集輸管線中段塞流計(jì)算

徐學(xué)飛(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,北京 102200)

天然氣需求量日益增加，已經(jīng)成為生產(chǎn)、生活中的重要能源。在氣田生產(chǎn)中濕氣集輸工藝由于具有流程簡(jiǎn)單、投資低、周期短等優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)外氣田中應(yīng)用廣泛。段塞流是濕氣集輸中十分常見的兩相流流型，在集輸管線受地理高程影響起伏不定的情況下易形成段塞流。而且在停輸、清管以及流量的變化等情況下都會(huì)有段塞流的產(chǎn)生。

段塞流形成機(jī)理比較一致的是界面波的K-H 不穩(wěn)定性。段塞流可以分為水力段塞流、起伏段塞流、瞬態(tài)段塞流、嚴(yán)重段塞流四種。段塞流形成過程如下：在管道中氣液流量很小時(shí)，表現(xiàn)為分層流型。當(dāng)液體流量增大時(shí)形成波浪。由于伯諾利效應(yīng)，氣體流速增大將使波浪頂峰處的壓力降低，在波峰周圍壓力下，波浪有增大趨勢(shì)。另一方面，液體所受的重力將使波浪減小。如前者的影響大于后者，則波浪增大直至管頂，形成段塞。從上述過程可以看出：

（1）起伏段塞流、瞬態(tài)段塞流的形成機(jī)理是類同的與水力段塞流有所區(qū)別；

（2）管愈高（或地形起伏愈大）形成的強(qiáng)烈段塞流愈嚴(yán)重；

（3）形成強(qiáng)烈段塞流時(shí)管道出口的氣液流量極不均勻；

（4）氣液流量較小時(shí)才能形成強(qiáng)烈段塞流。

段塞流不僅會(huì)降低管輸效率、加劇腐蝕，而且造成管道中含氣率和壓力的顯著變化，使得管道承受間段性的沖擊應(yīng)力。因而分析計(jì)算集輸管網(wǎng)中的兩相流，對(duì)于地處復(fù)雜地形的氣田集輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安全、高效運(yùn)行具有重要意義。

1 集輸管線段塞流

國內(nèi)外現(xiàn)有的管道多相模擬軟件很多，PEPITE、PIPEpHASE、TWOpHASE、OLGA、TACITE 等，本文建立典型起伏地段天然氣集輸管線模型，采用PIPEpHASE模擬軟件分析計(jì)算集輸管線中兩相流流及其對(duì)管線的影響。

管線中天然氣氣質(zhì)組分見表1.

表1 氣源組分表

天然氣輸送管道公稱直徑為DN100，長度為6.60km，起點(diǎn)壓力為5.5MPa，輸送量為30萬方/d，管道高程變化如下：

圖1 管線沿線高程變化情況

根據(jù)上述數(shù)據(jù)使用PIPEpHASE軟件建立管線輸送模型，分別計(jì)算含水和無水條件下管線末點(diǎn)狀態(tài)，詳見表2。

表2 天然氣含水和無水條件下計(jì)算結(jié)果

從上表可以看出由于天然氣中含有水，導(dǎo)致末點(diǎn)壓力降低約1.6MPa，單位管長壓降增大近1倍，末點(diǎn)流速升高約67%。因而集輸管網(wǎng)中的水對(duì)天然氣輸送有較大影響。

在含水條件下，管線計(jì)算結(jié)果顯示已經(jīng)出現(xiàn)段塞流，其中大部分管段為環(huán)狀流、少部分為段塞流。因而使用PIPEpHASE軟件中l(wèi)ink slug report 功能考察管線中的段塞流情況。使用不同公式BRILL、NORRIS、SCOTT公式計(jì)算段塞流大小及其發(fā)展。

表3 不同公式計(jì)算的段塞長度及液塞傳遞時(shí)間

從表中可以看出，NORRIS 公式計(jì)算結(jié)果較其他兩種方法小，而BRILL、SCOTT 計(jì)算結(jié)果接近，BRILL 計(jì)算結(jié)果略小。原因可能是BRILL公式段塞大小是由流體流速和管徑計(jì)算得到，而NORRIS公式段塞大小僅由管徑計(jì)算得到。上述方法只對(duì)于管線傾角±5°范圍內(nèi)的自然段塞流適用效果較好，在該管線絕大部分管段均是適用的。對(duì)于地勢(shì)起伏較大的地區(qū)只能采用TACITE瞬態(tài)段塞軟件分析計(jì)算。

2 清管段塞流

清管作業(yè)時(shí)液塞長度遠(yuǎn)大于正常輸送條件下形成的液塞，對(duì)清管形成液塞進(jìn)行計(jì)算非常有必要。選擇計(jì)算方法中的Sphering Analysis 進(jìn)行分析，時(shí)間遞增選用10s，管線內(nèi)徑選用90mm，從計(jì)算結(jié)果可以得出管線清管形成的液塞長度為173.87m，段塞流到達(dá)管線末端時(shí)間是清管后13.9s，在清管后約2.8小時(shí)（10048s）后管線又重新恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

在管線清管過程中液塞對(duì)管線形成了附加壓力，使用該段管線中的嚴(yán)苛條件建立管線模型，對(duì)管線壁厚進(jìn)行計(jì)算，而模型中苛刻條件在實(shí)際線路中幾乎不會(huì)出現(xiàn)。根據(jù)清管液塞長度為173.87m，模型中液塞長度取180m，管線傾角取管線沿程出現(xiàn)的最大角度，即50°。

根據(jù)《油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)直管段和彎管的壁厚進(jìn)行計(jì)算。管線為二級(jí)地區(qū)，設(shè)計(jì)壓力P取6.0MPa，管材采用L245鋼，設(shè)計(jì)系數(shù)F 為0.60，考慮到天然氣中的CO2和水形成腐蝕性碳酸，故腐蝕余量C取2mm。

直管段的鋼管壁厚計(jì)算公式為：

彎管壁厚根據(jù)下列公式計(jì)算：

計(jì)算得到直管壁厚為4.4mm，計(jì)算得到彎管壁厚為4.5mm。

液塞形成的靜壓為P=ρgH 計(jì)算得到1.36MPa。計(jì)算液塞靜壓力和天然氣壓力疊加下的所需壁厚，計(jì)算得到直管壁厚為4.9mm，彎管壁厚為5.0mm，壁厚增加約0.5mm。

綜上所述，在該段集輸管線中形成了環(huán)狀流和段塞流，段塞的長度約為70-100m，不存在嚴(yán)重段塞情況；集輸管線應(yīng)定期進(jìn)行清管作業(yè)，清管液塞長達(dá)180m；清管過程中的形成的液塞導(dǎo)致管線應(yīng)力水平較高。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行分離設(shè)備、排污管線、管線壁厚的設(shè)計(jì)，以保證集輸系統(tǒng)安全可靠。

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