Termodynamika w gazownictwie ziemnym. Witold Warowny Politechnika Warszawska

Transkrypt

1 Termodynamika w gazownictwie ziemnym Witold Warowny Politechnika Warszawska

2 Obszary tematyczne Równania stanu i współczynnik ściśliwości Właściwości i przemiany fizyczne Termodynamiczne problemy w złożu Równowagi fazowe Gazohydraty Wielkości kaloryczne Przemiany elektrochemiczne i chemiczne Przepływ i transport gazu Magazynowanie Ochrona środowiska i bezpieczeństwo

3 RÓWNANIA STANU Równanie stanu f n, p, T, v f ( p, T, V ) f ( p, T, ) f ( p, T,, M ) 0 w Równanie stanu gazu doskonałego PV pv / n RT Równania stanu gazu rzeczywistego Dla mieszanin wprowadza się reguły mieszania i reguły kombinacyjne.

4 Równania stanu wykorzystywane w gazownictwie ziemnym równanie wirialne, równania typu wirialnego: BWR, AGA-92DC, SGERG 88, rodzinę kubicznych równań stanu, równania oparte o zasada stanów odpowiadających sobie, inne równania stanu o mniejszym lub lokalnym znaczeniu, Gregorowicz J., Warowny W., Równania stanu w przemyśle naftowym i gazowniczym, Nafta-Gaz 54(1), (1998).

5 Współczynnik ściśliwości Z V V D pv RT pv nrt p RT pvm pv w M pm p mrt RT w RT w R S T

6 Współczynnik ściśliwości gazu

7 Wirialne równanie stanu Z T 2, 1 B T / V C T / V 1 B T C T 2 Z m T,, y 1 B T, y C T, y 2 D T, y 3 m m m m m m B C N N y y B m i j ij i 1 j 1 N N N y y y C m i j k ijk i 1 j 1 k 1

8 Kubiczne równanie stanu p p odp p przyc RT V b V 2 a T, ubv ) wb 2 RT V b a C g T, V Parametr energetyczny (kohezyjny) składa się ze stałej opisanej parametrami krytycznymi i poprawki uzależnionej od temperatury i czynnika asymetrii będącego charakterystyczna wielkością substancji (głównie ich kształtu). Wprowadzenie czynnika asymetrii modyfikuje temperaturową poprawkę. Współczynniki u i w są liczbami naturalnymi dla równań dwuparametrowych, natomiast dla równań trój- i czteroparametrowych są liczbami rzeczywistymi wyrażonymi w funkcji stosunku parametrów równania lub wielkości zastępczych.

9 Gęstość i objętość m v 1 V Z D pm ZRT Mn v M mol M D mol Z V V odn Z ZTp odn T odn odn p odn Z ZTp odn T odn odn p

10 Rozliczenia ilości gazu ziemnego (1) Pomiary p,v,t gazu lub mieszaniny gazów w warunkach rzeczywistych i ich przeliczenie na warunki odniesienia: normalne (0 o C), bazowe (15 o C) lub inne np. gęstość gazu, strumień objętościowy, wartość kaloryczną i ostatnio zmagazynowaną energię użyteczną w gazie. Wzór opisujący gęstość molową ma postać: n PTZ n PT Z K PT n PT n n n gdzie K=Z/Z n jest względnym współczynnikiem ściśliwości odniesionym do warunków normalnych. Na podstawie wzoru można otrzymać różne rodzaje przeliczenia z warunków rzeczywistych na warunki normalne; patrz norma ZN-G-4003.

11 Zastosowanie równań stanu W opisie problemów gazowniczych głównie wykorzystuje się współczynnik ściśliwości, ale można wykorzystywać wybrane równania stanu, np. kubiczne do opisu równowag fazowych. Na następnym slajdzie podano najważniejsze zastosowania EOS w gazownictwie ziemnym.

12 Właściwości i przemiany fizyczne Wykładnik izentropy, Wyznaczania współczynnika fugatywności Dławienie gazu (J-T) Sprężanie gazu Prędkość dźwięku, Inne właściwości i zjawiska, np. sprężony gaz ziemny do pojazdów Przepływu gazu Eksploatacja kawern solnych Równowagi fazowe ciecz-para Tworzenie i inhibicja hydratów Zastosowania w inżynierii złożowej Równowagi chemiczne oparte o gaz ziemny

13 Fugatywność (aktywność ciśnieniowa) Do większości obliczeń dotyczących opisu zachowania się gazów rzeczywistych i równowagi fazowej gazciecz konieczna jest znajomość lotności (aktywności ciśnieniowej nazywanej też fugatywnością f. v i 1 p i RT vm dv Zm i i T, v, n f ln ln / ln p RT n j ln ln p R R R f Z 1 G H S dp p p RT RT R 0 Warowny W., Obliczanie aktywności ciśnieniowej gazów i mieszanin gazowych ze współczynników wirialnych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 53(6), (1979).

14 Wielkości kaloryczne Funkcje termodynamiczne (energia wewnętrzna, entalpia, entropia, ) Ciepło właściwe lub molowe Ciepło spalania lub wartość opałowa Liczba Wobbe go

15 Warunki równowagi fazowej Dla ustalonego ciśnienia i temperatury wymagana jest równość potencjałów chemicznych albo fugatywności składnika i w poszczególnych fazach, w tym przypadku przedstawiono warunki równowagi fazowej ciecz-para L V f p, T, x f p, T, y i i i i V L V L fi fi i yi p i xi p K i y x i i L i V i L V T T T p p L V L, T, x p V V V, T, y i i Gdzie znaczek V dotyczy fazy gazowej a znaczek L fazy ciekłej, x i y ułamki molowe w fazie ciekłej i gazowej, natomiast K i jest stałą równowagi fazowej, i jest współczynnikiem fugatywności. Do wyznaczania fugatywności najczęściej stosuje się różne klony kubicznych równań: Peng-Robinsona lub Soave-Redlich-Kwonga Warowny W., Równowagi fazowe składników gazu ziemnego, Gaz Woda i Technika Sanitarna, 74(2), (2000).

16 Równowagi fazowe Punkt rosy wody Kondensaty węglowodorowe Kondensacja wsteczna Skraplanie Rozpuszczalność Hydraty Warowny W., Kocik P., Roszak R., Szołkowski S., Wyznaczanie punktu rosy wody w gazie ziemnym, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 77(7-8), (2003). Warowny W., Nagy S., Śniatała K., Roszak R., Szołkowski S., Wyznaczanie punktu rosy węglowodorów w gazie ziemnym, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 78(4), (2004).. Warowny W., Równowagi fazowe składników gazu ziemnego, Gaz Woda i Technika Sanitarna, 74(2), (2000).

17 Gazo-hydraty SS T M wk 1 HG w

18 Technologie powierzchniowe Odgazolinowanie gazu, rozdzielanie mieszanin składników sprężanie gazu ziemnego w przetłoczniach i do celów magazynowania, skraplanie gazu, magazynowanie kriogeniczne i transport gazu skroplonego, wydzielanie helu, azotu z gazu zaazotowanego. Oczyszczanie gazów ziemnych z siarkowodoru i dwutlenku węgla (absorpcyjne mokre i adsorpcyjne suche). Usuwanie składników kwaśnych związane jest z przepływem gazu siecią gazociągową i przede wszystkim przed procesem skraplania.

19 Zastosowania w wydobyciu gazu liniowy i promieniowy przepływ gazu ziemnego w skale zbiornikowej z wykorzystaniem równania Darcy ego dla ustalonego i nie ustalonego przepływu, wyznaczanie współczynnika objętościowego gazu, określanie poziomu wydobycia gazu czy wyznaczania ciśnień dennych gazu na dnie odwiertu przy znanym ciśnieniu w głowicy, oszacowanie zasobów gazu ziemnego z bilansu materiałowego dla złoża o strukturze zamkniętej (złoże wolumetryczne) czy też weryfikacja zasobów złoża w czasie eksploatacji. zjawiska i charakterystyka gazu podczas zmiany fazy zachodzącej w czasie eksploatacji skały zbiornikowej (gaz suchy lub mokry),

20 Problematyka złożowa Dużą rolę odgrywają też symulacje wykorzystujące równania stanu w procesie ustalonym i nieustalonym, charakterystyki liniowego i promieniowego przepływu gazu rzeczywistego (gazu ziemnego) w skale zbiornikowej (środowisko porowate) czy różnych zjawisk fazowych.

21 Metody pomocnicze VLE CVD (Constant Volume Depletion); stałoobjętościowe opróżnianie autoklawu, CCE (Constant Composition Expansion); obniżanie ciśnienie o stałym składzie - kondensacja rzutowa, DL (Differential Liberation); różnicowe wydzielenie oraz FS (Flash Separation); rozdział w separatorze. VGD (Vaporizoing Gas Drive).Jednym z nowych procesów występujących w trakcie mieszania się płynów złożowych z zatłaczanym jest proces odparowania przy zatłaczaniu gazu.

22 Przemiany elektrochemiczne

23 Przemiany chemiczne (1)

24

25 2-3 minuty chciałbym jeszcze poświęcić proponowanym pozycjom książkowym

26 Termodynamika fazy gazowej Książka o charakterze monograficznym, ukierunkowana na zagadnienia teoretyczne, przeglądowe i praktyczne. W załączeniu bogata literatura. Przeznaczona dla pracowników związanych z fazą gazową (głównie gazownictwa ziemnego) oraz ze względu na rozbudowaną część teoretyczną dla pracowników: uczelni, instytutów oraz studentów.

27 Spis treści 1. Podstawy termodynamiki 2. Obszary z fazą gazową substancji czystej 3. Obiegi termodynamiczne 4. Gaz rzeczywisty 5. Termiczne równania stanu 6. Właściwości mieszanin 7. Właściwości kaloryczne 8. Inne równowagi termodynamiczne 9. Termodynamika doświadczalna 10. Modelowanie przemian fizycznych i chemicznych 11. Termodynamika praktyczna 12. Załączniki

28 Termodynamika gazu ziemnego i syntezowego Spis treści 1. Produkty gazowe z paliw naturalnych 2. Eksploatacja gazu ziemnego 3. Gaz ziemny jako paliwo 4. Gaz ziemny jako surowiec 5. Pomiary i badania doświadczalne 6. Termodynamika praktyczna 7. Surowce i metody produkcji gazu syntezowego 8. Wykorzystanie gazu syntezowego 9. Modelowanie i korelacje 10. Studialne dane literaturowe 11. Załaczniki

29 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ