸性天然气集输系统的硫沉积问题，本发明的目的在于提出一种酸性天然气 管线硫沉积预测方法，基于硫的溶解度模型、经典成核理论和粒子运动方程建立硫元素析 出和沉积的热力学及动力学模型，并通过计算饱和距离、过饱和距离和颗粒最大迀移距离， 计算酸性天然气管线的硫沉积位置、硫沉积量以及沉积硫的平均厚度，实现酸性天然气管 线硫沉积预测。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] -种酸性天然气管线硫沉积预测方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤S1 :建立酸性天然气热力学性质计算模型，热力学性质包括密度、动力粘度、 偏差系数、焦耳_汤姆逊系数；
[0009] 步骤S2 :将酸性天然气管线划分为多个计算单元，利用输气管道压降、温降计算 公式，建立酸性天然气管线压力温度耦合计算模型，并计算沿管线的压力温度分布；
[0010] 步骤S3 :建立酸性天然气中硫元素的溶解度计算模型，根据压力温度参数计算沿 管线硫元素的溶解度变化；
[0011] 步骤S4 :计算从管道起点到硫蒸汽浓度达到其溶解度值的起始位置之间的距离， 称为饱和距离；
[0012] 步骤S5 :根据溶解度的变化确定各区域硫元素的析出量；
[0013] 步骤S6 :采用经典成核理论计算从饱和点到出现可见硫颗粒位置之间的距离，称 为过饱和距离；
[0014] 步骤S7 :通过跟踪硫颗粒的运动轨迹确定硫颗粒的最大迀移距离；
[0015] 步骤S8 :根据硫元素沿管线的析出量和所析出硫颗粒的最大迀移距离计算沿管 线的硫沉积位置、硫沉积量以及沉积硫的平均厚度。
[0016] 所述步骤S6具体为：
[0017] (1)采用经典成核理论计算需要克服吉布斯自由能的阀值：
[0018]
[0019] 式中J，K，AG，kjPT分别表示成核速率、预指数因子、吉布斯自由能、玻耳兹曼常 数和温度，预指数因子K采用下式计算
[0020]
[0021] 式中0，a，u』和〇分别表示不等温因子、凝聚因子、硫的分子体积、可凝聚分 子数和硫的界面张力。
[0022] 可凝聚分子数采用下式计算：
[0023] N=PMyENA
[0024] 式中PM，yjPNA分别表示混合密度、萃取条件下硫元素的摩尔分数和阿伏加德罗 常数。
[0025] 硫的界面张力〇由下式计算：
[0026]
[0027] 式中p。、T。、Tto、1；和分别表示临界压力、临界温度、对比温度、对比沸点温度和 沸点温度。
[0028] 天然气中存在杂质时，吉布斯自由能通过下式计算：
[0029]
[0030] 式中psat，psys和S( 9 )分别表示饱和压力、系统压力和杂质形状因子。
[0031] (2)当成核速率超出可见成核速率的阀值时，认为首个可见的硫元素颗粒出现，从 而由下式确定过饱和距离L2，
[0032] L2 =LJ>Jvmbte
[0033] 式中Jvlslbl彥示出现可见硫元素颗粒时的成核速率，建议取1个/m3d。
[0034] 所述步骤S7具体为：
[0035] (1)通过求解如下运动方程计算硫颗粒的运动轨迹：
[0036]
[0037] 式中4 ,t和:^分别表示硫颗粒的位置、时间和速度，硫颗粒的速度通过牛顿第 二定律计算：
[0038]
[0039] 式中mp(t)表示瞬时硫颗粒的质量，表示总力包括曳力、重力以及布朗力，其
中布朗力只有当颗粒尺寸小于2ym时才起作用。式中硫颗粒的瞬时粒径通过质量平衡计 算：
[0040]
[0041] 式中rp表示颗粒半径，Am表示计算单元中硫元素的析出量。
[0042] 硫颗粒的凝聚特性采用Smoluchowski模型计算：
[0043]
[0044] 式中N。，K和y分别表示初始硫颗粒数量、碰撞系数和气体粘度。
[0045] 假设管壁金属表面液体无液体润湿，采用Tabakoff模型模拟粒子和管道壁之间 的相互作用：
[0046]
[0047]
[0048] 式中a挪a2分别表示颗粒与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)根据计算出的硫颗粒运动轨迹确定硫颗粒的最大迀移距离L3。
[0050] 所述步骤S8具体为：
[0051] (1)根据硫元素沿管线的析出量、所析出硫颗粒的过饱和距离和最大迀移距离计 算沿管线的硫沉积位置和单位时间内硫元素的沉积量：
[0052] 假设在管线入口Xl位置处，析出硫元素ylg/s，其过饱和距离为L21，最大迀移距离 为L31，则在义丨+^+^处，有y出/s硫兀素沉积；
[0053] 同理，在管线入口x2位置处，析出硫元素y2g/s，其过饱和距离为L22，最大迀移距离 为L32，则在x2+L22+L3；^，有y2g/s硫兀素沉积；
[0054] 同理，在管线入口x3位置处，析出硫元素y3g/s，其过饱和距离为L23，最大迀移距离 为L33，则在x3+L23+L3；^，有y3g/s硫兀素沉积；
[0055] ......;
[0056] 同理，在管线入口xn位置处，析出硫元素yng/s，其过饱和距离为L2n，最大迀移距 离为L3n，则在xn+L2n+L3r^，有yng/s硫元素沉积；
[0057] ......;
[0058] 管线某位置所有计算出的硫元素沉积量之和，即为此处单位时间内硫元素的沉积 量，管线中硫沉积量不为〇的区域即为硫沉积位置。
[0059] (2)计算酸性天然气管线中硫元素的总沉积量和沉积硫的平均厚度：
[0060] 管线中某一时间段内硫元素的总沉积量：
[0061]
[0062] 式中t为时间，x为离管线入口的距离，L为管线总长，M为t时间内的管线中硫元 素的总沉积量。
[0063] 管线中沉积硫的平均厚度：
[0064]
[0065]式中5为沉积硫平均厚度，M为管线中硫元素的总沉积量，D为管线内径，Ls为硫 沉积区域长度，M为t时间内的管线中硫元素的总沉积量。
[0066] 本发明的有益效果是，本发明认为饱和点到出现可见硫颗粒位置之间存在一个过 饱和距离L2，能够更精确的计算可见硫颗粒的析出位置；采用运动方程计算硫颗粒的运动 轨迹，继而确定硫颗粒的最大迀移距离l3，该方法从机理上比借用垂直井筒中硫颗粒临界 流速计算模型进行硫沉积位置预测更合理，使得预测结果也更加科学、准确、可靠。
【附图说明】
[0067] 图1为本发明构建预测模型的流程图。
[0068]图2为本发明中管线压力温度分布耦合计算流程图。
[0069] 图3为本发明中硫固体颗粒的运动轨迹示意图。
【具体实施方式】
[0070] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0071] -种酸性天然气管线硫沉积预测方法，包括以下步骤：
[0072]参照图1，步骤S1 :建立酸性天然气密度、动力粘度、偏差系数、焦耳-汤姆逊系数 等热力学性质计算模型。
[0073] (1)酸性天然气密度由下式计算：
[0074]
[0075] 式中P，71為和￥1