【摘要】：高含硫氣體從氣藏進(jìn)入集輸系統(tǒng)時(shí),氣體溫度和壓力降低,溶解在天然氣中的硫元素由于過(guò)飽和開(kāi)始析出成為小顆粒,進(jìn)而沉積在管道和設(shè)備的內(nèi)部表面,造成硫堵,影響集輸系統(tǒng)安全生產(chǎn)。本文采集了普光氣田集輸系統(tǒng)中的沉積物并開(kāi)展了化驗(yàn)分析。對(duì)沉積物進(jìn)行了元素分析,發(fā)現(xiàn)其含有的主要元素為S和C,分別占65%和20%左右。在掃描電鏡下放大觀察,沉積物內(nèi)含有形狀不規(guī)則的固體顆粒,固體顆粒外包裹著粘稠混合物;經(jīng)分析,固體顆粒為地層和管道中的雜質(zhì),粘稠混合物是硫單質(zhì)與管道緩蝕劑的混合物。將沉積物置于甲苯中充分溶解,對(duì)不溶物質(zhì)進(jìn)行X射線衍射分析,對(duì)可溶物進(jìn)行PID色譜分析,發(fā)現(xiàn)不溶物為S8晶體,可溶物為現(xiàn)場(chǎng)緩蝕劑。沉積物是一種非牛頓流體,具有剪切觸變性。其粘度隨溫度的升高而降低,在75℃后,升高溫度對(duì)其粘度的降低效果開(kāi)始減慢;粘度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大而減小。進(jìn)行了熱重-差熱分析,沉積物出現(xiàn)重力損失較大的位置在220℃至260℃,差熱曲線存在兩個(gè)吸熱峰,一個(gè)是硫單質(zhì)的熔點(diǎn)(113℃),另一個(gè)是現(xiàn)場(chǎng)緩蝕劑沸點(diǎn)(220℃)。測(cè)量了沉積物的熔化溫度,在65℃時(shí)就表現(xiàn)出流動(dòng)性,而其中的無(wú)機(jī)成分熔化溫度為113℃。本文對(duì)水平管道中的硫顆粒進(jìn)行了受力分析,得到了顆粒的運(yùn)動(dòng)方程。基于能量損失的原理,獲得了氣體攜帶硫顆粒的臨界速度。運(yùn)用FLUENT中的離散相模型模擬了硫顆粒在水平直管和彎管中的沉積行為,開(kāi)展了沉積速率影響因素敏感性分析,其中硫顆粒粒徑范圍為0.003mm~0.03mm,質(zhì)量流量范圍為0.01kg/s~0.1kg/s,氣體流速范圍為0.5m/s~25m/s。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在直管段中,氣流速度越大或者顆粒直徑越小,氣流對(duì)顆粒攜帶作用越強(qiáng),硫顆粒在管壁上的沉積通量越小;而顆粒流量的增加會(huì)使管內(nèi)顆粒分布濃度增大,沉積通量增大。在彎管中,彎頭后易產(chǎn)生漩渦,使彎頭后部的管段比彎頭前部管段更易發(fā)生沉積。受重力作用影響,管道下壁面沉積量大于上壁面,且粒徑越大重力效應(yīng)越明顯。此外,沉積速率隨湍動(dòng)能和顆粒流量的增大而增大。應(yīng)用FLUENT軟件中的VOF多相流模型和凝固/熔化模型對(duì)沉積硫在外加熱條件下的熔解過(guò)程進(jìn)行了模擬。改變氣體流速、輸送溫度以及外加熱溫度,模擬環(huán)狀沉積硫在管道內(nèi)的溫度場(chǎng)、相場(chǎng)分布特征。模擬表明,沉積硫與氣體發(fā)生對(duì)流換熱,同時(shí)與管壁產(chǎn)生熱傳導(dǎo)換熱;沉積硫受熱后溫度升高,粘度降低,流動(dòng)性變好,達(dá)到一定粘度后,開(kāi)始沿管壁向下流動(dòng),最終全部流至管道底部。本文自主研發(fā)了由玻璃油浴、加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、測(cè)量控溫系統(tǒng)組成的沉積硫外加熱解堵模擬裝置。實(shí)驗(yàn)研究了外加熱條件下管道內(nèi)沉積硫環(huán)的熔解行為,結(jié)果表明,因現(xiàn)場(chǎng)沉積硫組成復(fù)雜,使沉積硫樣品產(chǎn)生流動(dòng)性的溫度不必達(dá)到單質(zhì)硫的熔點(diǎn)。開(kāi)展了引壓管加熱熔解特性實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)對(duì)于小直徑引壓管的沉積硫堵塞,因與環(huán)境之間單位熱損失大,在相同加熱條件下更難以脫除。開(kāi)展了氣流和加熱協(xié)同作用下管道堵塞的解堵實(shí)驗(yàn),研究表明達(dá)到臨界壓力時(shí),沉積硫首先中心失穩(wěn),而不是沿管壁整體滑移。開(kāi)展了有效降低解堵壓力峰值的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),可為集輸系統(tǒng)沉積硫加熱解堵提供科學(xué)依據(jù)。
[Abstract]:When high-sulfur gas enters the gathering and transportation system from the gas reservoir, the temperature and pressure of the gas decrease. The sulfur dissolved in the natural gas begins to precipitate into small particles due to supersaturation, and then deposits on the inner surface of the pipeline and equipment, causing sulfur blockage and affecting the safety of the gathering and transportation system. Chemical analysis was carried out on the sediments. Element analysis showed that the main elements contained in the sediments were S and C, accounting for 65% and 20% respectively. The mixture is a mixture of sulfur and pipeline inhibitor. The sediment is fully dissolved in toluene, the insoluble material is analyzed by X-ray diffraction, and the soluble material is analyzed by PID chromatography. It is found that the insoluble material is S8 crystal, and the soluble material is in-situ corrosion inhibitor. The sediment is a non-Newtonian fluid with shear thixotropy property. The results of thermogravimetric-differential thermal analysis show that there are two endothermic peaks in the differential thermal curve, one is the melting point of sulfur (113 C) and the other is the field slowing down. The melting temperature of the deposit is measured at 65 C, and the melting temperature of the inorganic component is 113 C. In this paper, the force acting on the sulfur particles in the horizontal pipeline is analyzed, and the motion equation of the particles is obtained. The discrete phase model of FLUENT was used to simulate the deposition behavior of sulfur particles in horizontal straight pipe and elbow pipe. Sensitivity analysis of the factors affecting the deposition rate was carried out. The particle size ranged from 0.003 mm to 0.03 mm, mass flow ranged from 0.01 kg/s to 0.1 kg/s, and gas velocity ranged from 0.5m/s to 25 m/s. The larger the velocity of flow or the smaller the diameter of particles, the stronger the effect of air flow on particles, the smaller the deposition flux of sulfur particles on the pipe wall; and the increase of particle flow will increase the concentration of particles in the pipe and the deposition flux. In addition, the deposition rate increases with the increase of turbulent kinetic energy and particle flow rate. The VOF multiphase flow model and solidification/melting model in FLUENT software are used to simulate the melting process of deposited sulfur under external heating. The simulation results show that the convective heat transfer occurs between the deposited sulfur and the gas, and the heat conduction heat transfer occurs with the pipe wall. After the deposited sulfur is heated, the temperature increases, the viscosity decreases, and the fluidity becomes better. After reaching a certain viscosity, the deposited sulfur begins to flow along the pipe wall. In this paper, a simulation device for plugging removal of deposited sulfur by external heating is developed, which consists of a glass oil bath, a heating system, a stirring system and a temperature control system. It is found that the plugging of small diameter suction pipe is more difficult to remove under the same heating condition because of the unit heat loss between the environment and the deposited sulphur. The plugging removal experiment under the synergistic action of air flow and heating is carried out. The results show that when the critical pressure is reached, the sulfur deposit will lose its center stability first, not slip along the pipe wall as a whole.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE863

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本文編號(hào)：2223699