相國寺儲氣庫采氣管道清管周期探討

湯 丁 蔣華全 禹貴成 陳家文 王 巖

中國石油西南油氣田公司儲氣庫管理處

0 引言

相國寺儲氣庫采氣管道為儲氣庫內(nèi)部輸氣管道，用于將儲氣庫采氣井口來天然氣輸送至集注站進(jìn)行處理。由于注采站未設(shè)置氣液分離器[1-3]，采出的濕氣直接通過采氣管道輸送至集注站，使得管內(nèi)呈現(xiàn)氣液兩相流狀態(tài)[4-5]，甚至出現(xiàn)氣液兩相段塞流動、水合物堵塞等問題，影響管線的正常輸送。采用定期清管措施可有效清除進(jìn)入管道內(nèi)的液體水[6]，但清管周期過長會使得管道內(nèi)積水量過多，導(dǎo)致清管器卡堵；清管周期過短又會增加清管成本和操作風(fēng)險。國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如GB50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》[7]、SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規(guī)范》[8]側(cè)重于制定清管方案、操作程序、清管作業(yè)安全措施和應(yīng)急預(yù)案等，并沒有明確規(guī)定管道的清管周期。特別是對于相國寺儲氣庫采氣管道，進(jìn)入管道的是含水量無法確定的濕天然氣，更加難以確定經(jīng)濟、安全的清管周期[9]。為此，對相國寺儲氣庫南段采氣管道B段選用多相流動態(tài)仿真軟件OLGA進(jìn)行建模分析和計算，結(jié)合管道實際的清管水量，反算了管道入口的天然氣含水量；在此基礎(chǔ)上，分析了管道內(nèi)不同輸氣量下管道積液分布規(guī)律，最終確定采氣管道清管周期，以指導(dǎo)實際清管工作的開展。

1 南段采氣管道B段概況

相國寺儲氣庫南段采氣管道分為A、B兩段。南段采氣管道A段，起點為11號注采站、終點9號注采站，管道全長2.4 km，管道外徑為273 mm，壁厚為8.8 mm、10 mm。南段采氣管道B段，起點為9號注采站、途徑7號注采站、終點為集注站，管道全長5.4 km，管道外徑為508.0 mm，壁厚14.2 mm、17.0 mm。管道運行溫度4.62～29.57 ℃，壓力9.31～12.45 MPa，輸量為（164～800）×104m3/d。管道起伏大，管道最大高程差為520 m，容易在管道低洼處積液。管道沿線高程見圖1。

儲氣庫井口采出天然氣為含水濕氣，由于注采站未設(shè)置氣液分離器，游離水隨天然氣進(jìn)入采氣管道，導(dǎo)致管道內(nèi)形成積液。為了清除液體，采取了定期清管措施，清管周期主要依據(jù)操作經(jīng)驗確定，其中2018年與2019年南段采氣管道B段清管水量及管道運行參數(shù)如表1所示。從表1可知南段采氣管線B段清管周期為15天左右，水量22～30 m3之間。

圖1 南段采氣管道沿線高程圖

表1 南段采氣管道B段清管水量統(tǒng)計表

2 天然氣含水量推算

由于天然氣中含水量變化[10-13]、輸量變化、管道溫度變化、地形的變化均會引起管道積液量變化[14]，從而影響清管水量[15-17]。因此確定管道清管周期時，需要掌握管道內(nèi)的積液量與管道輸量、運行壓力、天然氣含水量等因素的關(guān)系[18]。但是，相國寺儲氣庫采氣管道B段入口未安裝天然氣含水量檢測儀，因此無法直接確定進(jìn)入管道的天然氣含水量?；诙嘞嗔鲃臃抡娣椒?，可以根據(jù)一個清管周期內(nèi)管道的輸量、壓力、清管水量等參數(shù)反算出管道入口處的天然氣含水量。

為了獲得天然氣含水量與管道清管水量的關(guān)系，確定管道內(nèi)的積液變化規(guī)律[19]，采用多相流動態(tài)仿真軟件OLGA建立了管道B段多相流仿真模型。通過計算不同輸量（300 104～600 104m3/d）、不同天然氣含水量條件下，管內(nèi)積液隨時間的變化規(guī)律，如表2所示。通過將計算的管道積液量值與實際清管水量進(jìn)行對比，可以得到管道入口端天然氣含水量。例如，通過表2，可推測2018年2月23日實施的清管作業(yè)過程中，管道輸量507 104m3/d，清管液量為30 m3，對應(yīng)的天然氣含水量摩爾分率約為1.48%。

3 南段采氣管道B段模型校核

根據(jù)清管的數(shù)據(jù)，查表2得到含水量，選取了入口溫度作為模型的溫度邊界參數(shù)，通過南段采氣管道B段的仿真模型計算得出管道沿程壓力及溫度（圖2、圖3）。管道在實際運行狀態(tài)下，起點壓力為12.13 MPa，終點壓力為11.06 MPa，起點溫度13.57 ℃，終點溫度11.89 ℃，清管液量27 m3。根據(jù)仿真模型計算的起點、終點壓力、終點溫度、清管液量與實際值的對比如表3所示，計算值與實際值的相對誤差分別為0.91%、1.9%、4.1%、1.8%。

表2 天然氣輸量、含水量與管內(nèi)積液量關(guān)系展示表

圖2 相國寺儲氣庫南段采氣管道B段沿程壓力展示圖

圖3 相國寺儲氣庫南段采氣管道B段沿程溫度展示圖

表3 仿真模型校核結(jié)果表

圖4 南段采氣管道B段管內(nèi)積液分布圖

計算得到的管道內(nèi)積液分布如圖4所示，管道內(nèi)黑色粗實線代表積液量，線條越粗，管內(nèi)積液量越大。結(jié)果表明，南段采氣管道B（9號注采站—集注站）積液量主要分布在7號注采站與9號注采站之間，管內(nèi)積液量約26.5 m3，與清管數(shù)據(jù)實際清管數(shù)據(jù)相近。

4 清管周期制定

《天然氣管道運行規(guī)范》（SY/T 5922-2012）[8]建議根據(jù)管道的輸送效率，確定合理的清管周期[20-21]，一般工程上管道輸送效率取95%。管道積液量是影響輸送效率的主要因素，因此為了獲得清管周期，需要計算不同輸量下管內(nèi)積液量隨時間變化情況。

基于建立的仿真模型，計算的南段采氣管道B段不同輸量下管內(nèi)積液量隨時間的變化如圖5所示。結(jié)果表明，輸量變化范圍200 104～1 000 104m3/d，管內(nèi)積液量的整體變化趨勢是隨著輸量的增加而降低。當(dāng)管內(nèi)輸量范圍為800 104～1 000 104m3/d時，清管過后管內(nèi)積液恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時的量介于8～12 m3。當(dāng)管內(nèi)輸量范圍為600 104～800 104m3/d時，清管過后管內(nèi)積液恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時的量介于12～23 m3。當(dāng)管內(nèi)輸量低于600 104m3/d時，由于氣體流速減小，管內(nèi)積液量急劇增加。

根據(jù)圖5，不同輸量下（200 104～1 000 104m3/d），管道上一次清管結(jié)束后積液重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間如表4所示。在不同積液量下，計算得到的管道輸送效率如表4所示。

清管時間確定應(yīng)綜合考慮管內(nèi)積液恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時間、清管后管道恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時輸送效率、輸送效率下降至95%的時間，當(dāng)管內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時輸送效率大于95%時，則應(yīng)采用管內(nèi)積液恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時間作為清管時間，當(dāng)管內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時輸送效率小于95%時，則應(yīng)采用清管后輸送效率下降至95%的時間作為清管時間。按上述原則，輸量為200 104～600 104m3/d時，清管周期為9～11 d；當(dāng)管道輸氣量為600 104～1 000 104m3/d時，清管周期為14～31 d。同時還應(yīng)考慮收球站清管水量的接收能力，根據(jù)實際經(jīng)驗如果收球水量大于25 m3，收球風(fēng)險增大，污水池容積不夠、大量水將進(jìn)入脫水裝置等問題[22]。因此，結(jié)合實際收球站可接收水量可得出南段采氣管道B段清管周期推薦表（表5）。

圖5 南段采氣管道B段不同輸量下管內(nèi)積液量隨時間變化展示圖

表4 南段采氣管道B段清管周期表

5 結(jié)論

1）采用多相流動態(tài)仿真軟件OLGA建立了南段采氣管道B段多相流仿真模型，通過計算，得到了天然氣含水量與清管液量之間的關(guān)系。

表5 南段采氣管道B段清管周期推薦表

2）利用新建仿真模型，計算南段采氣管道B段管道的起點、終點壓力、終點溫度、清管液量，并與實際運行參數(shù)對比，相對誤差在0.91%～4.1%之間，證實了新建模型的可靠性。

3）利用新建的仿真模型，計算得到了管道輸量、積液量與管道輸送效率之間的關(guān)系。以管道輸送效率不小于95%為原則，同時考慮積液恢復(fù)時間、輸送效率下降至要求管輸效率的時間及收球站清管水量接收能力等，確定了南段采氣管道B段在不同輸量下的清管周期。