投產(chǎn)時(shí)溫度對(duì)氣液兩相流管道輸送的影響

高雪利，邸俊杰，王 帥，季長(zhǎng)華，汪 敏，張明思，郭小強(qiáng)

(1．中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000;

2．北京東方華智石油工程有限公司，北京 100012)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)陸地氣液兩相流長(zhǎng)輸管道［1］研究相對(duì)較少，兩相流輸送常見(jiàn)于海底采油［2］、輸油管道及油氣田集輸管道。中東地區(qū)油氣含量豐富，采出的天然氣中往往含有大量重組分［3］。組分中含有重?zé)N的天然氣，經(jīng)壓縮機(jī)加壓、脫水后進(jìn)入埋地外輸管道，在管道內(nèi)輸送時(shí)一般呈現(xiàn)為氣液兩相流［4］。隨著輸送過(guò)程中管道內(nèi)流體與管壁及土壤間的熱交換，管道內(nèi)流體溫度逐漸降低，最終與大地溫度場(chǎng)［5－8］達(dá)到熱力平衡。輸送壓力也因克服摩阻而降低，輸送過(guò)程中油氣兩相之間不斷發(fā)生相變［9］。管道出口液相與氣相的體積流量決定了末端段塞流捕集器［10］的選型，通過(guò)仿真模擬，得出管道投產(chǎn)初期任意時(shí)刻管道內(nèi)壓力、溫度、末端氣液兩相的體積流量、管道內(nèi)總積液量的實(shí)時(shí)變化情況，對(duì)于末端分離設(shè)備選型［11］、輸送計(jì)劃的編制、緊急預(yù)案制定具有指導(dǎo)作用。

1 問(wèn)題描述

中東地區(qū)某油氣管道外輸項(xiàng)目，外輸管道外徑610 mm，全長(zhǎng)100 km，沿線需要穿越5 條河流，河流寬度均為3 km，河流穿越段最大穿越深度為－25 m。管道最大埋深1．5 m，夏季土壤溫度30℃，冬季土壤溫度10℃，該地區(qū)極端最低溫度－5℃。土壤密度1 600 kg/m3，土壤比熱容84 J/kg·℃，土壤導(dǎo)熱系數(shù)0． 8 W/m·℃。管道最小輸量7 ×104m3/h，最大輸量16．5 ×104m3/h，管道出口壓力4．0 MPa。輸送過(guò)程假定管道內(nèi)起始狀態(tài)管道內(nèi)無(wú)流體。流體所含組分見(jiàn)表1，由該組分得到的相包絡(luò)圖見(jiàn)圖1，計(jì)算過(guò)程框圖見(jiàn)圖2。

2 入口流體溫度對(duì)管道輸送的影響

氣液兩相流外輸管道在冬季土壤溫度10℃，最大輸量為16．5 ×104m3/h 時(shí)投產(chǎn)。分別研究了此時(shí)管道入口處流體溫度為60℃、50℃及30℃對(duì)氣液兩相流管道輸送的影響［12］。得到不同流體溫度下投產(chǎn)150 h 后全線的壓力分布情況，以及管道內(nèi)總的積液量、溫度變化、氣液兩相各自的體積流量，詳見(jiàn)圖3 ～圖6。

表1 流體所含組分

圖1 相包絡(luò)圖

圖2 計(jì)算過(guò)程框圖

圖3 管道沿線溫度變化

圖4 管道沿線壓力變化

管道投產(chǎn)初期，管道埋深1．5 m 處土壤溫度為10℃，管道入口流體溫度分別為60℃、50℃、30℃時(shí)，流體經(jīng)與管壁及土壤間傳熱，運(yùn)行150 h 以后管道出口處流體溫度分別為18．8℃、17．5℃、14．3℃。管道出口因流體溫度不同，導(dǎo)致段塞流捕集器分離出的液體流量分別為16．7 m3/h、20．1 m3/h、28．4 m3/h。不同的輸送溫度對(duì)管道內(nèi)流體壓力變化影響較小。運(yùn)行150 h 以后管道內(nèi)總積液量先增大后減小，待土壤溫度與管道內(nèi)流體溫度熱傳導(dǎo)達(dá)到平衡以后，管道入口流體溫度為60℃、50℃、30℃時(shí)管道內(nèi)總積液量分別為288 m3、387 m3、705 m3。由以上結(jié)果可知，流體輸送溫度對(duì)氣液兩相流管道投產(chǎn)后的輸送影響很大，在相同輸送條件下流體溫度越低管道末端分離出的液相體積流量越大，管道內(nèi)的總積液量也越大。

圖5 管道出口氣相及液相體積流量變化

圖6 管道內(nèi)總積液量

3 不同土壤溫度對(duì)管道輸送的影響

氣液兩相流外輸管道在最大輸量16． 5 ×104m3/h 下投產(chǎn)，管道入口處流體初始溫度為60℃。研究了土壤溫度分別為30℃、10℃、－5℃對(duì)氣液兩相流管道輸送的影響。得到不同土壤溫度下投產(chǎn)150 h 時(shí)全線的壓力分布情況，以及管道內(nèi)總的積液量、溫度變化、氣液兩相各自的體積流量［13］，見(jiàn)圖7 ～圖10。

圖7 管道沿線壓力變化

圖8 管道沿線溫度變化

圖9 管道出口氣相及液相體積流量變化

圖10 管道內(nèi)總積液量

管道投產(chǎn)初期，管道入口流體溫度為60℃，不同季節(jié)管道埋深1．5 m 處土壤溫度分別為30℃、10℃、－5℃時(shí)，流體經(jīng)與土壤間傳熱，運(yùn)行150 h 以后管道出口流體溫度分別為31． 0℃、18． 8℃、10.6℃。管道出口因流體溫度不同，段塞流捕集器分離出的液體流量分別為0、16．7 m3/h、38．7 m3/h。不同的輸送溫度對(duì)管道壓力變化影響較小。運(yùn)行150 h 以后管道內(nèi)總積液量先增大后減小，待土壤溫度與管道內(nèi)流體溫度熱傳導(dǎo)達(dá)到平衡以后，土壤溫度為30℃、10℃、－5℃時(shí)管道內(nèi)總積液量分別為0、289 m3、603 m3。由以上結(jié)果可知，土壤溫度對(duì)氣液兩相流管道投產(chǎn)后的輸送影響很大，在相同輸送條件下流體溫度越低管道末端分離出的液相體積流量越大，管道內(nèi)的總積液量也越大。隨著流體溫度的升高，管道末端分離出的液量逐漸減少，當(dāng)流體溫度升高到一定值管道內(nèi)液相的流量會(huì)減為零。

4 結(jié)論

流體溫度、土壤溫度對(duì)氣液兩相流管道投產(chǎn)初期的輸送影響很大，在相同輸送條件下流體溫度越低管道末端分離出的液相體積流量越大，管道內(nèi)的總積液量也越大;相反，隨著流體溫度的升高，管道末端分離出的液量逐漸減少，管道內(nèi)的總積液量也減少。投產(chǎn)初期對(duì)溫度差異導(dǎo)致的管道內(nèi)壓力、總積液量、氣液兩相體積流量變化進(jìn)行的定量分析，為管道末端段塞流捕集器選型提供了數(shù)據(jù)支持，為管道放空、啟停輸?shù)葎?dòng)態(tài)工況的研究提供了理論依據(jù)。

［1］Fingas MF，and Brown CE．Review of Oil Spill Remote Sensing［J］．Review，1997，4(4):199 －208．

［2］Jim CP1．L．iou．Leak Detection by Mass Balance Effective Norman Wells Line［J］． Oil and Gas Journal，1996，94(17):69 －74．

［3］張琪． 水平井氣液兩相變質(zhì)量流的流動(dòng)規(guī)律研究［J］．石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，26(6):46 －49．

［4］張鎖龍．垂直換熱管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的傳熱與抗垢性能［J］．石油機(jī)械，2006，34(11):4 －7．

［5］張其敏，嚴(yán)宏?yáng)|． 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)［J］． 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，8(2):33 －35，53．

［6］胡和平，楊詩(shī)秀． 土壤凍結(jié)時(shí)水熱遷移規(guī)律的數(shù)值模擬［J］．水利學(xué)報(bào)，1992(7):1 －8．

［7］柴軍瑞．大壩工程滲流力學(xué)［M］．拉薩:西藏人民出版社，2001．

［8］袁朝慶，龐鑫峰，張敏政．埋地管道泄漏三維大地溫度場(chǎng)仿真分析［J］． 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(2):166 －168，172．

［9］顧錦彤，馬貴陽(yáng)． 埋地?zé)嵊凸艿绬⑤斶^(guò)程土壤溫度場(chǎng)三維數(shù)值模擬［J］．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(4):53 －56．

［10］顧錦彤，馬貴陽(yáng)．埋地?zé)嵊凸艿绬⑤斖队蜁r(shí)間的確定［J］．石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2010，23(2):29 －31．

［11］袁朝慶，龐鑫峰，劉燕． 管道泄漏檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］．大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，30(2):76 －79，85．

［12］朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1999．

［13］馬自俊．油田地面工程－采出液處理工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2010．