地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運充水排氣過程分析

阮亦根，阮 哲

(1.中國石化浙江石油分公司，浙江杭州 3100002.中海油研究總院工程設計研究院，北京 100000)

0 前言

一般，長輸管道根據(jù)沿線的地形地貌采用埋地彈性敷設，地形起伏變化劇烈的地方，有時需要使用彎頭進行變角處理。

管道建成投產(chǎn)前，通常管內(nèi)充滿空氣。管道水聯(lián)運投產(chǎn)，水頭推動置換管內(nèi)空氣，當水頭到達管路中間某個高點，上游來水越過高點流向下游低點，并在低點聚集，高點下游管內(nèi)處于不滿流狀態(tài)[1-4]。隨著下游低點積聚的水量增加，如果低點處于相鄰兩高點之間，低點水位會不斷上升，低點和上游高點之間管內(nèi)空氣形成封閉空間。水頭到達下游高點之前，氣體空間受到壓縮體積變小，壓力上升，形成帶壓氣團,不斷向上游高點靠近。隨著低點水位上升，當水頭越過下游高點，上游高點附近的帶壓氣團才會在水流作用下向前流動。

帶壓氣團沿管道流動過程中，受不滿流擾動的影響，部分氣體會被水流帶走，氣團體積減小；兩氣團相遇，會聚集增大形成大氣團；也會隨著所處位置管內(nèi)壓力不同，受到壓縮或產(chǎn)生體積膨脹。管內(nèi)帶壓氣團的存在，會造成投產(chǎn)過程管內(nèi)流動特性的不穩(wěn)定；帶壓氣團到達下游泵站，會破壞泵的吸入特性；對某些特殊的地形，帶壓氣團還會造成投產(chǎn)過程困難。

1 地形起伏管段管內(nèi)空氣的置換與被壓縮

1.1 線路中間某起伏點位置壓力計算

線路中間某起伏點如圖1所示。A點和C點為相鄰上下游2個高點，B點為中間低點。水頭到達A點前，AC點之間管內(nèi)充滿空氣，壓力為常壓，AB間的管內(nèi)容積為V0。水頭到達A點后，上游來水自由流向B點，并在B點聚集，A點下游管內(nèi)處于不滿流狀態(tài)。

隨著B點積聚的水量增加，B點水位會不斷上升，B點和A點之間管內(nèi)的氣體空間體積變小，空氣受到壓縮，氣體空間壓力上升。

圖1 管道線路起伏點示意

假設水流充滿AB空間之前，B點水位上升過程中，AB點之間的氣體只是向A點方向移動。A點和B點液體表面之間的空氣氣體空間符合氣體狀態(tài)方程[5]：

PV=mZRaT

(1)

式中，P——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的絕對壓力，Pa;

V——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的容積，m3;

m——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的質(zhì)量，kg;

Z——帶壓氣體空間內(nèi)空氣的壓縮系數(shù);

Ra——空氣的氣體常數(shù)，J/(kg·K);

T——帶壓氣體空間內(nèi)氣體的絕對溫度，K。

假設充水掃線過程，封閉空間的空氣氣體壓縮為等溫壓縮，忽略水流下降過程中水中溶解的少量氣體和蒸發(fā)的少量水蒸氣，忽略氣體空間壓力變化過程空氣壓縮系數(shù)的影響，由式(1)可知，AB間氣體的質(zhì)量為常量，氣體空間容積受壓變化過程中，氣體空間壓力和氣體空間容積的乘積等于常數(shù)。

管道充水前，AB間空氣容積為V0，管內(nèi)壓力等于大氣壓強P0。管道充水過程水頭到達并越過A點，假設T時刻，A點下游液位上升至D點，AD點管內(nèi)容積為V；BC間管內(nèi)液位上升至E點，此時，AD間氣體空間受到壓縮，氣體空間壓力P為：

PV=P0V0

(2)

P=P0V0/V

(3)

A點壓力等于P，B點壓力等于P加h高液位對應的液柱壓力(忽略h1-h高程差的氣柱壓力)，B點壓力

由以上分析可知，AB間氣體空間的壓縮過程，使得帶壓氣體空間的位置明顯滯后于水頭位置。帶壓氣體空間的滯后時間差取決與A、B、C三點的相對位置和高程。

假設圖1中AB間管道高程差h1=500 m，AB間下降坡度為等角度下降，BC間管道高程差h2=800 m，當D點液位上升至h=400 m位置時，由(3)式計算可知，AD間氣體空間容積壓縮了80%，氣體空間內(nèi)壓力為0.5 MPa(絕對壓力)，E點液位上升至440 m。當D點液位上升至485 m時，AD間氣體空間壓縮了97%，氣體空間內(nèi)壓力上升至3.33 MPa(絕對壓力)，水流到達C點。

如果管內(nèi)充滿液體，AC間高程差等于300 m,只要A點壓力高于3.0 MPa(大氣壓),水流就可到達C點。投產(chǎn)充水掃線過程，由于帶壓氣體空間的存在，A點壓力需要增加0.23 MPa(大氣壓)，水頭才可能到達C點。

水聯(lián)運過程中，帶壓氣團滯留在AB期間，只要A點管內(nèi)壓力不低于3.33 MPa，水流就能夠流過A點，到達C點，繼續(xù)向下游流動。

實際管道水聯(lián)運充水排氣過程中，AB間的氣體，隨著氣體空間的縮小和氣體空間壓力的升高，當水頭到達C點，A點附近的帶壓氣團會在水流的驅(qū)動下移動。隨著帶壓氣團向下移動，受氣團上游水柱作用，氣體空間壓力增加，氣團受壓縮；當帶壓氣團到達B點，氣體空間會快速膨脹，B點上游壓力會快速下降，BC間水流會加速流動，引起水聯(lián)運過程管內(nèi)流動狀態(tài)的不穩(wěn)定，并導致帶壓氣體空間位置滯后水頭的時間延長。

1.2 翻越點上游鄰近高點與翻越點之間管內(nèi)充水排氣過程

翻越點為管內(nèi)壓力需求最大的高點，也是沿線動態(tài)壓力最低的點。翻越點位置不同，翻越點上游相鄰高點間距不同，水聯(lián)運充水排氣過程也會不同。

1.2.1翻越點位于線路中間某個位置

如圖1所示，假設C點為翻越點，C點的設計剩余壓力有限。當A點氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≥CB間管內(nèi)液柱壓力，且A點壓力<上游管內(nèi)動水壓力，在上游出站壓力作用下，A點壓力會不斷上升，水流就能夠流過A點，到達C點，繼續(xù)向下游流動。

如果當A點氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≤CB間管內(nèi)液柱壓力，且A點壓力≥上游管內(nèi)最大允許動水壓力，帶壓氣團會在AD間形成氣阻，水流難以流過C點，水聯(lián)運充水排氣過程會遇到困難。遇到這種情況，需在A點附近開孔排氣。隨著A點的氣體被排空，B點壓力≥BC間液柱壓力，水聯(lián)運過程可繼續(xù)進行。

1.2.2翻越點位于第一站間距內(nèi)，且翻越點上游鄰近高點接近首站的情況

如圖2所示，假設C點位于第一站間內(nèi)，且C點為翻越點，A點接近首站出站，A點與出站壓力的壓差比較小。當A點氣體壓力+DB間管內(nèi)液柱壓力≤CB間管內(nèi)液柱壓力時，A點壓力上升空間有限，水流難以流過C點，AD間氣體空間也會容易形成氣阻，使充水排氣過程遇到困難。遇到此種情況，也需要在A點附近開孔排氣。

1.3 翻越點與下游鄰近高點之間管內(nèi)充水排氣過程

如圖2所示，假設A點為翻越點，B點位于AC之間，C點高程低于A點。水頭到達A點并通過A點后，翻越點后水流處于不滿流狀態(tài)。當水流到達B點后，在B點處聚集，B點水位上升，AB之間的封閉氣體空間受到壓縮。當B點上游水位到達D點，受D點氣體空間壓力的作用，B點下游水位到達E點。BC間高程差不同，AD氣體空間的氣體壓力不同。如果A點氣體壓力大于翻越點設計富裕壓力，投產(chǎn)充水掃線就會遇到困難。遇到此種情況，也需要在A點附近開孔排氣。

圖2 翻越點下游地形起伏示意

2 甬臺溫管道第一階段水聯(lián)運充水排氣過程分析

甬臺溫管道全長405 km，沿線設3座泵站，1座清管站，其管道縱斷面見圖3。全線高程差不大，最大高程位于179.43 km處,高程為469.64 m；但沿線地形起伏比較劇烈。管道于2018年8月29日按計劃進行投產(chǎn)前的充水掃線。

2.1 第一階段充水掃線過程

甬臺溫管道8月29日22:00，首站啟泵開始充水。30日22：50時，水頭到達2#站，31日12:00時，大量氣體進入2#站，導致2#站進站泄壓閥開啟泄壓，對泄壓罐造成沖擊，第一階段充水掃線工作結束。充水掃線過程，水頭到達2#站后，泵參數(shù)、操作過程見表1。

表1 甬臺溫管道第一階段充水掃線過程泵參數(shù)

2.2 2#站低壓泄壓閥開啟泄壓，泄壓罐受到?jīng)_擊原因分析

a)分析圖3縱斷面數(shù)據(jù)可知，水聯(lián)運充水掃線過程，第一個站間距內(nèi)，會形成30余個帶壓氣團，其中距首站出站25 km處的最大氣團標準體積可大于980 m3。在該氣團被壓縮過程中，上游帶壓氣團會陸續(xù)到達25 km處，多個氣團相遇聚集，形成更大的氣團，其標準容積可大于1 470 m3。

由圖4可知，管道投產(chǎn)4.9小時，管內(nèi)注水約3 900 m3，管道注水平均流量約為800 m3/h，水流到達25 km處；水流越過25 km高點流向下游低點并在低點積聚，低點上游帶壓氣團不斷受到壓縮；當水頭到達下游高點時，帶壓氣團要滯后于水頭3.9小時左右。當帶壓氣團離開25 km處高點后，帶壓氣團受前方水柱作用，壓力不斷上升，帶壓氣團繼續(xù)受到壓縮。

圖3 甬臺溫管道線路縱斷面圖

帶壓氣團在水流作用下向前移動，當與其它氣團相遇，還會相互聚集，氣團體積還會不斷增大，帶壓氣團滯后水頭的時間會不斷延長。以甬臺溫第一站間距水聯(lián)運過程為例，由第一階段充水過程可知，由于水頭到達2#站后，2#站進站壓力偏低，帶壓氣團在管內(nèi)的移動速度遠低于水頭的平均流速。分析甬臺溫第一階段投產(chǎn)注水過程可知，產(chǎn)生于25 km處的帶壓氣團到達2#站的時間要滯后13小時左右。

圖4 甬臺溫管道投產(chǎn)充水首站注水流量、時間變化

b)假設31日12：00時到達2#站的帶壓氣團的標準體積等于1 470 m3，在4.8 MPa進站壓力作用下，該氣團體積被壓縮為30 m3，接近200 m進站管道內(nèi)充滿高壓空氣。

此時，由于2#站出站壓力高于進站壓力，2#站斷流，相當于2#站出站閥門關閉。2#站斷流后，上游管內(nèi)流體在首站泵壓作用下，會繼續(xù)向著2#站流動，形成對第一站間距管道的充裝[6]，致使2#站進站壓力快速上升至5.15 MPa，2#站低壓泄壓閥開啟泄壓。2#站低壓泄壓閥開啟泄壓后，假設泄壓罐內(nèi)氣體壓力為0.05 MPa，計算可知，瞬間流入泄壓罐內(nèi)的帶壓氣體體積約為980 m3,對500 m3泄壓罐造成了嚴重的沖擊。

c)分析甬臺溫管道充水掃線過程，當水頭到達管道179.43 km處的最高點，忽略上游帶壓氣體空間的流動阻力，假設首站出站壓力維持8.0 MPa，由計算可知，首站出站流量為580 m3/h，滿足首站泵的正常運行。

由圖1可知，只要水頭越過179.43 km處的最高點，2#站可以滿足較長時間的壓力越站運行。2#站越站運行，可以提高上游站間壓力，盡量縮短上游管內(nèi)帶壓氣團的滯后時間；避免管內(nèi)帶壓氣團破壞泵的吸入特性，造成中間泵站頻繁啟停泵。

如果中間泵站僅一臺泵運行工況下的緊急停泵，由于出站壓力高于進站壓力，會造成中間泵站斷流，上游管道憋壓，導致進站壓力快速上升。

3 結語和建議

a)地形起伏劇烈地區(qū)管道水聯(lián)運充水排氣過程，管內(nèi)會存在多個帶壓氣團，帶壓氣團的初始容積和氣團個數(shù)取決于沿線地形起伏特性，帶壓氣團沿管道移動過程中，氣團容積和氣團壓力取決于氣團所處管內(nèi)動態(tài)壓力；帶壓氣團移動速度明顯低于水頭的平均流速。

b)地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運充水排氣過程，如果高點氣團壓力低于管道允許的最大動水壓力，水流可以連續(xù)流過該高點。

c)相鄰兩個高點，當上游高點氣團壓力+高點與下游鄰近低點間的液柱壓力，大于下游相鄰高點與該低點高程差的液柱壓力+兩高點間允許的最小動水壓力差，水流可以流過下游相鄰高點；否則，上游高點需要開孔排氣，消除上游高點帶壓氣團，確保管道正常水聯(lián)運。

d)地形起伏地區(qū)管道水聯(lián)運充水排氣初期階段，建議關閉中間站內(nèi)低壓泄壓閥或調(diào)整泄壓壓力，防止高壓氣團泄壓對泄壓罐造成沖擊。