基于LKP的天然氣投產(chǎn)軟件編制

孫勇

(國家管網(wǎng)集團北方管道有限責任公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

天然氣投產(chǎn)過程中的許多地方需要用到水力計算，其中就涉及天然氣的熱物性參數(shù)[1]。國內外許多學者通過狀態(tài)方程、相關理論以及標準建立預測氣體物性參數(shù)的模型。LEE等[2]于1975年基于對應狀態(tài)原理提出了一種關于壓力、體積和溫度的3參數(shù)對應態(tài)方程，即Lee-Kesler狀態(tài)方程。1978年Plocker-Knapp在Lee-Kesler狀態(tài)方程的基礎上提出了改進后的氣體混合規(guī)則，稱為Lee-Kesler-Plocker狀態(tài)方程(簡稱“LKP狀態(tài)方程”)。李丹華等[3]根據(jù)GB/T 17747.2[4]，采用AGA 8-92DC計算方法，計算天然氣壓縮因子，平均相對誤差為-1.4%。HAFSI等[5]基于Soave Redlich-Kwong(SRK)真實氣體狀態(tài)方程(EOS)建立氫氣-天然氣混合物壓縮因子的相關性研究，在等溫條件下對氣體壓縮因子的演變進行跟蹤。目前Pipeline Studio軟件采用BWRS、PR、SRK等狀態(tài)方程；SPS軟件采用的狀態(tài)方程有BWRS、AGA8、CNGA等。

在投產(chǎn)之前，需要對投產(chǎn)方案中相關參數(shù)進行大量計算以制定詳細的投產(chǎn)方案，這往往會消耗現(xiàn)場工作人員大量時間，且計算精度不高。但天然氣投產(chǎn)作業(yè)面臨著大規(guī)模的轉變，需減少相關參數(shù)計算時間以及提高計算精度。因此，本文根據(jù)實際投產(chǎn)情況開發(fā)出能夠提高天然氣管道投產(chǎn)效率的軟件。

1 投產(chǎn)過程參數(shù)計算方法

1.1 壓縮因子與密度

壓縮因子定義為在規(guī)定壓力和溫度條件下，任意質量氣體的實際體積與理想狀態(tài)下的體積的比值[6]。密度是指在規(guī)定壓力和溫度下，氣體質量與體積的比值[7]。不同狀態(tài)方程計算結果不同，通過查閱對狀態(tài)方程的優(yōu)缺點[1,8]進行了總結，具體優(yōu)缺點如表1所示。

表1 狀態(tài)方程優(yōu)缺點

綜上，LKP狀態(tài)方程適用于寬沸程混合物，具有較高的熱物性計算精確度，被認為是目前計算密度、壓縮因子、摩爾焓和摩爾熵的最佳方法之一，具有普遍適用的參數(shù)[9-10]。對壓力、溫度的覆蓋面大，適用范圍廣泛，因此選擇LKP狀態(tài)方程進行計算。

天然氣壓縮因子、密度的表達式分別定義為式(1)、式(2)[1]。

式(1)～式(2)中：Z為體壓縮因子；Mρ為氣體摩爾密度(kmol/m3)；ω為氣體偏心因子[11-12]；T為溫度(K)；p為壓力(kPa)；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314472 kJ/(kmol·K)；上標0為簡單流體參數(shù)；上標r為參考流體(正辛烷)參數(shù)。

1.2 管存氣量

投產(chǎn)期間穩(wěn)壓過程管存氣量計算公式如式(3)所示：

式中：Vs為某一階段時標況下用氣量(104m3)；VT為管道容積(104m3)；P0為標況壓力(MPa)；T為氣體平均溫度(K)；Pcp為當前階段管道壓力(MPa)。

1.3 混氣頭運移速度

根據(jù)SY/T 5922—2012《天然氣管道運行規(guī)范》[13]中對置換速度的規(guī)定，要求置換過程中氣體流速不宜超過5 m/s。在后續(xù)軟件編寫過程中，對混氣頭的運移速度采用的是5 m/s。

2 天然氣投產(chǎn)軟件編制

2.1 軟件設計

根據(jù)天然氣投產(chǎn)過程，采用DevExpress控件進行界面開發(fā)。軟件整體界面布局由ribbon菜單欄、工程樹部分、效果展示區(qū)三部分組成。ribbon菜單欄和工程樹部分為用戶提供多種操作途徑，效果展示區(qū)是對發(fā)起的操作進行展示。天然氣管道投產(chǎn)軟件功能界面圖如圖1所示。

圖1 天然氣管道投產(chǎn)軟件功能界面圖

2.2 準確性驗證

選取ISO 20765中兩種氣體，如表2所示，代入軟件進行計算，計算結果與ISO中的標準值對比，對比結果如表3和表4所示，發(fā)現(xiàn)最大誤差為0.25%，滿足工程需求。

表2 氣體摩爾組成

表3 氣體1的計算值與標準值對比表

表4 氣體2的計算值與標準值對比表

2.3 軟件功能案例展示

對軟件壓縮因子、密度等參數(shù)計算功能進行展示。根據(jù)氣質組分建立天津LNG流體包，選擇該流體包，并采用LKP方程計算，可以得到該流體包在指定溫度壓力條件下的壓縮因子、密度值，如圖2所示。此外，還可以設置溫度、壓力梯度，得到不同溫壓條件下計算結果，如圖3所示。

圖2 參數(shù)計算結果

圖3 計算結果表格展示

3 結語

(1)對比狀態(tài)方程的優(yōu)缺點，選用LKP狀態(tài)方程計算天然氣投產(chǎn)過程中壓縮因子與密度，通過軟件計算結果與標準值進行對比，最大誤差為0.25%，滿足工程需求。

(2)該天然氣投產(chǎn)軟件采用DevExpress控件進行界面開發(fā)，能夠迅速計算壓縮因子、管存量等參數(shù)，具有計算結果快、計算精度高等優(yōu)點，提高了天然氣投產(chǎn)的效率。