CC BY
382
УДК 622.276
Разработка алгоритма расчета
гидратообразования в газопроводе на языке программирования турбо паскаль 7.1
а.а. паранук
кубанский государственный технологический университет (кубГТУ), г. краснодар
E-mail: [email protected]
Представлен алгоритм расчета процесса гидратообразования в газопроводе, позволяющий определить начало и конец зоны конденсации, фактическую температуру в газопроводе, среднее давление газа в газопроводе, влагосодержание газа, изменение вла-госодержания, количество метанола, вводимого в газопровод, удельный расход метанола.
ключевые слова: гидратообразова-ние, удельный расход метанола, влагосодержание, фактическая температура, алгоритм расчета, язык программирования Турбо паскаль, вещественный тип данных, диапазон значений.
An algorithm for calculating the process hydrate in the pipeline, allowing to determine the beginning and end of the condensation zone, depending on the actual temperature in the manifold, the average gas pressure in the manifold, gas moisture content, moisture content changes, the amount of methanol injected into the pipeline, the specific consumption of methanol.
Keywords: hydrate formation, specific expense of methanol, moisture content, actual temperature, material type of data, range of values.
На технологических этапах добычи, переработки и транспортировки газа очень велика вероятность образования гидратов в связи с тем, что невозможно обеспечить 100%-ю осушку природного газа от влаги. Водная фаза в потоке газа при определенных термобарических условиях в газопроводе способна образовывать с компонентами газа твёрдые клатратные соединения. Твердые газовые гидраты вызывают серьезные проблемы, связанные с нарушением указанных технологических процессов [1-5].
Цель создания программы расчета процесса гидратообразования — определение начала и конца зоны конденсации, фактической температуры в газопроводе при условии Т=Ттр (Ттр — точка росы газа), среднего давления газа в газопроводе, влагосодер-жания газа, изменения влагосодержания, количества метанола, вводимого в газопровод, удельного расхода метанола.
На рис. 1 представлены условия образования гидратов при наличии влаги в газе и определенных значениях давления и температуры. Гидраты образуются в областях расположенных левее кривых 2 и 5 . При пересечении кривых 1, 2 и 5 образуется критическая точка разложения гидратов С. В точке В пересечения кривых 2 и 3, образуется система гидрат-лед-вода-газ. Нагрев или падение давления ниже критических значений приводят к разложению гидратов на воду и газ [4].
Для определения температуры и давления гидратообразования существует несколько методов: графический, аналитический, графоаналитический и экспериментальный.
Способы борьбы с гидратами — понижение давления в системе ниже равновесного, повышение температуры газа выше равновесного, осушка газа и ввод в поток ингибитора гидратообразо-вания — метанола (рис. 2).
Для снижения расхода метанола необходимо вводить его в начале зоны возможного гидратообразования в газопроводе. С экономической точки зрения этот способ выгодно применять при небольших расходах газа, когда в связи с высокими капиталовложениями нерационально использовать другие методы. Метанол можно вводить в сочетании с другими ингибиторами гидратообразования. Ввод ингибитора в газовый поток широко применяют на промыслах для предупреждения образования гидратов в сепараторах, теплообменниках и других дегитраторных аппаратах, а также в скважинах [4].
График, представленный на рис. 3, используется для определения содержания метанола в жидкости в данной программе.
Методикарасчета гидратообразования в газопроводе
Расчетный коэффициент а определяется по формуле:
24 kn D pQC p
(1)
где к — коэффициент теплопередачи в окружающую среду; Б — наружный диаметр газопровода; р — плотность газа; Q — объёмный расход газа, С — удельная теплоемкость газа.
a =
0
273
Т,К
Рис. 1. Диаграмма фазового состояния гидратов [4]: 1 — упругость паров гидратообразователя; 2 — равновесные условия образования гидратов; 3 — равновесная граница между гидратом и льдом; 4 — понижение температуры замерзания воды; 5 — зависимость критической температуры разложения гидратов от давления
* 333 323 313
20 30 40 50 С2, %
Концентрация метанола
Рис. 2. График изменения температуры гидратообра-зования при вводе в газовый поток метанола [4]
read (D);
writeln ('Введите плотность газа кг/м3, pl');
read(pl);
writeln('Введите расхода газа м3/сут, Q');
read (Q);
writeln ('Введите теплоёмкость газа Дж/К, Cp');
read (Cp);
для формулы (1) программа присваивает переменной а1 расчётную формулу;
для удобства расчётную формулу разобьем на несколько составляющих
a1:=24*k*3.14*D;
a2:=pl*Q*Cp;
a:=a1/a2;
Writeln ('Расчётный коэффициент a');
Writeln (a:0:10); — выводит расчётный коэффициент с точностью до 10-ти знаков после запятой.
Начало зоны конденсации хтр в газопроводе при Т=Ттр определяется по формуле (2):
1
* т.р = ~ln
а
Ц(Р1 - P2 +(Тн - То)aL
Ц(р1 - Pi) + (Т т .р - Т о) aL
(2)
Рис. 3. График для определения содержания метанола в жидкости [4]
Алгоритм программы для расчета формулы (1) выглядит таким образом:
var a, a1,a2,k,d,.....................pl :real;
задаются все переменные,
где real — вещественный тип данных (диапазон значение 2.910-39 до 1.7 1 038) [6]. Begin — начало программы. Программа просит ввести данные: writeln ('Введите коэффициент теплопередачи в окружающую среду k'); readln (k);
writeln ('Введите наружный диаметр в метрах, D');
где m — коэффициент Джоуля Томсона, рх — начальное давление, р2 — конечное давление Тн — начальная температура газа, Т0 — температура окружающей среды , а — расчётный коэффициент, L — длина участка газопровода, Ттр — температура точки росы газа.
В программе Турбо Паскаль происходит сбор данных для расчёта по формуле (2), программа просит ввести коэффициент Джоуля-Томсона, К/МПа:
Writeln ('Введите коэффициент Джоуля-Томсона К/МПа, nu'); read (nu);
writeln ('Введите давление в начале участка МПа, p1'); read (pl);
writeln ('Введите давление в конце участка МПа, p2'); read (p2);
writeln ('Введите начальную температуру в К, T1');
read (T1);
writeln ('Введите температуру окружающей среды в К, T2'); read (T2);
writeln ('Введите точку росы газа в К T0'); read (T0);
writeln ('Введите длину участка в метрах L'); read (L);
x1:=(nu*(p1-p2))+((T1-T2)*a*L);
x2:=(nu*(p1-p2))+((T0-T2)*a*L);
x3:=(x1/x2);
x4:=Ln(x3);
x:=(1/a)*x4;
writeln ('Начало зоны конденсации в метрах');
303
0
10
298
293
288
writeln(x:0:2); - выводит начало зоны конденсации с точностью до 2-х знаков после запятой, что вполне достаточно для данного вида расчёта.
По формуле (3) происходит расчет конца зоны конденсации:
Влагосодержание газа определяется по форму-
1
* т.р=~ Ы
а
aL (Тн-Т0)
Ц (Pi- Р2)
+1
(3)
т .р.
T = T0 + (Tн -T0)e~ах-Ц
Pi - Р2 1-e"
L
рср
P1 + P2
KP1 + P 2 у
(5)
Для записи на Турбо Паскаль формулу (5) разбиваем на слагаемые:
summ:=(P2*P2); summ1:=(P1+P2); 8итт2:=зитт/витт1; summ3:=summ2+P1; Pc:=2/3*summ3;
writeln(Pc:0:4); — выводиться Рср с точностью до 4-х знаков после запятой.
ле:
A
UH = + B i ,
(6)
где т — коэффициент Джоуля Томсона, р1 — начальное давление, р2 — конечное давление Тн — начальная температура газа, Т0 — температура окружающей среды, а — расчётный коэффициент, Ь — длина участка газопровода [4].
В программе Турбо Паскаль расчёт по формуле (3) записывается следующим образом:
Writeln ('Конец зоны конденсации в метрах');
х5:=(а^)*(Т1-Т2);
х6:=пи*(р1-р2);
х7:=(х5/х6)+1;
х8:=1/а;
х0:=х8*Ьп(х7);
writeln (х0:0:2); - выводится конец зоны конденсации с точностью до 2-х знаков после запятой, что достаточно для данного вида расчёта.
Определяем фактическую температуру в газопроводе, считая, что Т=Тт
(4)
где А1,В1 коэффициенты, которые определяются по таблице и зависят от Тн температуры газа.
Для расчёта влагосодержания вводим подпрограмму:
Procedure wl; — название подпрограммы Var S :String; строковой тип. Var U, Al, p, B1 :Real — вещественный тип в программе; создан массив, в котором приведены коэффициенты A1,B1; Т1 — в программе начальная температура. Read (T1);
пишем условие поиска в массиве на языке Турбо Паскаль
if T=T1 then a1:= [i] ,b1:=[j] else s; S:='Введенной температуры нет в программе'; т.е., если данной температуры нет в массиве, программа выводит сообщение 'Введенной температуры нет в программе',
если она есть в массиве, то программа сама присваивает эти значения и дальше рассчитывает по формуле:
U:= al/p+Bl.
Влагосодержание холодного газа определяется по формуле
A 2
ив =—2 + в .
(7)
где Т, Т0 — температура соответственно газа в газопроводе и окружающей среды; Тн — начальная температура газа; а — расчётный коэффициент; х — расстояние от начала газопровода до рассматриваемой точки; т— коэффициент Джоуля Томсона, Ь — длина участка газопровода, р1 — начальное давление, р2 — конечное давление.
Записываем формулу (4) на языке Турбо Паскаль:
у:=-а*х — присваиваем значение степени для экспоненты;
Т3: = Т0 + (Т1-Т0)*Ехр(у)-пи*(р1-р2)^*1-Ехр(у)/а-.
writeln(Т3:0:4) — выводится Т3 с точностью до 4-х знаков после запятой.
Среднее давление газа в газопроводе:
Аналогично осуществляется запись на языке Турбо Паскаль формулы (6), только здесь сравнивается Т=Т3, значение которой находили по формуле (4), и формула имеет вид:
U1:= a2/p+B2;
Изменение влагосодержания газа вычисляется по формуле:
DU = U - ин ; (8)
Находим разницу U3:=U1-U;
writeln (U3:0:2); — выводит изменение влаго-содержания газа с точностью до 2-х знаков после запятой.
Количество жидкой фазы, выделившейся из газа:
G*ce. = U . Q (9)
По формуле (9) вычисляем Ggw:=U3*Q:
Writeln (Ggw:0:8); — выводит значение количества жидкой фазы, выделившейся из газа с точностью до 8-ми знаков после запятой.
Температура образования гидрата ТгиЭр определяется по графику.
При нажатии Enter программа открывает файл
а
с названием «график образования гидратов», на Находим удельный расход газа по формуле: основании Рср определяем Тгидр.
ср. Г ^ гидр
Read (Tgidr); — вводим соответствующее
зна-
чение;
Необходимое снижение точки замерзания раствора определяется по формуле
DT = Т я — Т .
гидр н
(10)
К = M К 16 . 10-3 .
м.г ж м
(11)
Формула (11) на языке Турбо Паскаль принимает вид
Kmg:=Mg*Кpr*16*10Л-3,
это значение программа присвоит переменной Kmg.
Далее находим количество метанола, насыщающего жидкость, по формуле:
?м= G.JQ .
(15)
Находим Т4:= Tgidr-T1;
Writeln (Т4:0;5) — выводим значение Т4 с точностью до 5-ти знаков после запятой. Нажимаем клавишу F1, открываем файл под названием «график для определения содержания метанола в жидкости» (см. рис. 3) и находим содержание метанола в жидкости Мж (Mg), которое зависит от Т4. Далее находим Км, нажимаем клавишу F2, программа из массива считывает значение для него и присваивает его переменной 'Крг:='
Концентрация метанола в газе определяется по формуле
Формула (15) на языке Турбо Паскаль принимает вид qm:= Gm/Q;
Writeln (qm:0;8) — выводим значение Gm с точностью до 8-ми знаков после запятой.
Далее программа создает файл Gidrat.txt и в него записывает все значения, которые были найдены в процессе работы программы [Assign f, 'Gidrat.txt';Rewrite (f)].
Выводы
Представленная в данной работе программа позволяет определить начало зоны конденсации, конец зоны конденсации, определить фактическую температуру в газопроводе при условии Т=Ттр, среднее давление газа в газопроводе, влагосодержа-ние газа, изменение влагосодержания, количество метанола, вводимого в газопровод, удельный расход метанола, все эти данные записываются в текстовой файл для последующего анализа. А также она создает массив для определения коэффициентов и сама считывает из него нужные данные, опираясь на введенную начальную (Тн) температуру и расчётную фактическую температуру газа в газопроводе, которую она рассчитывает сама. Данная программа позволяет упростить расчёт до такой степени, что единственное, что требуется, это ввести необходимые данные для расчета. Она сама выводит графики необходимые для расчёта в отдельном окне.
G
G ж. в. M ж
М. Ж. 100 - M,
(12)
Формула (12) на языке Турбо Паскаль принимает вид
Gmj:=(Ggw*Mg)/100-Mg;
Находим количество метанола, насыщяющего газ:
G = QK .
м.г. ^ м.г.
(13)
Формула (13) на языке Турбо Паскаль принимает вид Gmg:=Q* Kmg;
Находим количество метанола, вводимого в газопровод, по формуле:
G = G + G
м м.ж м.г.
(14)
Формула (14) на языке Турбо Паскаль принимает вид Gm:= Gmj+ Gmg;
Writeln ^т:0;5) — выводим значение Gm с точностью до 5-ти знаков после запятой.
список литературы
1. Гриценко А.И., Истомин ВА., Кульков А.Н., Сулейманов Р.С. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. — М.: Недра, 1999. — 473 с.
2. Истомин ВА. Предупреждение образования газовых гидратов в системах сбора и промысловой подготовки газа. — М.: ИРЦ Газпром, 1996. — № 12.— С. 23-31.
3. КатцД.Л., Корнелл Д., Кобаяши Р., Поеттманн Ф.Х., Вери ДжА., Еленбаас Дж, Уайнауг Ч.Ф. Руководство по добыче, транспорту и переработке природного газа. — М.: Недра, 1965. — 531 с.
4. Мустафин Ф.М., Коновалов Н.И., Гильмет-динов Р.Ф. и др. Машины и оборудование газонефтепроводов: Учеб. пособие М38 для вузов — 2-е изд., перераб. и доп. — Уфа: Монография, 2002. — 384 с.
5. Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. — М.: Недра,1985. — 232 с.
6. Меженный ОА. TURBO PASCAL; учитесь программировать — М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. — 448 с.
