往复压缩机混合气体注气增压过程凝析特性分析.pdf
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1、往复压缩机多组分混合气体注气增压过程中,级间冷却发生的介质凝析对压缩机的运行效率和可靠性影响极大。为了揭示多组分混合气体的增压机理及多级增压级间冷却过程介质凝析特性,基于变质量系统热力学基本原理及实际气体状态参数方程,构建了混合气体增压、冷却过程数值计算模型,得到了各组分的多级增压过程压力曲线;在此基础上,研究了混合气体增压过程级间冷却凝析特性和确保不发生凝析的最适级间冷却温度。研究结果表明:混合气体注气增压过程中,水蒸气更易发生凝析,且不同压比工况下,压比为 时,水蒸气和二氧化碳的凝析量最小;随着压缩机级数的增加,最适级间冷却温度逐渐升高;水蒸气的最适级间冷却温度恒大于二氧化碳。关键词:混合
2、气体;增压机理;凝析特性;级间冷却温度中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:压缩机技术国家重点实验室(压缩机技术安徽省实验室)开发(),(,(),;,):,设 计 研 究 年 期(总第 期):,:;引言近年来,随着国民经济发展对能源需求的持续增加,受油气资源储量有限问题限制,油田逐渐加大了对稠油、超稠油等油藏的开发。稠油、超稠油开发过程常面临采出程度低、剩余油含量较高等问题,亟需采取合理的增产措施。目前国内外学者经研究提出油藏注气在一定程度上能够恢复地层能量、改善原油物性、降低渗流阻力,提高原油采出率 。因此,注气增压开采被广泛推广应用于稠油、超稠油或其他致密油藏,以提升原
3、油采收率。注气提高采收率技术是指自地面向油层中注入气体驱油从而增加原油产量的油田开发技术。注气增产常用气体主要有 、。但随着多功能气体增压注气在稠油高效开发中需求的增加,且现阶段油田注气中存在多种气体独立注入利用率不高的问题,因此亟需开展多组分混合气体的注气特性研究,以提高运行效率 ,。目前国内外学者针对混合气体注气过程开展了一定的研究工作,徐勇分析了 驱、驱、烟道气驱和天然气驱等气体驱替开采的驱油机理及其应用现状 。袁士义、李宪腾等人分析了烟道气驱油过程中的增溶、降黏、重力分异、混相抽提、加强渗透和蒸馏特性 ,。马涛等人论述了烟道气驱提高采收率的机理 。孙岩等人基于对流扩散理论建立了凝析气藏
4、注入干气运移的数学模型,分析了注入干气的超覆规律 。李浩楠等人针对玛湖致密砾岩储层,开展了注氮气提高采收率研究,通过实验分析了注氮气驱机理及增产效果 。张弦等人利用物理模拟和数值模拟的方法开展了吞吐后转蒸汽 烟道气 化学剂复合驱驱油效果评价和参数优化研究 。但上述研究均是针对注气提高采收率机理及增产特性的研究,并没有开展混合气体注气增压特性的影响。针对气体增压特性研究,陈鹏霏基于 编程语言,结合 软件开发了往复式压缩机设计计算的程序平台,实现热力学计算的简化 。混合气体注气增压过程中,压缩机级间冷却可能发生介质的凝析,并极大影响着压缩机的运行效率。因此,关于压缩机增压过程中露点的研究便颇为重要
5、。秦瑶等人针对压缩机湿气体级间冷却器冷凝水析出问题进行了详细分析,确定了冷却器中冷凝水析出的判别式,并给出了凝析量的计算方法 。孙晓明分析了 压缩机湿气体压缩过程中水蒸气的凝析可能性,得到了压缩湿 气体中水含量的控制指标 。上述研究为气体增压过程分析及级间冷却凝析特性分析提供的一定的理论依据,但现有对于增压过程的研究,多集中于单气体工质的单级压缩,缺少对混合气体在多级压缩中的级间冷却处的研究。而且对于混合气体增压过程介质级间冷却凝析特性的研究还未开展,无法指导混合气体注气增压设备的选修和运行控制。混合气体多级增压级间冷却过程,受介质温度降低影响,极易发生凝析,并影响压缩机的运行效率和可靠性。为
6、了防止凝析现象的发生,本文根据往复活塞式压缩机工作原理及热力学基本方程,构建了考虑介质凝析的多级增压过程变质量系统热力特性计算模型,基于此模型研究 种不同组分的混合气体的增压特性及其在固定级间冷却温度下的凝析规律,得到确保不发生凝析的最适级间冷却温度,对提高实际压缩机混合气体多级增压的运行效率具有指导意义。压缩机热力过程研究 工作腔容积本文针对 重型平衡对置式压缩机开展混合气体注气增压过程凝析特性研究。为构建多组分气体实际压缩过程数值计算模型,首先需得到压缩机工作过程中工作腔容积随曲轴转角的变化规律函数。图 所示为往复式压缩机的工作原理图,曲轴设 计 研 究 年 期(总第 期)带动连杆 十字头
7、 活塞机构运动,活塞在气缸内往复运行,从而形成周期性变化工作腔,实现介质压缩。为构建工作腔容积计算模型,取活塞位移 以外止点为起点,外止点处 ;活塞至内止点时,(活塞最大行程)。活塞自外止点出发,经过内止点再一次回到外止点,曲柄转过 ,压缩机完成一个工作周期。压缩机的活塞位移与曲柄转角的关系式如式()所示()()()式中 活塞位移,曲柄半径,曲轴转角,径长比基于任意转角下的活塞位移,结合 重型平衡对置式压缩机的基本结构参数,即可得各级工作腔容积随曲柄转角的变化关系。()()()根据式()计算得到的压缩机各级工作腔容积随曲柄转角的变化关系如图 所示。控制容积往复活塞式压缩机增压过程中,依靠活塞在
8、气缸内的往复运动,并与气阀的启闭动作配合,共同图 往复压缩机的工作原理图 工作腔容积随曲柄转角变化关系实现介质的增压和输送。在压缩机增压特性分析过程中,为简化模型,可将工作腔简化为图 所示控制容积,在方程建立过程中,把通过进气阀和排气阀的介质统一视作控制容积内质量的变化。增压过程数值计算模型构建 基本假设往复活塞式压缩机工作过程中,影响其增压特性的因素较多,包括介质流动、传热、传质、泄漏以及运动部件间的摩擦等,而且尤其压缩介质为多组分气体,在增压 冷却过程中还会存在介质凝析,导致混合气体增压过程及其复杂,为简化分析过程,本文做了如下假设:()控制容积内各组分介质状态均匀,且在相同的活塞位移位置
9、处内部工作的总状态参数相同;()增压过程中,工作腔容积的空间位置变化不大,介质流入和流出工作腔的速度变化不大,因此忽略多组分介质动能和位能的变化;()各组分介质的凝析过程只发生在级间冷却过程;()由于本文主要研究多级增压级间冷却过程介质凝析特性,故忽略多组分气体增压过程的泄漏影响。增压过程数学建模往复活塞式压缩机增压过程研究主要基于连续性方程、能量守恒方程及多组分混合气体状态方程。根据变质量系统热力学基本原理,基于图 所示控制容积,建立内部多组分混合气体的能量守恒方程 ()()()图 控制容积简图设 计 研 究 年 期(总第 期)()()()()根据假设(),多组分混合气体增压过程可忽略动能和
10、势能的影响,将公式()()带入公式(),并进行简化可得()()同时,控制容积内介质增压过程还满足质量守恒方程 ,()由于压缩介质为多组分混合气体,且介质均为实际气体,不能简单按照理想气体状态方程计算,故本文采用 编程调用美国国家标准技术研究所研发的 软件中的介质数据库源程序来计算各组分气体的热物性参数。得到各组分热物性参数后,混合气体的物性参数可按下列方程计算()()()()式中 各组分的相对分子质量 各组分体积分数 各组分的密度 各组分等压质量比容 各组分质量分数 各组分等容质量比容基于公式()(),即可构建各组分单独压缩和混合压缩的增压特性数值计算模型。利用四阶龙格库塔法求解上述模型,得到
11、混合气体的增压特性及增压过程级间冷却的凝析特性。凝析特性数学建模对于多组分混合气体增压用多级往复活塞式压缩机,为降低排气温度、节省压缩过程功,一般设置级间冷却。由于级间冷却装置的存在,各组分介质在较高压力下温度降低,极限状态会使得部分介质温度降低到该压力对应的饱和温度,从而发生凝析,引起压缩机工作性能和可靠性的降低。实际增压过程中混合气体温度远高于氮气、甲烷和氧气的临界温度,对于混合气体的凝析分析,仅需考虑其中的二氧化碳和水蒸气。增压结束,混合气体得到冷却,若发生凝析,凝析系数计算如下式()()()式中 第 级的凝析系数、第 、级的进气压力,、第 、级的相对湿度、第 、级温度下的饱和蒸汽压,凝
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