多起伏濕氣集輸管線工藝計(jì)算方法優(yōu)選

李玉浩 曹學(xué)文 梁法春 張 俊 趙文祥

1．中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院 2．中國石化中原油田普光分公司

在山地丘陵地區(qū)的高含硫氣田開發(fā)過程中，考慮到工藝安全、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)等因素，濕氣集輸工藝得到廣泛應(yīng)用［1－4］。因此，多起伏低持液率天然氣集輸管線的工藝計(jì)算就成為當(dāng)前亟待解決的問題之一?？v觀當(dāng)前國內(nèi)外的研究成果，諸多學(xué)者以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)提出了多種氣液兩相流管路工藝計(jì)算方法，但這些計(jì)算方法大都是在短距離、低壓力、小管徑的實(shí)驗(yàn)條件下得出的，其適用范圍具有一定的局限性，需要加以分析研究，選擇合適的計(jì)算方法準(zhǔn)確預(yù)測多起伏濕氣集輸管線的積液和壓降，為高含硫濕氣集輸管線的高效運(yùn)行和清管方案制訂等提供依據(jù)［5－10］。鑒于此，筆者以常用多相流管路工藝計(jì)算模型程序?yàn)榛A(chǔ)，將預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，評估了Beggs ＆Brill相關(guān)式、Mukherjee ＆Brill相關(guān)式、Xiao ＆Brill模型、Eaton－Flanigan相關(guān)式、DuklerⅡ－Flanigan相關(guān)式的積液判斷和壓降預(yù)測效果，篩選出了適用于多起伏濕氣集輸管線現(xiàn)場、精度較好的計(jì)算方法。

1 常見工藝計(jì)算方法

目前常用的氣液兩相流管路工藝計(jì)算方法主要有以下幾種［11］：①Beggs ＆ Brill相關(guān)式；②Mukherjee＆Brill相關(guān)式；③Xiao＆Brill模型；④Eaton－Flanigan相關(guān)式；⑤DuklerⅡ－Flanigan相關(guān)式。

Beggs ＆Brill相關(guān)式是在動(dòng)量方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論推導(dǎo)得出的與管路傾角有關(guān)的兩相流壓降關(guān)系式［12］。其中截面含液率和兩相水力摩阻系數(shù)是通過分析在小型試驗(yàn)系統(tǒng)上測得的584組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而確定的，該小型試驗(yàn)系統(tǒng)由長27．43m、內(nèi)徑分別為25．4 mm和38．1mm的有機(jī)玻璃管組成，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水和空氣。

Mukherjee ＆Brill相關(guān)式提出了一組以無因次準(zhǔn)數(shù)表示并且適用于各種管路傾角的流型轉(zhuǎn)換方程［13］。管路壓降由重力壓降、加速壓降、摩阻壓降3部分組成，各部分壓降計(jì)算式根據(jù)不同流型的流動(dòng)機(jī)理給出。截面含液率是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用非線性方程回歸確定的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在管徑為38．1mm、長9．75m、傾角范圍為－90°～＋90°的管路系統(tǒng)上測得的，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為煤油和空氣。

Xiao ＆Brill模型是關(guān)于水平及近水平管中氣液兩相流動(dòng)的綜合機(jī)理模型［14］，其中兩相流動(dòng)流型被分為4種：分層流（包括分層光滑流和分層波浪流）、間歇流（包括氣團(tuán)流和段塞流）、環(huán)狀流和分散氣泡流。此模型提出了流型的判別準(zhǔn)則，并通過理論推導(dǎo)，應(yīng)用必要的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式給出了每種流型下截面含液率和管路壓降的計(jì)算方法，經(jīng)大量現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)評估，模型預(yù)測效果較好。

Eaton－Flanigan相關(guān)式為混合模型工藝計(jì)算方法［15］。其中兩相流管線的持液率采用Eaton持液率相關(guān)式計(jì)算得出，在能量平衡方程式基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的Eaton壓降相關(guān)式可以計(jì)算管路的摩阻壓降和加速壓降，高程造成的壓降損失由Flanigan相關(guān)式?jīng)Q定。

DuklerⅡ－Flanigan相關(guān)式為另一種常用的混合模型工藝計(jì)算方法［16］。兩相流管線截面含液率通過DuklerⅡ相關(guān)式中截面含液率—體積含液率－兩相雷諾數(shù)的關(guān)系曲線得出。DuklerⅡ相關(guān)式和Flanigan相關(guān)式分別給出了兩相管路摩阻壓降和重力壓降的計(jì)算方法，模型忽略了加速壓降的影響。

筆者考慮壓降、溫降的變化所導(dǎo)致的熱物性參數(shù)的變化，選擇BWRS狀態(tài)方程進(jìn)行多組分相平衡計(jì)算，采用C語言編制了以上5種常見工藝計(jì)算相關(guān)式及模型的計(jì)算程序。程序中Eaton和DuklerⅡ相關(guān)式計(jì)算的傾斜管持液率用Beggs ＆Brill相關(guān)式進(jìn)行了修正。

2 工藝計(jì)算方法的選取

2．1 多起伏濕氣集輸管線概況

中國石化普光氣田屬于典型的高含硫氣田，地面集輸系統(tǒng)采用了濕氣集輸工藝，且氣田地處地形條件復(fù)雜的高山丘陵地區(qū)，管線起伏變化頻繁，管內(nèi)積液嚴(yán)重。圖1為普光氣田P201站至集氣末站的管線縱斷面圖，管線總長5 561．4m，由113個(gè)起伏點(diǎn)和112段起伏管路組成，平均管段長度僅為49．66m，而且管段平均起伏角度偏大，其中22．4%的管段傾角絕對值大于20°，管段傾角絕對值大于10°的管段更是超過了50%。管線輸送的濕天然氣平均分子量為21．15，其中C3＋組分的摩爾分?jǐn)?shù)為零，水是管線內(nèi)液相的主要成分，其摩爾分?jǐn)?shù)為2．28%。因此，此管線屬于典型的多起伏低持液率集輸管線。管線其他數(shù)據(jù)如下：內(nèi)徑為463．6mm；相對粗糙度為0．000 215 7；總傳熱系數(shù)為6．24W／（m2·℃）。

圖1 普光氣田P201站至集氣末站的管線縱斷面圖

2．2 持液率計(jì)算方法的選取

持液率計(jì)算是壓降計(jì)算的基礎(chǔ)，在多相流管線的工藝計(jì)算中處于重要地位。持液率不但會(huì)影響集氣末站氣液分離器外形和尺寸的設(shè)計(jì)，而且對于清管周期及清管方案的制訂具有決定性作用［17］。因此，篩選并確定適用于多起伏低持液率集輸管線的持液率計(jì)算方法對于山地丘陵地區(qū)濕氣集輸管線的初步設(shè)計(jì)和保證管線的高效運(yùn)行具有重要意義。

多起伏管線是由水平管段、向上傾斜管段、向下傾斜管段組成的復(fù)雜管道，受地形起伏影響，不同傾角管段中的氣液兩相流動(dòng)流型可能有所不同，而每種流型有其特有的氣液分布特征，因此，需要分別為水平管段、向上傾斜管段、向下傾斜管段選取持液率計(jì)算方法。在低持液率向下傾斜管段內(nèi)，氣液主要流動(dòng)型態(tài)為分層流，此條件下采用Xiao ＆Brill模型預(yù)測管內(nèi)持液率準(zhǔn)確度較好［18－19］。對于水平管段，為了比較各相關(guān)式的計(jì)算精度，應(yīng)用超聲積液檢測裝置對P201站至集氣末站管線的某水平管段進(jìn)行了液位監(jiān)測，獲得了氣液流動(dòng)達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)的平均持液率，并與各相關(guān)式預(yù)測值進(jìn)行了對比（圖2）。

從圖2可以看出，由Beggs ＆Brill相關(guān)式和Xiao＆Brill模型得到的水平管持液率偏大，而DuklerⅡ相關(guān)式的預(yù)測值偏小，同現(xiàn)場檢測結(jié)果相比，這3種相關(guān)式的計(jì)算值誤差都很大，這是因?yàn)闈裉烊粴夂毫可?，管線持液率低，比較小的計(jì)算偏差就會(huì)引起較大誤差。通過 Mukherjee ＆Brill相關(guān)式計(jì)算得到的持液率誤差較小，能夠滿足工程應(yīng)用要求，但是精度不如Eaton相關(guān)式，Eaton相關(guān)式的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果十分接近，準(zhǔn)確性好，適合用于多起伏低持液率管線水平管段的持液率預(yù)測。

圖2 水平管段持液率預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值的對比圖

由于向上傾斜管段中流動(dòng)比較復(fù)雜，因此，本文采用，5種常見工藝計(jì)算方法分別對其進(jìn)行持液率計(jì)算，結(jié)合向下傾斜管段和水平管段的持液率預(yù)測結(jié)果，得到P201站至集氣末站管線的積液量，與現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，當(dāng)向上傾斜管段使用Xiao ＆Brill模型計(jì)算時(shí)得到的管線積液量偏大，采用Mukherjee ＆Brill、Eaton以及DuklerⅡ相關(guān)式得出的預(yù)測結(jié)果偏小，而且這些相關(guān)式的預(yù)測值誤差都很大。當(dāng)向上傾斜管段采用Beggs ＆Brill相關(guān)式、水平管段采用Eaton相關(guān)式、向下傾斜管段采用Xiao ＆Brill相關(guān)式計(jì)算得到的管線積液量誤差較小，能夠?yàn)槎嗥鸱统忠郝始斚到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供比較準(zhǔn)確的結(jié)論。

2．3 壓降計(jì)算方法的選取

壓降計(jì)算是多起伏低持液率集輸管線工藝計(jì)算的最終目的。壓降預(yù)測是管線進(jìn)口壓力設(shè)計(jì)和中間泵站布置的基礎(chǔ)。但是，在多起伏低持液率管線的設(shè)計(jì)和運(yùn)行模擬中選擇正確合理的壓降計(jì)算方法存在一定的難度，本文通過對比分析現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)和常用工藝計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，篩選出適用于多起伏低持液率管線、精度較高的壓降計(jì)算方法。

表1 不同工況下的積液量預(yù)測表

以普光氣田P201站至集氣末站的集輸管線2011年3月12日的運(yùn)行工況為例，在管線出口壓力一定的條件下，用多種工藝計(jì)算方法分別計(jì)算管線進(jìn)口及沿線9個(gè)閥室的壓力，預(yù)測出管線的壓力變化趨勢，與現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖3）。

圖3 多起伏低持液率管線壓降預(yù)測結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)的對比圖

從圖3可以看出，Eaton相關(guān)式和DuklerⅡ相關(guān)式預(yù)測的管段壓力變化趨勢相近，在1 000m后兩者的壓力曲線更是幾乎重合，但是由于忽略了高程壓降，導(dǎo)致壓降值過小?？紤]了多起伏管線高程變化引起壓降損失的 Eaton－Flanigan相關(guān)式和 DuklerⅡ－Flanigan相關(guān)式計(jì)算得到的壓降值過大，顯然，其中的Flanigan相關(guān)式過高地估計(jì)了低持液率管線中的高程壓降損失。Mukherjee ＆Brill相關(guān)式和Xiao ＆Brill模型的壓降預(yù)測值分別偏小和偏大，使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。與實(shí)際運(yùn)行壓力相比，由Beggs ＆Brill相關(guān)式得到的進(jìn)出口壓降值略大，沿線壓力變化趨勢相近，因此，Beggs ＆Brill相關(guān)式計(jì)算多起伏低持液率管線的壓力變化準(zhǔn)確度較高。

應(yīng)用Beggs＆Brill相關(guān)式預(yù)測多種運(yùn)行工況下的管線壓降值，與生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖4）。由圖4可知，預(yù)測的壓降值與實(shí)際壓降值誤差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了Beggs ＆Brill相關(guān)式能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測多起伏低持液率管線的壓降值，對于此類管線的設(shè)計(jì)及運(yùn)行模擬有較好的指導(dǎo)作用。

圖4 Beggs ＆Brill相關(guān)式壓降值預(yù)測結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)對比圖

3 結(jié)論

1）與其他常用工藝計(jì)算方法相比，Eaton相關(guān)式能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測多起伏低持液率管線水平管段的持液率。

2）向上傾斜管段采用Beggs ＆Brill相關(guān)式、水平管段采用Eaton相關(guān)式、向下傾斜管段采用Xiao ＆Brill相關(guān)式計(jì)算多起伏低持液率管線的積液量時(shí)誤差較小。

3）就多起伏低持液率管線而言，Eaton相關(guān)式、DuklerⅡ相關(guān)式以及Mukherjee ＆Brill相關(guān)式預(yù)測的壓降值偏小，而由Eaton－Flanigan相關(guān)式、DuklerⅡ－Flanigan相關(guān)式及Xiao ＆Brill相關(guān)式計(jì)算得到的壓降值偏大。Flanigan相關(guān)式過高地估計(jì)了低持液率管線中的高程壓降損失。

4）對比分析及多種運(yùn)行工況驗(yàn)證表明，由Beggs＆Brill相關(guān)式計(jì)算得到的壓降值與現(xiàn)場管線的實(shí)際壓降值吻合較好，可以用于多起伏低持液率管線的壓降值預(yù)測。

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