集輸管道效率分析及相關(guān)計算探討

劉碩

[摘 要]油田開發(fā)中，集輸管道應(yīng)用較為廣泛，也是主要的耗能部分之一，提升集輸管道效率是降低系統(tǒng)能耗的一個重要方法。本文是合理的方法來計算管道效率，對溫降和壓降計算方法展開分析，并對其影響因素進行探討。

[關(guān)鍵詞]集輸管道 溫降 壓降

中圖分類號：S713 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）06-0121-01

通常油田輸送管網(wǎng)的投資約占地面總投資的三分之一，輸送能耗約占生產(chǎn)總能耗的五分之二，因此研究油氣水混合液在管網(wǎng)中的流動規(guī)律，特別是預(yù)測其壓降，對油田集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運行管理有重要意義。本文主要是從管道效率入手，進行相關(guān)計算和影響因素探討。

1、管道效率分析方法

目前對熱油管道效率的評價通常以單耗（kJ/t·km）和管效（末端能量/起點能量）作為指標，來判斷熱油管道儲能能力的高低。舊指標存在的問題是各油井采出液的特性參數(shù)相差較大，流體特性參數(shù)的差異原本就會造成運動流體在管道內(nèi)具有不同的流型，進而有不同的單耗。單耗和管效只能反應(yīng)能量損失的多少，不能反應(yīng)管道本身運行效率的高低，因此舊指標不能合理地評價管道的運行效率。為合理分析管道，可通過理論對比分析法及其判斷標準：先由管道運行工況和流體特性參數(shù)，按照管道設(shè)計條件，通過水力、熱力計算得到理論損耗E理論，再由實際損耗E實際與E理論的比值N來判定稠油集輸管道效率的高低。N<1.2時：管道運行效率較高，能量損失較??；N>1.2時：管道運行效率較低，需要清管或加強保溫效果。

采用N來判定管道效率高低的優(yōu)點是：無量綱化處理后，排除了管徑、流量、粘度等差異對各管道流體能量損失的影響，能真實地反應(yīng)管道的保溫效果和內(nèi)部水力摩阻大小。該判斷分析方法的難點是需要對油、水兩相或油、氣、水三相混輸管路進行壓降和溫降計算，這也是影響理論對比分析法準確性的關(guān)鍵。

2、溫降、壓降計算

稠油集輸管道效率評價和能耗數(shù)學(xué)模型的建立必須以管道內(nèi)多相流的水力熱力計算為基礎(chǔ)，需選擇合適的多相管流壓降、溫降計算模型，以提高計算精度，進而準確地分析管道的運行狀況。多相流溫降計算主要受沿程壓降和周圍地層環(huán)境傳熱性的影響，同時溫降計算也是壓降計算的基礎(chǔ)。本文的溫降計算模型采用多相流溫降公式，該公式同時考慮了焦耳-湯姆遜效應(yīng)和液體的摩擦熱效應(yīng)，較其它方法具有更高的精度；并在傾斜管路中用持液率代替質(zhì)量含氣率，以獲得更精確解。溫降計算模型如下：

Tz———長為L的混輸管道終點溫度，K；

TR———長為L的混輸管道起點溫度，K；

T0———混輸管道周圍地層環(huán)境溫度，K；

k———管道傳熱系數(shù)，W/m2·℃；

Di———焦耳-湯姆遜系數(shù)，本文根據(jù)俄羅斯公式求解；

Hl（β）———管道傾角為β時的持液率。

地面集輸管道大都存在高程差，壓降計算采用傾斜氣液兩相管流常用的Beggs&Brill關(guān)系式。該式綜合考慮了摩阻壓力梯度、位差壓力梯度和加速壓力梯度，并對分離流動、間歇流動和分散流動建立了不同的持液率相關(guān)規(guī)律計算式。影響精度的關(guān)鍵是持液率和沿程阻力系數(shù)的計算。詳細計算式參考相關(guān)文獻。

利用Beggs&Brill關(guān)系式計算壓降需要在溫降計算的基礎(chǔ)上求得介質(zhì)熱物性參數(shù)，如原油體積系數(shù)，氣相壓縮系數(shù)，混合物的密度、粘度等。因此多相管流的壓降、溫降計算需要迭代求解。在管道節(jié)能運行研究，管道節(jié)能研究的手段是通過數(shù)值模擬確定集輸管道最佳運行參數(shù)。具體方法是通過測試數(shù)據(jù)反算出管道的傳熱系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)，然后以起點溫度（可變量）和終點壓力（定值）為約束條件，根據(jù)水力熱力計算，得到起點的溫度壓力與單耗和管效的曲線。在可行域內(nèi)尋求能耗最小時的起點溫度和起點壓力。

3、溫降、壓降的影響因素

油氣水多相流管道溫降是油氣集輸系統(tǒng)運行管理的關(guān)鍵參數(shù)，其主要影響因素有管長，管徑，管道埋深，管道保溫狀況熱阻，產(chǎn)液量，產(chǎn)氣量，含水率，土壤物性，起點溫度等。溫降隨著產(chǎn)氣量的增加逐漸變小，但趨勢較緩；隨含水率的增加略有減小，影響很??；隨起始溫度的增加而增加，近似直線；隨管長的增加而增加，近似直線；隨管徑的增加而增加，影響很??；隨管道埋深增加而減?。浑S管道保溫狀況即熱阻的增加而減?。唤惦S土壤導(dǎo)溫系數(shù)的增加略有增加，影響很小；隨土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加。在對影響因素進行分析時可定性地找出油氣水混輸管道溫降的主要影響因素。

在壓降計算過程中，影響壓降的因素包括溫度、管道相對粗糙度、氣液相流量、管徑等。溫度的變化將影響氣液相的粘度、密度和摩阻系數(shù)。隨著溫度升高，壓降不斷減小。計算結(jié)果表明，對粘度高的混輸管道來說，溫度對壓降的影響顯著。尤其對于高粘、長距離管道，這一影響更加顯著。但是在油氣混輸管路中，過高的溫度會增加運行費用和絕熱材料的損耗。性特點將輸送溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

在各個工況條件下，考慮了粗糙度的計算壓降均大于不考慮粗糙度的計算壓降。其中部分工況下，不考慮粗糙度時的壓降僅為考慮粗糙度時壓降的60%。在工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)油性、油氣比、管徑、管長等條件進行必要的分析研究，確定應(yīng)該采用的粗糙度計算模式。另外，管路粗糙度對壓降的影響與壓降計算模型的選擇有關(guān)，不同的壓降計算模型得出的結(jié)果差異也較大。

在油氣混輸管路中，氣體量不同將直接影響到壓力的變化，對于特定的管道來說，存在使壓降最小的氣液比。高粘原油某一氣液比下存在著一個最小的壓降，而低粘原油不存在著此情況。對于高粘原油，在一定范圍內(nèi)，隨著氣體流量的增加，壓降有所增加，但增加幅度低于低粘原油混輸管道。液量變化對壓降影響較大，液量越多，輸送摩阻就越大，需要較多的能量推動滯留的液體和克服粘滯阻力，故使壓降增加。在實際管道運行中，應(yīng)多次測量運行數(shù)據(jù)，在保證輸送效率的情況下，計算出一個最佳的液體輸量。

在油氣混輸中，管徑變化是影響壓降最顯著和最直接的因素。無論輸送任何流體，靠增加管徑來提高輸量，降低壓降，都是十分有效的方法。但管徑的增加會引起工程的投資增加，同時可能造成熱損失增大。而管徑過小，將使壓降升高，對增壓設(shè)備要求高，使操作費用增加，總經(jīng)濟效益下降。要獲得最有利的管徑，需要結(jié)合輸量、溫度等參數(shù)進行全面的評估。

參考文獻

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