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1、中圖分類號(hào)：TE866單位代碼：10425學(xué)號(hào)：Z12060365高含硫天然氣集輸系統(tǒng)硫沉積熔解特性研究AnInvestigationofSulfurDepositionandMeltingCharacteristicsinHighSulfurContentGasGatheringandTransportationSystem工程領(lǐng)域：石油與天然氣工程研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)工程作者姓名：王金龍校內(nèi)導(dǎo)師：梁法春副教授現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)師：莫瓊高級(jí)工程師二〇一五年五月AnInvestigationofSulfurDepositionandMeltingCharac
2、teristicsinHighSulfurContentGasGatheringandTransportationSystemAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangJinlongSupervisor：A.P.LiangFachunCollegeofPipeline&CivilEngineeringChinaUniversityofPetroleum(EastChina)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)飽和開始析出成為小顆粒，進(jìn)而沉積
3、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7
4、5℃后，升高溫度對(duì)其粘度的降低效果開始減慢；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?；谀芰繐p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，開展了沉積速率影響因素敏感性分析，其中硫顆粒
5、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??；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
6、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，i開始沿管壁向下流動(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
7、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)。關(guān)鍵詞：硫沉積，集輸系統(tǒng)，沉積速率，模擬，解堵iiAnInvestigationofSulfurDepositionandMeltingCharacteristicsinHighSulfurContentGasGatheringandTransportationSystemWangJinl
8、ong(OilandGasEngineering)DirectedbyLiangFachunAbstractThebehaviorofsulfurpa
