高含硫天然气集输系统硫沉积熔解特性研究.pdf

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1、中图分类号：TE866单位代码：10425学号：Z12060365高含硫天然气集输系统硫沉积熔解特性研究AnInvestigationofSulfurDepositionandMeltingCharacteristicsinHighSulfurContentGasGatheringandTransportationSystem工程领域：石油与天然气工程研究方向：油气储运工程作者姓名：王金龙校内导师：梁法春副教授现场导师：莫琼高级工程师二〇一五年五月AnInvestigationofSulfurDepositionandMeltingCharac

2、teristicsinHighSulfurContentGasGatheringandTransportationSystemAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangJinlongSupervisor：A.P.LiangFachunCollegeofPipeline&CivilEngineeringChinaUniversityofPetroleum(EastChina)摘要高含硫气体从气藏进入集输系统时，气体温度和压力降低，溶解在天然气中的硫元素由于过饱和开始析出成为小颗粒，进而沉积

3、在管道和设备的内部表面，造成硫堵，影响集输系统安全生产。本文采集了普光气田集输系统中的沉积物并开展了化验分析。对沉积物进行了元素分析，发现其含有的主要元素为S和C，分别占65%和20%左右。在扫描电镜下放大观察，沉积物内含有形状不规则的固体颗粒，固体颗粒外包裹着粘稠混合物；经分析，固体颗粒为地层和管道中的杂质，粘稠混合物是硫单质与管道缓蚀剂的混合物。将沉积物置于甲苯中充分溶解，对不溶物质进行X射线衍射分析，对可溶物进行PID色谱分析，发现不溶物为S8晶体，可溶物为现场缓蚀剂。沉积物是一种非牛顿流体，具有剪切触变性。其粘度随温度的升高而降低，在7

4、5℃后，升高温度对其粘度的降低效果开始减慢；粘度随转子转速增大而减小。进行了热重-差热分析，沉积物出现重力损失较大的位置在220℃至260℃，差热曲线存在两个吸热峰，一个是硫单质的熔点（113℃），另一个是现场缓蚀剂沸点（220℃）。测量了沉积物的熔化温度，在65℃时就表现出流动性，而其中的无机成分熔化温度为113℃。本文对水平管道中的硫颗粒进行了受力分析，得到了颗粒的运动方程。基于能量损失的原理，获得了气体携带硫颗粒的临界速度。运用FLUENT中的离散相模型模拟了硫颗粒在水平直管和弯管中的沉积行为，开展了沉积速率影响因素敏感性分析，其中硫颗粒

5、粒径范围为0.003mm~0.03mm，质量流量范围为0.01kg/s~0.1kg/s，气体流速范围为0.5m/s~25m/s。模拟结果发现，在直管段中，气流速度越大或者颗粒直径越小，气流对颗粒携带作用越强，硫颗粒在管壁上的沉积通量越小；而颗粒流量的增加会使管内颗粒分布浓度增大，沉积通量增大。在弯管中，弯头后易产生漩涡，使弯头后部的管段比弯头前部管段更易发生沉积。受重力作用影响，管道下壁面沉积量大于上壁面，且粒径越大重力效应越明显。此外，沉积速率随湍动能和颗粒流量的增大而增大。应用FLUENT软件中的VOF多相流模型和凝固/熔化模型对沉积硫在外

6、加热条件下的熔解过程进行了模拟。改变气体流速、输送温度以及外加热温度，模拟环状沉积硫在管道内的温度场、相场分布特征。模拟表明，沉积硫与气体发生对流换热，同时与管壁产生热传导换热；沉积硫受热后温度升高，粘度降低，流动性变好，达到一定粘度后，i开始沿管壁向下流动，最终全部流至管道底部。本文自主研发了由玻璃油浴、加热系统、搅拌系统、测量控温系统组成的沉积硫外加热解堵模拟装置。实验研究了外加热条件下管道内沉积硫环的熔解行为，结果表明，因现场沉积硫组成复杂，使沉积硫样品产生流动性的温度不必达到单质硫的熔点。开展了引压管加热熔解特性实验，发现对于小直径引压

7、管的沉积硫堵塞，因与环境之间单位热损失大，在相同加热条件下更难以脱除。开展了气流和加热协同作用下管道堵塞的解堵实验，研究表明达到临界压力时，沉积硫首先中心失稳，而不是沿管壁整体滑移。开展了有效降低解堵压力峰值的预测评价，可为集输系统沉积硫加热解堵提供科学依据。关键词：硫沉积，集输系统，沉积速率，模拟，解堵iiAnInvestigationofSulfurDepositionandMeltingCharacteristicsinHighSulfurContentGasGatheringandTransportationSystemWangJinl

8、ong(OilandGasEngineering)DirectedbyLiangFachunAbstractThebehaviorofsulfurpa