深水管匯溫壓一體變送器安裝方式優(yōu)化

閆嘉鈺

(中海油研究總院深水工程重點實驗室，北京 100028)

目前陸上常規(guī)油氣資源出現(xiàn)持續(xù)性衰竭和新探明儲量不足的趨勢，因此海洋油氣資源開發(fā)成為世界各國的投資重點。全球海洋油氣資源分布不均，70%以上蘊藏在深水、超深水海域。深水油氣資源可通過水下井口、水下采油樹、水下跨接管、水下管匯及海底管道等關(guān)鍵設(shè)備構(gòu)成的水下生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離輸送。作為深水、超深水油氣田開發(fā)的重要模式，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在墨西哥灣、巴西及西非等區(qū)域的眾多工程項目[1]。隨著回接距離的增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)管道的流動安全風(fēng)險大幅增加。由流動安全問題導(dǎo)致的管道堵塞及斷裂等事故所引起的停產(chǎn)損失、維修和治理環(huán)境污染代價極高。因此提高水下生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，保障其長時間免維護無故障運行，保證系統(tǒng)的完整性，確保環(huán)境安全成為水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計的重中之重。

流動安全問題的解決依賴于準確獲得水下生產(chǎn)系統(tǒng)管道關(guān)鍵位置處的工藝參數(shù)，如溫度和壓力。目前陸上和海洋平臺管道上傳感器的主要安裝方式有套管式[2]、非接觸式[3]和埋地探針式[4]3種，受限于水下生產(chǎn)系統(tǒng)所處海洋環(huán)境和系統(tǒng)清管要求，均無法使用。因此水下生產(chǎn)系統(tǒng)傳感器同管道采用管座-法蘭式安裝，管座、法蘭構(gòu)成的支管同主管道軸線垂直，傳感器法蘭通過螺栓與支管法蘭連接。安裝方式對管道內(nèi)流場、壓力和溫度場的影響，能直接影響測量精度和傳感器壽命，并最終影響整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全可靠運行。目前水下設(shè)備設(shè)計過程均未對該問題進行深入研究。結(jié)合“十一五”國家科技重大專項完成的國內(nèi)首臺自主建造的深水管匯樣機，對水下溫壓一體變送器(Pressure and Temperature Transmitter，PTT)的安裝方式進行建模分析和優(yōu)化，為水下設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

根據(jù)帕斯卡定律，流場基本穩(wěn)定時，局部連通區(qū)域內(nèi)任意位置液體壓力在各方向上均相等。因此僅針對溫度測量進行研究。

水下管匯測量用支管和主管的安裝方式，內(nèi)輪廓形狀對流道流場具有影響。流場對傳熱產(chǎn)生影響，最終影響流道溫度場分布。流體溫度變化反過來影響流體物性，并進一步影響流道內(nèi)流場。因此溫度測量需要對流道內(nèi)流體流動、溫度耦合場進行分析。該問題的主要影響因素關(guān)系框圖如圖1所示。

圖1 仿真影響因素關(guān)系框圖

對多場耦合問題進行理論推導(dǎo)難度過大，且無法獲得管匯樣機內(nèi)部流場每一時刻各點的實際參數(shù)。為便于研究，選用流體專用計算軟件Fluent進行仿真研究。

2 建模假設(shè)

深水管匯樣機針對南海某大型深水氣田設(shè)計。為保證仿真結(jié)果的真實性和可靠性，各項參數(shù)采用該深水氣田實際數(shù)據(jù)。根據(jù)該氣田多相產(chǎn)物組分和氣田配產(chǎn)情況，通過hysys仿真計算得到井口溫度、壓力、流速、密度及熱導(dǎo)率等參數(shù)。

為突出主要影響因素，在保證所需仿真精度的前提下，作如下簡化：

a. 僅針對管道對稱面進行二維仿真；

b. 管匯出口溫度測量點距井口距離較近，忽略產(chǎn)物輸送過程中的物性變化；

c. 海水環(huán)境溫度取管匯所處水深常年溫度均值3.0℃，視海水環(huán)境為恒溫?zé)釒欤?/p>

d. 忽略管道附近海水熱對流和管道向外熱輻射，僅考慮管道熱傳導(dǎo)；

e. 管道、管座、法蘭材料為均質(zhì)碳鋼，忽略焊縫影響；

f. 為避免管道長度影響，以支管中軸線為界，主管入口方向取大于10倍法蘭內(nèi)徑，出口方向取大于5倍法蘭內(nèi)徑；

g. 湍流模擬采用目前使用最為廣泛的k-ε模型。

仿真模型如圖2所示，管道、管座和法蘭壁定義為固體區(qū)域，限制流體流動。其內(nèi)部區(qū)域定義為流體區(qū)域。管道、管座和法蘭內(nèi)壁定義為熱傳導(dǎo)邊界。法蘭表面、管道4個側(cè)壁(紅線部分)定義為絕熱邊界。管道、管座和法蘭外表面定義為恒溫邊界，主管內(nèi)流體的溫度經(jīng)固體區(qū)域傳導(dǎo)后在該邊界同外界海水進行熱交換。主管左側(cè)入口定義為速度入口，規(guī)定流體流速；主管右側(cè)出口定義為普通出口，不進行限制。

圖2 仿真模型簡圖

3 仿真和結(jié)果分析

分別對管匯樣機實際方式、支管向來流方向傾斜45°、向去流方向傾斜45°這3種安裝方式進行仿真，對結(jié)果進行匯總分析。為統(tǒng)一計算參數(shù)，使仿真結(jié)果具有可比性，采用目標氣田最大產(chǎn)氣年數(shù)據(jù)：多相產(chǎn)物溫度352K(79℃)，流速13.98m/s。

3.1 管匯樣機實際安裝方式(方式一)

該安裝方式下支管內(nèi)流場和溫度場分布如圖3、4所示。

圖3 方式一支管內(nèi)流場分布

圖4 方式一支管溫度場分布

為滿足壓力等級要求，管匯樣機管座、法蘭分別采用不同的設(shè)計標準，這樣導(dǎo)致內(nèi)徑不一致，形成凸起。由于該凸起，結(jié)合直管左側(cè)管壁的阻擋作用，直管內(nèi)流體形成下部逆時針方向和上部順時針方向兩個漩渦。下部漩渦中心部位流速相對邊緣部位流速低，為0.68m/s?？拷ㄌm上表面處流速最低，小于0.01m/s。流動劇烈部位傳熱條件較好，故下部漩渦中心偏右上部同主管之間溫差最小，約為7℃；法蘭上表面同主管之間溫差最大，達到15℃。

3.2 支管向來流方向傾斜45°(方式二)

支管內(nèi)流場和溫度場分布如圖5～7,為同管匯樣機對比，管座和法蘭取相等內(nèi)徑，以消除支管內(nèi)輪廓的影響。為便于觀察，圖6僅顯示支管內(nèi)流速小于1m/s區(qū)域速度矢量，圖7僅對支管內(nèi)同主管溫差小于5℃區(qū)域溫度場進行標識。

圖5 方式二支管內(nèi)流場分布

圖6 方式二流速小于1m/s區(qū)域

圖7 方式二溫差小于5℃區(qū)域

由圖5可知，該安裝方式下支管內(nèi)流場僅形成單一逆時針漩渦，整體循環(huán)傳熱條件較好。由圖6可知支管內(nèi)流速較低區(qū)域分布在支管上部和中心區(qū)域，對比圖7，重合區(qū)域為支管同主管溫差較小區(qū)域，溫差為4℃。

3.3 支管向去流方向傾斜45°(方式三)

支管內(nèi)流場和溫度場分布如圖8～10所示。與安裝方式二相同，管座和法蘭取相等內(nèi)徑。為便于觀察，圖9僅顯示支管內(nèi)流速小于1m/s區(qū)域速度矢量，圖10僅對支管內(nèi)同主管溫差小于5℃區(qū)域溫度場進行標識。

圖8 方式三支管內(nèi)流場分布

圖9 方式三流速小于1m/s區(qū)域

圖10 方式三溫差小于5℃區(qū)域

由圖8可知，受右側(cè)連接處和法蘭左側(cè)管壁阻擋，支管內(nèi)流場形成下部逆時針、上部順時針兩個漩渦，其中下部漩渦體積較小但流速快，上部漩渦體積較大但流速慢。由圖9可知，支管內(nèi)流速較慢部位包括下部漩渦中心區(qū)域和除法蘭中心外的幾乎全部上部漩渦區(qū)域。對比圖10可知，由于下部漩渦流速快，傳熱條件好，其同主管溫差小。相反，整個支管上部漩渦區(qū)域同主管溫差均超過5℃。

4 結(jié)論

4.1 安裝水下PTT的管座、法蘭建議盡量采用相同內(nèi)徑，以避免支管內(nèi)流場形成多個漩渦，影響傳熱。

4.2 對安裝方式一，傳感器探頭最好能伸入下部漩渦中心，該處流速、測量溫差均較小。但油氣流中一般攜帶磨粒，若將傳感器探頭伸入下部漩渦中心，其上部支桿會暴露于下部漩渦流速較高區(qū)域，長期沖刷會影響PTT使用壽命，降低可靠性。

4.3 對安裝方式二，傳感器探頭只需伸入支管超過支管總長度一半即可，該區(qū)域流速、測量溫差均較小，既保證了測量精度，又降低了傳感器探頭和支桿沖刷損壞的風(fēng)險。

4.4 對安裝方式三，傳感器探頭需伸入下部漩渦中部，以獲得較準確的溫度值。下部漩渦中部

流速較小區(qū)域面積極小，要保證傳感器探頭準確定位難度較大，且支桿全部位于流速較高區(qū)域，長時間沖刷極易造成PTT損壞。

4.5 通過對3種安裝方式的比較，推薦采用安裝方式二。

4.6 建議水下管匯設(shè)計增加相關(guān)分析內(nèi)容，以獲得最優(yōu)測量結(jié)果。

[1] 劉太元，郭宏，閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2012，39(2):209～211.

[2] 孫雪松.套管式溫度計測量誤差計算[J].油氣田地面工程，2010，29(7):34～35.

[3] 董金锠，趙有信.用超聲波測量管內(nèi)流體溫度分布[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1991,21(4)：66～69.

[4] 安家榮，植樹培，張國忠.采用探針法測量熱油管道周圍土壤溫度場[J].油氣儲運，1998,17(8)：41～43.