含液對氣體節流溫降計算的影響

徐卜壘　夏振　陳飛　樊榮華

1蘭州寰球工程公司　2中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司　3青海油田采油二廠

含液對氣體節流溫降計算的影響

徐卜壘1夏振2陳飛3樊榮華3

1蘭州寰球工程公司2中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司3青海油田采油二廠

氣田采出氣含有一定量的水，集輸工藝為高壓集氣、站內多井加熱節流，通過節流的方式達到氣液分離的效果。節流后的溫度可根據焦耳-湯姆遜效應定義的方法進行計算，但其只適用于純氣體，含液量較小時對其影響并不大，隨著含液量的增多誤差會越來越大。根據節流效應系數的計算公式，考慮過程的可變性，用積分的方法求解節流后的溫度，最后通過編寫C語言程序計算和查圖法兩種不同的方法對現場數據進行驗算，檢驗當含液量超過多少時此方法不再適用。

天然氣；節流溫降；焦耳-湯姆遜效應；含液量

氣田采出氣集輸工藝可利用開發前期的高壓力能，通過節流降溫，回收凝析油和脫水，滿足外輸天然氣烴露點、水露點的要求，這樣投資少、能耗低、流程簡單。根據焦耳-湯姆遜效應的定義可以計算純氣體的節流溫降，方法簡單、可操作性強、結果相對準確，適用于工程上的簡易計算。

當前一些文獻對焦耳-湯姆遜效應系數[1]進行了計算，但沒有涉及含液量對節流溫降產生影響程度的相關計算，就焦耳-湯姆遜效應系數的計算而言，文獻[2]給出了甲烷在某些溫度壓力條件下的焦耳-湯姆遜效應系數的部分實測數據，由于組分的不同以及實測數據的不連續性，難以適應工程的需要；文獻[3]的焦耳-湯姆遜效應系數是通過查圖法確定或取為定值；文獻[4]給出了用立方型狀態方程計算焦耳-湯姆遜效應系數的方法；文獻[5]給出了LKP狀態方程計算焦耳-湯姆遜效應系數的方法；文獻[6]用擴展的維里型狀態方程以數值計算的方法研究了天然氣的焦耳-湯姆遜效應系數，文獻[7]用實驗的方法研究了二氧化碳的焦耳-湯姆遜效應系數，以上方法中后幾種過于復雜，有的受氣體組分和溫度壓力范圍以及實用性的限制，不適用于工程上的簡單計算。

1　節流效應簡介

氣體在流道中經過突然縮小的斷面（如管道上的針形閥、孔板等），產生強烈的渦流，使壓力下降，這種現象稱為節流。氣體通過縮孔時流速很高與外界熱交換一般很小（可忽略），節流過程視為絕熱過程[8]。在工程中絕熱節流過程得到廣泛應用，各種閥門和調壓器就是利用節流過程來調節壓力和控制流量的。氣體節流過程如圖1所示，在縮孔附近流速增加，由熱力學第一定律可知焓會下降，氣流在通過縮孔時動能增加，由伯努利方程可知壓力下降，同時會產生摩阻損失，摩擦產生的熱能又被流體所吸收。但由于擾動和摩擦的不可逆性，氣體節流后的狀態不能恢復到節流前的狀態，因此絕熱節流是不可逆的過程，在節流過程中流體處于非平衡狀態，沒有確定的狀態參數。但是可以研究節流前后流體處于平衡狀態的情況，如距離節流足夠遠的兩個截面1、2處，氣體已為平衡狀態，對于水平管氣體位能不變，節流以后，流速增大，但總的來講，動能變化不大可忽略，根據能量守恒可得節流前后（1、2處）氣體的焓相等，即h1=h2。

圖1　氣體節流過程

對于理想氣體焓是溫度的單值函數，但對真實氣體還與壓力有關，所以對真實氣體而言，節流以后壓力下降，通常也會造成溫度下降，這稱為節流正效應；當氣體節流前溫度T1超過最大轉變溫度（約為臨界溫度的4.85～6.2倍）時，節流后壓力下降，會造成溫度上升，這稱為節流負效應。

節流效應又稱為焦耳-湯姆遜效應。定義溫度下降的數值與壓力下降的數值之比稱為節流效應系數[9]，它表示在焓不變的條件下氣體的溫度隨壓力的變化率。根據熱力學知識和麥克斯韋關系式可導出

式（1）中 Di為焦耳-湯姆遜系數（K/kPa）；Cp為摩爾定壓熱容 ［kJ/(kmol·K)］； p為壓力（kPa）；T為溫度（K）； ρ為密度（kmol/m3）；其中Cp、 ρ均為未知參數，通過積分可得

應用于計算焦耳-湯姆遜效應系數的狀態方程有RK方程、SRK方程、PR方程、PT方程、BWR方程、BWRS方程，其中BWRS狀態方程是目前認為用于描述天然氣PTV性質的最精確的方程[2]，適用性廣泛，計算精度高，因此本文選用BWRS方程建立溫降計算模型。

2　定壓熱容的計算

在高壓下真實氣體的定容比熱和定壓比熱與理想氣體的值差別很大[10]，文獻[2]給出了高壓下的定容比熱的詳細計算方法；文獻[11]給出了理想氣體狀態下物質的熱容與溫度的經驗關聯式，將熱容定義為溫度的單一函數；文獻[12]通過對天然氣實驗數據擬合得到的定壓比熱經驗公式，為了增強其對現場應用中的適應性，通過對現場生產數據與公式計算結果偏差原因的分析，對其公式中的參數進行了優化，經驗公式中的定壓比熱定義為溫度、壓力、混合氣體摩爾質量的函數；對于不同組分氣體可直接利用實用熱物理性質手冊中的數據，或者對其中的數據進行回歸分析得出計算式，例如甲烷，通過回歸分析得到比熱計算式[4,13]。

前兩種方法均是先將實際氣體理想化，然后在按實際氣體進行修正，而且它的使用條件是高壓條件，顯然對于實際氣體而言，在低壓高溫條件才接近理想氣體，在修正時又與高壓條件不符，從而使實際情況受到限制，通過實際的驗證顯示只有在高溫低壓條件下計算結果比較準確，而在其他情況下誤差比較大；第四種方法在使用時需要先查閱相關手冊選取數據（純組分）或者對數據進行回歸分析，這樣不便于程序運算，同時適用于純組分；故文中在計算Cp時采用的是第三種方法。

3　實例計算

3.1程序計算法

根據氣體含液量由少到多的情況對10#站含液天然氣節流溫降進行分析，含液量為月累計產液量（m3）與產氣量（m3）的比值。結果見表1。

表1　10#站不同井不同含液量的對比結果

由以上計算結果與測量結果對比情況可以看出，當含液體積分數達到3.77×10-5時平均溫度偏差0.2℃/MPa，當含液體積分數達到4.02×10-5時，平均溫度偏差2.4℃/MPa，偏差已經很大，此方法不再適用。

3.2查圖法

根據文獻[3]對現場數據進行驗證，該曲線是根據含液體積分數在11.3×10-6(GPA標準)條件下得出來的，以11.3×10-6為標準，每增減5.6×10-6，應有相應的±2.8℃的溫度修正值，含液體積分數最高達28.3×10-6，高于此值曲線不再適用。對于不在曲線上的點采取內插法進行計算。計算結果見表2。

由表2計算結果可以看出，當含液體積分數達到1.41×10-5時，偏差開始增大，當含液體積分數達到1.73×10-5時，溫度平均偏差為3.2℃，查圖法不宜使用。

3.3結果分析

（1）程序計算法。當含液量比較少的時候，在節流過程中對其閥后溫度的影響不大，產生的偏差一方面由于現場測量的組分當中含有少量的空氣、氦氣、氬氣、氫氣，而BWRS方程沒有對其他數據相關聯的kij數據，所以在計算過程沒有考慮，使得計算會有一定的偏差。從計算結果可以看出，當含液體積分數高于4.02×10-5時，所有的偏差均為負，隨著含液量的增多，液體對閥后溫度的影響越來越大，原因在于液體在節流過程中由于摩擦溫度會略有上升，而氣體經過節流以后會產生溫降，節流后的氣體溫度與水的溫度不同，必然會產生熱交換，從而使得整個體系的溫度要比純氣體節流后的溫度偏高，而計算過程中并未考慮水的影響，直接按純氣體的情況進行考慮，所以使得計算結果要比實際結果偏低。由含液體積分數為3.77×10-5、4.02×10-5計算結果可看出，兩者節流壓降不同，前者大，后者小，節流后的氣體在與液體進行換熱時，液體對氣體溫度的提升作用，壓降小的要比壓降大的明顯。

表2　查圖計算結果與現場數據對比情況

（2）查圖法。曲線圖并未給出具體的組分信息，計算不同組分的天然氣溫降時必然會引入誤差，查表過程也會人為的引入一定的讀數誤差，此外，曲線圖上不同的壓降曲線并非均勻分布，而采用內插法則是按均勻分布的方式計算的，由此也會引入一定的誤差。當含液體積分數高于1.41×10-5時，偏差開始增大，誤差增大的原因在于曲線圖所描述的體系不同于現場的體系，查圖后的溫度修正不能彌補液體對氣體的溫升作用。

4　結論

通過焦耳-湯姆遜效應系數定義的方法和查圖的方法計算不同含液量的氣體經過節流后的溫度與現場測量的實際溫度對比可得出以下結論：

（1）當含液體積分數低于1.41×10-5時，兩種方法計算的溫度偏差基本在1℃左右，均可用于計算閥后的溫度。

（2）當含液體積分數介于1.41×10-5～3.77×10-5之間時，查圖法計算結果偏差較大，宜采用焦耳-湯姆遜效應系數定義的方法計算閥后的溫度。

（3）當含液體積分數超過3.77×10-5時，利用焦耳-湯姆遜效應系數定義的方法計算的溫度偏差有所增大，而當含液體積分數超過4.02×10-5時，平均溫度偏差3.2℃，該方法不再適用。原因在于含液量的上升使得節流后氣體與其的熱交換加強，溫升變大，導致計算結果偏差較大。

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18693076864、xubulei@cnpc.com.cn

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.005

徐卜壘：工程師，碩士研究生，主要從事油氣田地面工程設計工作。

2015-04-02