濕天然氣管道積液處理方案設計與分析

劉建武 ，何利民

（1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東青島266555；2.中石化石油工程設計有限公司，山東東營257026）

國內(nèi)外眾多氣田的開發(fā)歷程表明，伴隨氣田進入生產(chǎn)平臺期，地層溫度和壓力下降，采出氣中游離水和凝析液含量會相應增多。若未在采氣井口進行深度的脫水和脫烴處理，進入集氣管道中的濕天然氣會由于沿線的低溫環(huán)境造成重烴和水汽的凝結析出，并在集氣管道沿線的低洼段聚集而形成積液[1-2]。積液會降低天然氣的有效輸送截面積，增加輸送阻力，降低管輸效率[3]；導致天然氣在一定溫度條件下形成水合物，造成冰堵事故；積液在起伏管路中形成段塞流，給正常生產(chǎn)帶來困難，嚴重時會導致停產(chǎn)；會使管道腐蝕加劇，降低管道的使用壽命，加速管道的電化學腐蝕，造成管道穿孔[4-5]。對積液進行處理是濕天然氣集氣管道日常運行管理中的一項重要工作。

為了減小集氣管道中積液的影響和危害，通常做法是進行定期清管[6-9]。但集氣管道受來料氣組成、地形條件、運行條件以及環(huán)境因素等的影響，管道積液量復雜多變，為清管周期以及清管末端處理設備容積的確定帶來困難，同時，多變的管道積液量也會造成清管過程壓力的劇烈波動，使局部管段具有超壓風險，影響管道的運行安全。在之前的研究中，基于OLGA軟件的清管工藝瞬態(tài)仿真方法，建立了積液在濕氣管道中的沉積和發(fā)展過程預測模型，對濕氣管道積液發(fā)展特性有了一定的認識[10-12]。本文在先前研究工作的基礎上，提出了一種新的濕氣管道積液在線處理方案，并對其有效性進行了評估，對于保障濕天然氣管道安全、經(jīng)濟和高效運行具有重要意義。

1 案例模型與計算方法

某集氣管道里程L=18 km，管徑D=590 mm，管道首站運行溫度t=60℃，環(huán)境溫度t0=10℃，管道末端壓力 p=2.6 MPa，輸量 Q=1.8×106m3/d，管道沿線高程如圖1所示，圖1中A點為下文分析積液在線分離裝置的預設點。濕氣的氣質(zhì)組成以及OLGA模擬模型和計算方法的實施等內(nèi)容詳見文獻[10]。

圖1 管道縱斷面圖Fig.1 Pipeline profile

2 積液沉積與發(fā)展過程分析

積液在管道中的發(fā)展過程如圖2所示，清管前平穩(wěn)運行時管道內(nèi)的總積液量約為322 m3，清管器投放2 h后進入收球筒，此時管道全線的積液量下降到5.9 m3。在管道沿線的低溫環(huán)境下，濕天然氣在隨后的輸送過程中不斷有液相析出，全線積液量開始成線性急劇增長，后期增長放緩，直至達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，積液量趨于飽和，與清管之前平穩(wěn)運行時管道全線的積液量一致。此后，濕氣管道將以含有飽和積液量的穩(wěn)態(tài)過程運行。

管道中積液的發(fā)展過程實際上就是管道沿線低洼處持液率不斷增大進而形成液塞的過程。冷凝水和析出的重烴不斷與管道內(nèi)壁碰撞而吸附于其上，大高程落差形成較大的管道傾角，伴隨吸附的液相越來越多，上傾管段壁面上的液膜在重力分量的作用下克服氣體的剪切應力以及液固表面摩擦力等的影響，不斷流向低洼處；下傾段壁面上的液膜則在氣相剪切應力以及重力分量的加和作用下，加速向管道低洼處運移。

圖2 清管速度和管道積液量隨時間變化規(guī)律Fig.2 Regularity of pigging velocity and pipeline fluid accumulation with time

管道低洼處的持液率伴隨運行時間的延長而不斷增大，液位開始升高，氣體的剪切應力作用使液面產(chǎn)生波動。當管道低洼處的液位到達一定高度時，由于伯努利效應，在液面處氣體流速大而壓力低，液面波峰處部分壓能轉化成了動能，當壓力作用大于波浪所受的重力作用時，液面的波幅能夠到達管內(nèi)頂部，隨即產(chǎn)生了液塞。圖3為某一時刻管道全線的流型分布情況。

圖3 管道沿線流型分布Fig.3 Distribution of flow pattern along pipeline

濕氣管道形成的低持液率兩相流動過程產(chǎn)生了較大的能耗。圖4為濕氣管道清管以及后續(xù)運行過程集氣管道入口處的壓力變化情況，其變化趨勢與積液在管道中的發(fā)展過程類似，清管之前管道入口壓力為2.87 MPa，清管結束后管道入口壓力降至2.75 MPa，隨后管道積液量不斷發(fā)展增大，相應的管道運行壓力也不斷增大，直至管道內(nèi)部的積液量趨于飽和，管道入口壓力也恢復至清管前的壓力大小。

圖4 管道入口壓力變化情況Fig.4 Change of pipeline inlet pressure

以上對濕氣管道積液發(fā)展過程流動參數(shù)變化規(guī)律的認識，為在集氣管道間設置氣液分離裝置以減少管道內(nèi)部總積液量并延長管道積液發(fā)展持續(xù)時間的設想提供了理論依據(jù)。下面將提出一種新的管道積液在線處理方案，并就該方案的有效性進行評估。

3 積液在線處理方案設計

圖5為設置氣液分離裝置后的積液處理工藝流程，在管道沿線低洼處設置在線軸流導葉式旋流氣液分離器，氣液兩相流經(jīng)過分離器后，氣相通過分離器排氣口進入到主輸送管道，分離出的液相進入液罐儲存，最終通過罐車或者獨立液相管道輸送至集氣站進行處理，在線處理管道積液問題。

圖5 管道積液處理流程Fig.5 Pipeline effusion treatment process

圖6 為氣液分離裝置的撬裝三維圖，為避免對管道清管產(chǎn)生影響，建立旁通流程。在濕氣管道日常運行過程中，開啟氣液分離流程；在對集氣管道全線進行清管時，關閉氣液分離流程。分離器前部設置T型管，對管道底流液體進行初步分離，經(jīng)過分離的流體繼續(xù)向前流動進入分離器，在旋流場作用下氣體中的液滴得到分離，二次分離后的液體通過排液管排出。為了避免T型管氣體對分離器排液管造成不利影響，T型管進入儲罐之前進行液封設計，T型管和分離器排液管均通過液位閥控制液體的排放。儲罐底部設有排液接頭，儲罐內(nèi)液體在氣壓作用下通過排液接頭排空。

圖6 氣液分離裝置安裝示意Fig.6 Installation diagram of gas-liquid separation device

4 計算結果與對比分析

針對所設計的濕氣管道積液處理方案，在建立的濕氣管道積液發(fā)展預測模型基礎上，在管道全線地形起伏較為明顯、起伏段較多的A位置增設分離器模塊，建立了濕氣管道積液處理簡化計算模型，通過PID來控制分離器內(nèi)部液位，計算模型如圖7所示，計算步驟如下：

① 閥門V1開啟，閥門V2、V3關閉，管道全線運行2 d，得到管道的穩(wěn)定運行狀態(tài)；

②運行2 d后，投放清管器，待清管器達到末端收球筒后，關閉閥門V1的同時，打開閥門V2和V3，管道輸送進入分離流程，計算得到該流程之后的積液沉積與發(fā)展過程。

圖7 濕氣管道積液處理簡化計算模型Fig.7 Simplified calculation model for moisture pipeline effusion treatment

4.1 管道積液量與發(fā)展過程對比

圖8 所示為增設氣液分離裝置與不增設氣液分離裝置時管道全線積液量隨運行時間的變化關系，氣液分離裝置將原有的F全管段分成F-1和F-2前后兩個管段。從圖8中可以看出，在清管之前的穩(wěn)定運行階段，增設氣液分離裝置后的F-1和F-2管段的穩(wěn)定積液量之和與不增設分離裝置的管道全線積液量近似相等，約為320 m3，伴隨氣液分離流程的開啟，F(xiàn)-1和F-2管段的管道穩(wěn)定積液量之和明顯低于不增設分離裝置的管道全線積液量，在該模擬條件下，二者之間的積液量相差100 m3左右。從圖8中同樣可以看出，增設分離裝置之后的F-2管段的管道積液從沉積到穩(wěn)定的持續(xù)時間明顯延長，二者相差約50 d左右。

圖8 不同運行方案下的管道積液量變化Fig.8 The amount of effusion in pipeline under different operating schemes varies

從管道間設置氣液分離裝置，將分離器之前F-1管段沉積的液量及時分離出來，一方面防止了F-1管段形成的積液繼續(xù)向前流動，減小了積液在F-2管段的質(zhì)量交換，也就減小了F-2管段的積液總量；另一方面，經(jīng)過分離之后的來料氣進入F-2管段，不含游離水，F(xiàn)-1管段形成的積液不參與F-2管段的積液補充與質(zhì)量交換，僅是以當下運行溫度和壓力條件下的低含水量的飽和濕天然氣運行，增大了F-2管段的積液發(fā)展到穩(wěn)定的持續(xù)時間。

4.2 管道首站壓力對比

圖9所示為增設分離裝置與不增設分離裝置兩種運行方案下，集氣管道首站的運行壓力隨運行時間的變化關系，增設分離裝置之后，集氣管道中的積液量明顯減小，管道全線的流動阻力減小，在集氣首站提供較小壓力情況下，就能滿足同等輸量的管輸要求。

通過對比分析可以看出，在集氣管道間增設分離裝置可以明顯降低集氣管道中的積液量和延長管道積液發(fā)展達到穩(wěn)定的時間，對加大清管周期以及優(yōu)化末端處理裝置容積都具有積極作用。另外，增設中間分離裝置也有利于整體工藝流程的節(jié)能降耗。但值得注意的是，增設分離裝置也帶來了相應的投資和管理成本增加，在具體的工程實際應用中，需要結合節(jié)能降耗、分離裝置選址、建設投資、清管條件以及風險削減等多種因素，來綜合評估該積液處理方案的可行性。

圖9 不同運行方案下首站運行壓力隨時間的變化Fig.9 The relationship between the first station operating pressure and time under different operating schemes

5 結 論

基于OLGA軟件開展了濕天然氣管道積液沉積以及發(fā)展規(guī)律分析，在此基礎上進行了一種新的濕氣管道積液處理方案設計，并就所設計積液處理方案的有效性進行評估，結論如下：

（1）集氣管道間增設分離裝置可以有效降低集氣管道中的總積液量，并延長管道積液發(fā)展達到穩(wěn)定的時間。

（2）在同等輸量以及管道末端壓力約束條件下，管間增設分離裝置可以有效降低運行起點動力需求，有利于整體工藝流程的節(jié)能降耗。

（3）具體的工程實際應用中，需要結合節(jié)能降耗、分離裝置選址、建設投資、清管條件以及風險削減等多種因素，來綜合評估集氣管道在線積液處理方案的可行性。