酸性天然气硫沉积机理研究

There are large number of reserves of acid natural gas with high concentrations of hydrogen sulfide in our country. Many gas fields have been in production, the full capacity can exceed ten billion cubic meters. Deposition of elemental sulphur in acid natural gas transportation systems has been reported on as the universal phenomenon. And the sulfur deposition can accelerate tubing corrosion and block the instrument lead and result in instrument malfunction, which can cause potential risk for gathering and transportation system. Furthermore, the hydrogen sulfide is high fatal poisonous gas which is hazard to human lives of workers. The mechanism of sulfur deposition is the sulfur nucleation and precipitation resulting of supersaturation of sulphur concentration, the growth of nucleation of sulfur, and movement of the nucleation along with the airflow and striking and attaching to the wall. The whole process of sulphur deposition involves the knowledge of flow and heat transfer, solid-gas two phase flows, and the non-equilibrium state thermodynamics knowledge of supersaturation and nucleation. This research establishes a model of nucleation, precipitation, particles formation and deposition of element sulfur under operation conditions according to the classic nucleation theory. The turbulent movement in mainstream area is simulated by RNG model, the laminar bottom flow influenced by the near wall roughness is simulated by laminar model, the particles trajectory of sulfur is simulated by vertex life and particle motion model. In consideration of the roughness of wall, the parameters of sulfur particle-wall interactions model will be modified and optimized to realize the prediction of sulfur deposition.

高含硫化氢酸性天然气在我国有较大的储量，已有多个气田在运行，产能达一百多亿方。酸性天然气集输过程中出现硫沉积为国内外普遍的现象，沉积的硫加速了管材腐蚀和堵塞仪表引线导致仪表失灵，造成集输系统安全隐患，而硫化氢为极高致死性有毒气体，集输系统安全运行极为重要。硫沉积首先是硫过饱和成核析出、硫核生长，尔后硫核碰撞黏附和颗粒随气流运动与管壁碰撞和沉积，涉及到流动、散热和气固两相流动迁移科学和过饱和与成核等非平衡态热力学知识。本研究根据经典的成核理论，建立实际工况条件下的硫成核析出与颗粒形成模型、采用RNG模型模拟主流区湍流运动、层流模型模拟壁面附近粗糙度影响的层流底层流场，结合涡寿命和颗粒运动模拟硫颗运动轨迹，考虑壁面粗糙情况，修改完善硫黄颗粒与壁面作用模型参数，研究流沉积的机理、获得气流速度、颗粒尺度与硫沉积规律之间制约关系的模拟，实现硫沉积的预测。

酸性天然气集输过程中硫沉积会导致的腐蚀加剧、堵塞系统等生产事故。国内某气田天然气含硫化氢15.6%，二氧化碳超过8%，属于典型的高酸性天然气，目前年产能近百亿方，属于大型气田，在集输过程中发现有硫沉积现象。. 首先利用硫固相蒸汽压数据，结合潘银庭修正，建立了酸性天然气析硫计算的数学模型，编制了析硫的温度、压力条件计算程序，验证了模型的正确性。结果表明，在集输条件下，模型的精度与实验数据吻合极好，克服了以往的模型适用于高温条件而不能用于集输条件的缺点。. 其次，利用经典成核理论以及析硫成核的动力学理论，编制了可求解百万个硫分子构成的团簇的数值计算程序，提出了采用追赶法求解成核方程的技术，提高了时间步长大小和稳定程度。同时，编制了天然气热物性、管网热力计算等程序，计算了集输条件下，天然气析硫的临界颗粒核半径和硫颗粒的粒径分布，得到了集输条件下析出的硫纳米级超细粉末，硫沉积的机理为与集输系统中其它液体杂质形成较大的泥状颗粒而发生沉积的结论。. 在析硫和硫颗粒分布的基础上，结合集输系统较大的特点，在流动数值模拟技术方面进行了几个方面的研究。一、在分析了现有同位网格技术的基础上，提出了一种新的同位网格技术，它克服了Rhie&Chow动量插值技术以及其改进技术在数学上缺乏依据以及仅在线性压力分布下正确的缺点；其二、为了提高计算的收敛速度，提出了在SIMPLE算法的压力-速度耦合关系中，剔除速度亚松弛因子影响的方法，中间速度既满足质量守恒又满足动量守恒，这是与SIMPLE家族其它算法最大的不同。几个算例结果表明，新的改进技术在多数情况下收敛速度远高于SIMPLE、SIMPLER和SIMPLEC算法，在速度松弛小于0.5的情况下，所用的CPU时间约为上述三种算法的三分之一到二分之一，最好可达十分之一。. 针对典型的集输系统管件和实际集输运行工况，建立了起伏管道天然气热力计算模型，得到了坡顶温度低、谷底温度高和坡顶更容易析硫的结论；计算模拟井场管线典型管件内析硫颗粒粒径演化与分离器流场，建立了硫颗粒在分离器中运动简化模型，估计了其停留时间和沉积距离，结果表明，绝大部分硫及其它杂质会在分离器中沉积。