起伏地形清管過程中管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)研究

解宏偉

（廣西天然氣管道有限責(zé)任公司，廣西 北海 530000）

在天然氣管線的正常運(yùn)行過程中，由于受地形等因素的影響，在地勢(shì)低洼處，管線內(nèi)凝析液、水合物容易積聚成積液，進(jìn)而形成段塞流。嚴(yán)重的管道積液?jiǎn)栴}不僅會(huì)加劇管道的腐蝕[1-2]，同時(shí)造成井口回壓增加。冬季更易發(fā)生凍堵，影響管線輸送效率及氣井產(chǎn)能發(fā)揮[3-4]。定期清管是保障天然氣管線正常運(yùn)行與提高輸送效率的重要措施，但是實(shí)際的清管過程無(wú)法用肉眼直接觀察。目前，國(guó)內(nèi)外涉及管路積液?jiǎn)栴}的研究多集中于多相流管路的持液率、壓降計(jì)算方法等方面，以期實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的水力計(jì)算[5-8]，但是對(duì)于清管過程中管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)（如壓力、溫度）的變化過程研究較少。因此，文中根據(jù) OLGA軟件針對(duì)起伏地形的天然氣管道清管過程中管內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的變化進(jìn)行了探究，并分析了影響管道積液量的原因，最終提出了清管周期。

1 模型基本參數(shù)

以中原丘陵地帶某天然氣管道清管過程為依據(jù)，通過 OLGA軟件建立清管過程中管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算模型。管道干線全長(zhǎng)140 km，沿程設(shè)有3座陰極保護(hù)站，管道最大高程為 1300 m，最小高程為75 m，兩者臨近，其最大高程差為 1225 m，如圖 1所示。管道材質(zhì)采用X80高強(qiáng)鋼，尺寸為φ711.0 mm×14.2 mm，管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度為0.05 mm。正常運(yùn)行時(shí)，管線入口處壓力為7.5 MPa，溫度為10.8 ℃。管輸天然氣C1的摩爾分?jǐn)?shù)為93.5%，C2及以上為5.4%，N2和CO2為 1.1%。運(yùn)用PVTsim軟件對(duì)氣體組分進(jìn)行物性計(jì)算，將物性計(jì)算文件導(dǎo)入 OLGA軟件進(jìn)行管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)計(jì)算[9-10]。管道埋深2 m，采用3PE防腐層，其平均厚度為 2.3 mm。管道、防腐層和土壤的導(dǎo)熱系數(shù)分別為50、0.028、1.5 W/(m·K)，其平均總傳熱系數(shù)為1.75 W/(m2·)℃。環(huán)境溫度設(shè)為14 ℃，天然氣質(zhì)量流量為50 kg/s。

圖1 長(zhǎng)輸天然氣管道沿程高程Fig.1 Elevation along the natural gas pipeline

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 管內(nèi)初始狀態(tài)分析

未清管線管內(nèi)初始?jí)毫?、溫度的分布狀態(tài)如圖2所示?？梢钥闯觯诠艿栏叱套罡唿c(diǎn)和最低點(diǎn)處的壓力分別為 7.9 MPa和 6.2 MPa，單位壓降可達(dá)42.5 kPa/km，而后續(xù)管段壓力波動(dòng)較小。同時(shí)在高點(diǎn)和低點(diǎn)處，分別出現(xiàn)了溫度的最大值和最小值，分別為13.1 ℃和7 ℃。因此在清管過程中，應(yīng)著重考慮高點(diǎn)的管內(nèi)壓力問題，以防止壓力過大對(duì)管道造成損傷。同時(shí)應(yīng)考慮由于壓力變化巨大導(dǎo)致溫度較低時(shí)可能發(fā)生的相變，進(jìn)而引發(fā)段塞流動(dòng)的問題[11-12]。

圖2 管內(nèi)初始?jí)毫?、溫度分布狀態(tài)分析Fig.2 Distribution of initial pressure (a) and temperature(b) in the pipeline

2.2 管內(nèi)參數(shù)變化

天然氣管線正常運(yùn)行0～30 h內(nèi)，清管器的速度和運(yùn)行距離隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，清管器在管線內(nèi)的總運(yùn)行時(shí)間為 13 h。當(dāng)管線正常運(yùn)行10 h后，清管器進(jìn)入管內(nèi)，保持恒定速度2.48 m/s運(yùn)行約1.88 h后，進(jìn)入上坡管段，此時(shí)速度在2.2～2.5 m/s之間波動(dòng)。當(dāng)清管器繼續(xù)運(yùn)行6.56 h后，運(yùn)行速度迅速增大為4.76 m/s。從運(yùn)行距離上看，此時(shí)清管器已經(jīng)越過了高點(diǎn)，進(jìn)入了下坡管段，清管器的速度依靠慣性作用繼續(xù)變化。當(dāng)清管器將要接近出口管段時(shí)，速度急劇增大，此時(shí)由于管線內(nèi)的積液已經(jīng)開始大量排出，清管器的背壓減小，天然氣迅速膨脹，推動(dòng)清管器向前運(yùn)動(dòng)，使清管器的速度急劇增大[13]。

圖3 清管器運(yùn)行速度與運(yùn)行距離隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Velocity and running distance of pig over time

管線入口/出口的壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。當(dāng)管線正常運(yùn)行時(shí)（0～10 h），入口管段處壓力為7.7 MPa，溫度為11.9 ℃。當(dāng)清管器開始進(jìn)入管道（10～11.88 h），在初始段為下坡管段，此時(shí)入口處壓力基本保持不變。當(dāng)清管器開始進(jìn)入上坡管段時(shí)（11.88～16.56 h），由于清管器前積液聚集，入口處壓力有所上升，達(dá)到 8 MPa，此時(shí)溫度升高0.1 ℃。當(dāng)清管器越過高點(diǎn)（16.56～18.75 h），進(jìn)入到持續(xù)下坡管段時(shí)，入口處壓力和溫度均持續(xù)下降，分別降低約1.3 MPa和2.7 ℃。這主要是由于流體速度增大導(dǎo)致沿程總摩阻增大造成的[14-15]，此時(shí)清管器前的積液量達(dá)到最大值。當(dāng)清管器運(yùn)行時(shí)間超過18.75 h時(shí)，清管器前積液逐漸被排出，在21.5 h時(shí)，由于清管器排出天然氣膨脹，導(dǎo)致溫度和壓力有所增大，分別為6.82 MPa和11.7 ℃。隨后入口處壓力逐漸降低，恢復(fù)到原來水平，而溫度先降低，然后增大到原來水平。

圖4 管線入口/出口壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Pressure (a) and temperature (b) at entrance or exit of pipeline over time

從出口處壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線來看，當(dāng)清管器運(yùn)行到上坡管段時(shí)，溫度略有降低，而壓力略有升高，但是變化程度均較小。在清管結(jié)束前約0.8 h內(nèi)，溫度和壓力發(fā)生了較大的波動(dòng)，壓力增大了0.038 MPa，溫度升高約0.4 ℃，但是變化程度也較小。這主要是清管器離開管道造成的，此后出口處的壓力和溫度變化均回復(fù)到正常狀態(tài)。

出口處累積液量隨清管器運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律如圖 5所示，其中橫坐標(biāo)為入口壓力/溫度和清管器速度發(fā)生明顯變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。從圖5可以看出，出口處出液速率與清管器運(yùn)行時(shí)間呈較好的指數(shù)關(guān)系，積分可得總排出積液333 m3，與現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)（300 m3）基本吻合。從上述分析可知，當(dāng)清管器運(yùn)行時(shí)間為8.75 h時(shí)，清管器前積液量達(dá)到最大值。說明在流入流量一定的條件下，此時(shí)的出液速率逐漸大于流入流量，因此可以通過出液速率的變化來估算清管器前積液量。

圖5 出口處出液速率隨清管器運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 Outflowing rate of liquid at exit over running time of pig

2.3 清管周期

清管結(jié)束后，管線的進(jìn)出口邊界條件均不再變化，最后管內(nèi)流動(dòng)恢復(fù)至清管前的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。此恢復(fù)時(shí)間就是清管后的多相流動(dòng)再生平衡時(shí)間，該參數(shù)對(duì)清管周期的制定具有重要意義[16]。

清管后運(yùn)行時(shí)間與管內(nèi)積液量的關(guān)系如圖 6所示。在清管后0～55天內(nèi)，管道內(nèi)的積液量隨時(shí)間呈線性增加趨勢(shì)，且增加幅度較大。在60天時(shí)，管線內(nèi)的積液量恢復(fù)到清管前的300 m3，而且變化幅度較小，曲線趨于平坦。如果積液過多，增加清管頻率可以減輕下游分離器的負(fù)擔(dān)。因此建議當(dāng)管線內(nèi)的積液量為100 m3時(shí)進(jìn)行清管，對(duì)應(yīng)時(shí)間為20天。

圖6 清管后運(yùn)行時(shí)間與管內(nèi)積液量關(guān)系Fig.6 Volume of accumulated liquid in pipeline over time after pigging

事實(shí)上，天然氣管線內(nèi)積液量受到多種因素的影響。對(duì)于天然氣管線來說，由于液相含量較低，液相對(duì)管道內(nèi)持液率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣相流速，并且氣相流速越大，持液率越小，積液也就越少。同時(shí)管道的上傾角度對(duì)天然氣管線的持液率也有一定影響，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液相的影響。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，管內(nèi)積液的確定應(yīng)著重考慮氣相流速和管道的上傾角度，進(jìn)而確定清管周期。

3 結(jié)論

針對(duì)起伏地形清管過程中的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)變化，以中原丘陵地帶某天然氣管道清管過程為依據(jù)，通過OLGA軟件揭示了清管過程中管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的變化過程，并提出了相應(yīng)的清管周期。

1）清管器的運(yùn)行速度受到地形起伏的影響，在上坡管道，速度波動(dòng)劇烈，表現(xiàn)為管道入口處壓力和溫度升高。當(dāng)越過高點(diǎn)時(shí)，速度迅速增大，同時(shí)會(huì)引起摩阻損失也增大，表現(xiàn)為壓力和溫度迅速下降，此時(shí)應(yīng)注意嚴(yán)重段塞流的形成。

2）在文中的研究范圍內(nèi)，當(dāng)清管器越過最高點(diǎn)時(shí)，溫度和壓力下降；達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，清管器前積液量達(dá)到最大值。出口處的出液速率與清管器運(yùn)行時(shí)間呈冪指數(shù)增大，通過積分可得出總出液量為333 m3，與實(shí)際結(jié)果相吻合。

3）清管后，天然氣穩(wěn)定運(yùn)行60天，管內(nèi)積液量達(dá)到最大值，為300 m3。對(duì)于天然氣管線來說，對(duì)管內(nèi)積液量影響最大的因素為氣相流速，其次為起伏角度，最后為液相流速。

4）建議在20天積液量為 100 m3時(shí)進(jìn)行清管，設(shè)計(jì)末端容器體積裕量為1.2。