壓力波法跟蹤泡沫清管器

牛殿國 李興濤 張 聰 陳泳何

1.中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京 100034；2.中國石油天然氣管道局投產(chǎn)運(yùn)行公司，河北 廊坊 065000

0 前言

管道的輸送效率和使用壽命很大程度上取決于管道內(nèi)壁和內(nèi)部的清潔狀況，輸送含蠟原油不可避免地帶來結(jié)蠟問題，結(jié)蠟將減少管路的有效流通截面，增大管壁粗糙度及輸送阻力，降低輸送能力，同時(shí)還會(huì)使管道停輸后造成再啟動(dòng)困難，嚴(yán)重時(shí)甚至堵管［1-3］。為解決以上問題，需對(duì)管道內(nèi)部和內(nèi)壁進(jìn)行清掃。對(duì)于結(jié)蠟嚴(yán)重的原油管道，采用機(jī)械式清管器清管，可能會(huì)產(chǎn)生卡球事故，因此，在放入機(jī)械清管器之前，可先放入較小直徑的泡沫清管器進(jìn)行試探性清管作業(yè)。泡沫清管器卡堵時(shí)可利用高壓力打爆，故泡沫清管器不允許使用跟蹤器，不易掌握其具體行進(jìn)位置。對(duì)于天然氣管道，吳曉南等人［4］曾建立了管道清管器運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)模型，深入研究輸油管道中泡沫清管器的跟蹤技術(shù)，對(duì)管線安全清管作業(yè)以及制定合理的清管輸油方案具有一定的指導(dǎo)意義。本文將以非洲乍得原油管道為例，給出高含蠟原油管道清管過程中，采用壓力波傳播至各采壓點(diǎn)的時(shí)間差對(duì)泡沫清管器進(jìn)行跟蹤的方法，掌握泡沫清管器的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，提前做好卡球及收球應(yīng)對(duì)方案，并適時(shí)調(diào)整輸油方案，保障順利接收泡沫清管器。

1 工程簡(jiǎn)介

乍得原油管道線路全長311 km，設(shè)計(jì)壓力為10MPa，管徑為406.4mm，管道壁厚為7.1mm。該工程設(shè)首站IS1座，末站TS1座及RTU閥室3座即是BV1、BV2、BV5，可對(duì)管輸壓力、油品溫度及地溫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。各站場(chǎng)與閥室之間的距離見表1。

表1 各站場(chǎng)與閥室之間的距離 km

該管道所輸原油為高黏、高凝、高含蠟原油，蠟含量18.5%，凝點(diǎn)30℃。自2011年投產(chǎn)以來，由于乍得當(dāng)?shù)赜推沸枨筝^少，輸量一直較低，加上雨季及冬季，地溫低，進(jìn)行清管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。隨著煉廠原油銷售量的增加，原油輸量達(dá)到清管要求，選擇在地溫較高的旱季進(jìn)行清管作業(yè)。由于長時(shí)間未進(jìn)行清管作業(yè)，管道內(nèi)積蠟嚴(yán)重，不敢采取機(jī)械清管器進(jìn)行清管，故采用管徑為350mm的泡沫清管器進(jìn)行首次通球清管。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究方法

2.1.1 輸油管道壓力波速度

輸油管道內(nèi)的壓力波傳播速度取決于原油可壓縮性和管道彈性。原油可壓縮性越大，管道彈性越大，壓力波的波速就越低。管道的彈性與管材、管道幾何尺寸和管道約束條件有關(guān)。式（1）給出了薄壁管道（內(nèi)徑/壁厚>25）壓力波傳播速度公式［5］。

式中：a為壓力波傳播速度，m/s；K為液體體積彈性系數(shù)，Pa；ρ為液體密度，kg/m3；E為管材彈性模量，Pa；D為管內(nèi)徑，m；δ為管壁厚度，m；C1為管子約束系數(shù)，對(duì)于埋地管道，C1=1-μ2，μ為管材泊松系數(shù)。

圖1 管道啟動(dòng)過程中壓力波傳播

利用式（1）并結(jié)合原油物性及各系數(shù)實(shí)驗(yàn)值，可得到該原油的壓力波的波速為1 122m/s。

圖1給出了該管道在啟動(dòng)過程中壓力波傳播到各壓力采集點(diǎn)的時(shí)間。由圖1可以得出，在91 s首站IS出站壓力出現(xiàn)波動(dòng) （A點(diǎn)），隨后在121 s時(shí)BV1出現(xiàn)壓力波動(dòng)（B點(diǎn)），在124 s BV2出現(xiàn)壓力波動(dòng)（C點(diǎn)），BV5壓力波動(dòng)發(fā)生在232 s（D點(diǎn)），壓力波傳播到末站TS的時(shí)間點(diǎn)為368 s（E點(diǎn)）。根據(jù)首站IS與BV1之間的站間距，可得出首站壓力波傳到BV1的速度為1 100m/s，BV2至BV5壓力波速度為1 130m/s，BV5至末站TS壓力波速度為1 118m/s。由于壓力波傳播速度較快，BV1至BV2距離只有3 km，所以計(jì)算誤差較大。可以看出BV2至BV5之間壓力波速度要比其他位置快，這主要是因?yàn)锽V2至BV5管段之間管道內(nèi)的結(jié)蠟較嚴(yán)重造成的。

2.1.2 泡沫清管器跟蹤方法

原油管道由于長期未進(jìn)行清管作業(yè)，管內(nèi)積蠟較多，并且在日常運(yùn)行過程中末站過濾器經(jīng)常發(fā)生堵塞現(xiàn)象，這說明管道內(nèi)壁結(jié)蠟已達(dá)到飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)的結(jié)蠟層厚度不等且不均勻分布［6-7］，會(huì)在某些地方產(chǎn)生突起，某些部分則較平滑，見圖2。在使用泡沫清管器進(jìn)行清管作業(yè)的過程中，泡沫清管器在管道內(nèi)并不隨著油流勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到蠟層突起，會(huì)使得泡沫清管器前進(jìn)的阻力增大，導(dǎo)致泡沫清管器后部的壓力p1增大，前部壓力p2降低，增壓波傳至管道上游，減壓波傳至管道下游。管道內(nèi)原油在p1處累計(jì)，p1與p2的壓力差逐漸增大，當(dāng)前后壓力差能夠克服蠟層突起造成的阻力時(shí)，泡沫清管器就會(huì)前進(jìn)，造成p1壓力迅速降低，p2壓力迅速上升，從而會(huì)對(duì)泡沫清管器上游管道產(chǎn)生減壓波，對(duì)下游管道產(chǎn)生增壓波。

圖2 泡沫清管器管內(nèi)流動(dòng)示意圖

利用增壓波與減壓波傳遞到不同采壓點(diǎn)的時(shí)間差對(duì)泡沫清管器的位置進(jìn)行計(jì)算，見圖3。已知兩個(gè)壓力采集點(diǎn)的距離為L，壓力波速度為V，假設(shè)蠟層突起距離pa的距離為X，則蠟層突起距離pb的距離為L-X，壓力波傳遞到pa與pb的時(shí)間差為dt。則由圖3可以得到：

由式（2）可以求解得到泡沫清管器距離上游壓力采集點(diǎn)的距離為：

圖3 泡沫清管器位置計(jì)算示意圖

2.2 模型驗(yàn)證

通過對(duì)泡沫清管器清管過程中采壓點(diǎn)壓力波動(dòng)的跟蹤，得到典型的由于蠟層突起造成的采壓點(diǎn)壓力波動(dòng)隨時(shí)間的變化關(guān)系圖，見圖4。由于蠟層突起對(duì)泡沫清管器造成的阻力較小，壓力波動(dòng)相對(duì)于正常輸送壓力變化也較小。為了更明顯的看出波動(dòng)，將各個(gè)采壓點(diǎn)的表壓減去其采壓點(diǎn)正常輸送壓力，得到圖5。

圖4 采壓點(diǎn)壓力隨時(shí)間的波動(dòng)

圖5 采壓點(diǎn)壓力隨時(shí)間的波動(dòng)簡(jiǎn)化圖

由圖5可以看出，BV5首先出現(xiàn)壓力降低，隨后升高，表明泡沫清管器位于BV5上游。其次是BV2出現(xiàn)壓力升高，隨后下降，表明泡沫清管器位于BV2與BV5之間，且距離BV5較近。BV5與BV2出現(xiàn)壓力波動(dòng)的時(shí)間差為107 s，BV2與BV5之間的距離為122 km，通過式（3）計(jì)算可得，泡沫清管器位于BV5上游1.3 km處，即距離首站IS 166.7 km。

根據(jù)整個(gè)清管過程中得到的壓力波動(dòng)記錄，結(jié)合泡沫清管器無過流損失的計(jì)算公式，即泡沫清管器運(yùn)行的距離L=4Qt/（πd2），以排除一些不定因素（例如流量變動(dòng)）引起的壓力波動(dòng)，計(jì)算得到泡沫清管器的運(yùn)行記錄，摘取典型記錄見表2。

由表2可以看出，投放泡沫清管器后的前兩天沒有得到壓力波動(dòng)，這是因?yàn)槭渍綢S外輸原油加熱到75℃外輸，首站IS至BV1原油溫度較高，不易結(jié)蠟。在2013年4月17日凌晨3∶57，清管器運(yùn)行到了河流穿越點(diǎn)，由于此處管道處于河流底部，溫降較大，且地勢(shì)較低，導(dǎo)致蠟層及雜質(zhì)較多，引起泡沫清管器卡堵，導(dǎo)致壓力波動(dòng)。17日以后，泡沫清管器通過BV2。21日5∶25，再次出現(xiàn)壓力波動(dòng)，隨后壓力波動(dòng)頻次增加。根據(jù)BV5至300 km里程處壓力波的傳播情況，計(jì)算得出BV5至300 km里程處的泡沫清管器的平均運(yùn)行速度為0.925 km/h，進(jìn)而預(yù)測(cè)泡沫清管器30日6∶30進(jìn)站。 在30日7∶07，該管道末站TS進(jìn)站過濾器發(fā)生嚴(yán)重堵塞，表明泡沫清管器即將進(jìn)站，末站運(yùn)行流程切換進(jìn)入泡沫清管器接收流程，7∶35以后，管道恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行，說明泡沫清管器已經(jīng)進(jìn)入清管器接收裝置。10∶00打開清管接收裝置，發(fā)現(xiàn)泡沫清管器完整地位于清管器接收裝置內(nèi)。泡沫清管器預(yù)測(cè)到站時(shí)間與實(shí)際到站時(shí)間相差1 h左右，泡沫清管器跟蹤計(jì)算模型與實(shí)際基本吻合。

表2 2013年4月泡沫清管器運(yùn)行記錄

3 結(jié)論

a）通過結(jié)蠟原油管道內(nèi)的蠟層突起造成的壓力波傳遞到上、下游壓力采集點(diǎn)的時(shí)間差，對(duì)泡沫清管器的位置進(jìn)行跟蹤，提出的計(jì)算模型與實(shí)際情況基本吻合。該方法解決不帶跟蹤器的泡沫清管器進(jìn)行跟蹤的問題，有助于管線安全清管作業(yè)及制定合理的清管輸油方案。

b）該方法在對(duì)壓力波跟蹤的過程中，由于流動(dòng)不穩(wěn)定等相關(guān)因素，會(huì)產(chǎn)生較多的干擾信號(hào)，需要利用累計(jì)輸量對(duì)泡沫清管器大概位置進(jìn)行估算，再通過信號(hào)篩選得到更加精確的泡沫清管器位置。

c）該方法適用于具有壓力采集系統(tǒng)及結(jié)蠟較多的原油管道，并且隨著壓力采集點(diǎn)的增多，跟蹤準(zhǔn)確度越高。

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