天然氣－凝析液管道研究進(jìn)展

王廣志 翟培軍

【摘要】濕天然氣與干天然氣不同，是多元組分的氣體混合物，成分以飽和烴組分為主。由于輸送過程中沿線溫度、壓力的變化，凝析和反凝析現(xiàn)象顯著，使得天然氣-凝析液的管道輸送不同于氣體或液體的單相輸送，其實(shí)質(zhì)是氣液混輸[1]。國內(nèi)的一些凝析氣田或油田，伴生氣從聯(lián)合站或平臺分離器和原油穩(wěn)定裝置生產(chǎn)出來后，接著輸送至天然氣處理廠。隨著壓力、溫度的降低，在聯(lián)合站或者平臺分離器到天然氣處理廠的富氣管線內(nèi)，會有液體凝析，導(dǎo)致此處管段處于多相流動狀態(tài)。我國早期開發(fā)的位于四川地區(qū)的氣田，雖然在井口處設(shè)置了分離器，但仍有液體凝析，其部分管線仍處于多相流動狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】天然氣 凝析液 管道

天然氣兩相流管線（濕氣管線）的工藝計(jì)算分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬兩個(gè)方面。挪威、英國、法國、美國等均在天然氣-凝析液混輸管路的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬方面進(jìn)行了系列的理論和試驗(yàn)研究。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果是工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，穩(wěn)態(tài)模擬是基礎(chǔ)。但是正常運(yùn)行的天然氣-凝析液管線，即使沒有輸量的改變，也會處于清管-積液-清管的操作循環(huán)中，即從本質(zhì)上講，天然氣-凝析液的流動常常是不穩(wěn)定的。天然氣-凝析液管道的瞬態(tài)模擬計(jì)算在90年代取得了重大進(jìn)展，但模型和算法仍有很大的改進(jìn)空間。

在進(jìn)行濕氣的管道輸送時(shí)，與輸氣管道類似，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，管道溫度在某些位置可能低于環(huán)境溫度，而重?zé)N凝析液的數(shù)量又受沿線溫度變化的影響，同時(shí)重?zé)N的蒸發(fā)或凝析伴隨有熱效應(yīng)，進(jìn)而影響管道的溫降。因?yàn)槟鰵庠谳斔瓦^程中會凝析出液體，導(dǎo)致氣液混輸，所以其沿線的壓降變化也與氣體輸送管道的壓降不同。在凝析氣輸送中，隨著凝析液在管道內(nèi)的不斷積聚增多，在管道起伏處需要舉升凝析液，從而形成舉升凝析液的靜壓損失，其與沿程摩阻組成了凝析氣管道的總壓降，其值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單相氣體管道輸送的總壓降。由于持液率與氣體流率有關(guān)，所以在低氣體流率的狀態(tài)時(shí)，會導(dǎo)致管道壓降升高的現(xiàn)象出現(xiàn)。

1 天然氣-凝析液兩相管流穩(wěn)態(tài)模擬現(xiàn)狀研究

對于氣液兩相管流的穩(wěn)態(tài)模擬，主要是采用不同的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)式進(jìn)行計(jì)算。穩(wěn)態(tài)相關(guān)式計(jì)算可分為兩大類，流型算法和非流型算法：

1.1 流型算法

流型算法主要包括流型劃分和判別、持液率和壓降計(jì)算。不同的流型具有不同的氣液兩相流動能量損失機(jī)理，所以使得持液率和壓降計(jì)算公式也不相同。因此，最初的工作是進(jìn)行流型的判別，再根據(jù)流型的類型選擇不同的計(jì)算相關(guān)式。但是，計(jì)算相關(guān)式大部分是由具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和總結(jié)的，由于實(shí)驗(yàn)條件存在差異，各相關(guān)式性能也不相同。其中，Xiao&Brill（XB，1990）和Barnea（1987）統(tǒng)一模型是目前世界公認(rèn)的、具有較好計(jì)算結(jié)果的流型判別相關(guān)式。

目前，大多都采用將各相關(guān)式算法的長處相結(jié)合，形成組合模型，用于進(jìn)行氣液兩相管流的流型判別、持液率和壓降計(jì)算。比較通用的組合模型有：（a）BB-Moody模型；（b）BB-MB-Eaton模型；（c）XB-Barnea-BB模型。

1.2 非流型算法

非流型算法則不對流型的進(jìn)行劃分和判別，只需要進(jìn)行持液率和壓降的計(jì)算。常用方法有：DuklerII法、Oliemans相關(guān)式法和Eaton相關(guān)式法。非流型算法同樣也適用于組合模型，例如，使用Oliemans相關(guān)式計(jì)算持液率，用DuklerII法或Eaton相關(guān)式計(jì)算壓降等。

一般情況下，組合模型對多相管流的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較高，而在高壓、多組分特征的天然氣-凝析液混輸管道的計(jì)算中，組合模型的計(jì)算精度卻較低。由于影響油氣兩相管流的因素較多，極大地限制了經(jīng)驗(yàn)相關(guān)式的計(jì)算精度和使用范圍。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始從氣液兩相流動機(jī)理著手進(jìn)行瞬態(tài)模擬研究。

2 天然氣-凝析液兩相管流瞬態(tài)模擬現(xiàn)狀研究

石油天然氣工業(yè)中管道輸送的介質(zhì)物性較為復(fù)雜，同時(shí)又受到地形起伏和其它介質(zhì)（如水、砂、水合物、蠟）的影響，使得石油氣液兩相管流的研究難度較大。20世紀(jì)70年代末以來，相態(tài)模型（Phase Behavior Model）被引入到天然氣-凝析液混輸管道的工藝計(jì)算之中，從此相態(tài)模型成為凝析液混輸管道穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬的必備模型。并把相態(tài)模型和兩相流水力學(xué)機(jī)理模型耦合求解，使天然氣-凝析液混輸管道工藝計(jì)算的預(yù)測水平顯著提高了。

天然氣-凝析液混輸管道的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，如Furukawa et al.（1986）基于兩相流的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)式，提出兩相管流的壓降和溫降的預(yù)測可采用動量方程、能量方程與相態(tài)計(jì)算模型耦合算法來進(jìn)行。除此以外，基于相關(guān)式模型的PIPEPHASE、PIPEFLO、PIPESYS等軟件，將相態(tài)模型和水力學(xué)方程耦合，求解從而得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下天然氣-凝析液混輸管道沿線壓力、溫度和持液率的分布規(guī)律。

計(jì)算簡單、收斂性較好是基于相關(guān)式模型的兩相流穩(wěn)態(tài)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，但是由于相關(guān)式有限的適用范圍，特別是基于相關(guān)式的穩(wěn)態(tài)計(jì)算不便推廣到瞬態(tài)模擬。因此瞬態(tài)模擬的必然趨勢是研究兩相流機(jī)理模型及其相應(yīng)算法。

Bendikson 等（1991）開發(fā)的瞬態(tài)雙流體模擬軟件OLGA，可以對凝析液管道中相間有質(zhì)量傳遞的慢瞬變過程進(jìn)行模擬。

自20世紀(jì)80年代末以來，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)Adewumi教授課題組，針對于天然氣-凝析液混輸管道穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬做了大量的理論研究。近期還提出了基于彌散霧狀流的雙流體模型，利用修正的Soo公式，與狀態(tài)方程耦合（Zhou& Adewumi，1998），或采用TVD格式（Total Variation Diminishing Scheme）求解天然氣-凝析液輸送管道非等溫瞬態(tài)模型（Dukhovnaya&Adewumi，2000）等，但由于流型的限定，很難將其用于其它流型工況下（如分層流、段塞流等）凝析液混輸管道的瞬態(tài)模擬。

國內(nèi)對于天然氣-凝析液混輸技術(shù)的研究開展較晚。中國石油大學(xué)、西安交通大學(xué)等科研單位對油氣兩相管流的工藝計(jì)算進(jìn)行了大量研究工作。

中國石油大學(xué)李玉星（1997）基于雙流體模型，并假設(shè)管道水平以及流體等溫流動等，對濕天然氣管道的工藝計(jì)算進(jìn)行了研究。采用了四階Runge-Kutta法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。從論文來看，Runge-Kutta法的穩(wěn)定性較差，計(jì)算結(jié)果對網(wǎng)格劃分較為敏感。當(dāng)管道較長時(shí)，瞬態(tài)模擬程序收斂較為困難。

根據(jù)天然氣-凝析液管道輸送中壓降和溫降變化的特點(diǎn)，工藝技術(shù)方面已作了廣泛的研究，包括天然氣-凝析液的長距離管輸方法、兩相流動的工藝模擬、液塞捕集器的設(shè)計(jì)以及防止水化物生成的措施等，形成了相應(yīng)的配套技術(shù)?；燧敼艿赖陌l(fā)展趨勢是長距離、大口徑以及高壓力。在工程實(shí)踐中，雖然成功進(jìn)行了天然氣-凝析液兩相流管道的操作運(yùn)行，但是對于在低持液率兩相流管道中的持液率、壓降的理論預(yù)測計(jì)算精度卻依然很大。存在的主要難點(diǎn)在于：氣液界面的尺寸、形狀，界面的摩阻系數(shù)，液滴的夾帶，環(huán)狀流型的形成機(jī)理，環(huán)狀流中氣液界面摩阻系數(shù)和流型轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則等。與此同時(shí)，低持液率兩相管流的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要來自于小管徑、常壓和水平管道，卻幾乎沒有考慮地形起伏的大管徑、高壓低持液率兩相流的試驗(yàn)室數(shù)據(jù)。低持液率兩相管流工藝計(jì)算的不可靠性使得對天然氣-凝析液兩相輸送的設(shè)計(jì)帶來了很高的不確定性，經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計(jì)保守。

3 結(jié)語

本文對天然氣-凝析液管道兩相管流的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)模擬研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，總結(jié)了以往研究的成果和缺點(diǎn)，為未來研究方向指明了方向。

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