輸氣管道清管工藝及周期的確定

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000)

輸氣管道投產(chǎn)運(yùn)行前，為了清除管道中殘留的焊渣、粉塵、固體廢棄物等雜質(zhì)，清管作業(yè)是保障管道安全投產(chǎn)的一項(xiàng)必要工序[1]。而在管道運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行參數(shù)的變化導(dǎo)致天然氣中析出的液體積聚在管道沿線低洼處，減小了管道流通面積，增大了氣體流動(dòng)阻力，使管道運(yùn)行過程中的能耗增大，此時(shí)清管作業(yè)又是保證輸氣管道安全平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的重要保障措施。根據(jù)管道內(nèi)的雜質(zhì)情況和清管要求，選擇合適的清管器進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，清管周期是需要考慮的一個(gè)重要因素，清管過于頻繁會(huì)增加輸氣管道的運(yùn)行費(fèi)用和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，反之清管周期過長，會(huì)造成管道的輸氣能力下降，能耗增加[2-3]。

1 管道中的雜質(zhì)

天然氣集輸過程中，井口采出來的天然氣在集氣站進(jìn)行脫水、脫烴等工藝處理后被送往天然氣處理廠進(jìn)行深度處理以滿足管輸天然氣的品質(zhì)要求。由于天然氣井場大多采用井口低壓集氣、集氣站常溫分離的濕天然氣集輸工藝，因此管道中的天然氣常處于飽和狀態(tài)。管道運(yùn)行時(shí)受水力摩阻和沿線環(huán)境溫度的影響，氣體的溫度、壓力逐漸降低，使得天然氣中的水分、凝析液會(huì)逐漸析出。經(jīng)過一段時(shí)間的累積，最終聚集在管道沿線低洼處形成積液，減小了管道流通面積，增大了管道水力摩阻，降低了輸氣效率，使管道不能按計(jì)劃完成輸氣任務(wù)。

由于水的析出，在一定的條件下管道中會(huì)有水合物生成的危險(xiǎn)，現(xiàn)場生產(chǎn)中常采用給管道中注入甲醇、二甘醇、三甘醇等水合物抑制劑的方法抑制水合物的生成。根據(jù)現(xiàn)場管線排污情況分析，注入到管道中的甲醇，一部分進(jìn)入到氣相中隨著氣體繼續(xù)流動(dòng)，更大一部分則與管道中的水混合積聚在管道沿線各處，加劇了管道的積液情況，嚴(yán)重妨礙了輸氣管道的高效運(yùn)行。此外天然氣中含有的H2S、CO2等氣體在水的作用下會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物黏附在管道壁面，增大了管道的粗糙度和氣體流動(dòng)的阻力，進(jìn)一步降低了輸氣效率，更甚者會(huì)造成管道穿孔事故的發(fā)生。由以上分析可知，水和凝析液的析出、水合物的生成、管道腐蝕的存在是造成管道積液嚴(yán)重、流動(dòng)阻力增加、管線輸氣效率下降的主要原因，需定期對(duì)管道進(jìn)行清管作業(yè)，及時(shí)將積液、水合物以及腐蝕產(chǎn)物等雜質(zhì)排除管外，以保證輸氣管道安全平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行[4]。

2 清管工藝設(shè)備

清管過程中使用的主要設(shè)備有清管器、清管器發(fā)送筒、清管器接收筒、通過指示器等部件，如圖1所示。清管器的過盈量一般為管徑的3%～5%，這樣才能保證清管器與管道內(nèi)壁的緊密接觸，從而維持清管器前后端的壓差，使其安全平穩(wěn)地運(yùn)行[5]。

圖1 清管器收發(fā)站流程圖

目前，工程實(shí)際中所使用的清管器根據(jù)材質(zhì)的不同可分為三類，即橡膠清管球、泡沫清管器和機(jī)械清管器。橡膠清管球是由耐腐蝕的氯丁橡膠制成中空球體，一般通過球體上的注水閥向球內(nèi)注水從而控制清管球的過盈量，由于機(jī)械性能較差，清管球在運(yùn)行過程容易被劃破，一般常用于清除管道內(nèi)的積液。泡沫清管器的主要材質(zhì)是聚氨酯泡沫，由于其質(zhì)量輕、密度小、韌性大的特點(diǎn)，泡沫清管器在管道中運(yùn)行時(shí)通過能力較強(qiáng)，即使出現(xiàn)清管器“卡阻”也可以通過提高壓力使清管器收縮或破裂的方式自行解堵。但由于其材質(zhì)的強(qiáng)度較低，使用壽命和運(yùn)行距離均較短，常用于有內(nèi)涂層管道的清掃。目前國內(nèi)使用的機(jī)械清管器主要包括皮碗清管器和直板清管器兩種，相比于橡膠清管球和聚氨酯泡沫清管器，其使用壽命和運(yùn)行距離一般都較長，且能清除管內(nèi)的多種雜質(zhì)，同時(shí)還可根據(jù)需要安裝其他附件(鋼刷、刮板等)以增強(qiáng)管道的清管效果，但由于其通過能力差，對(duì)于閥門、彎頭等部件較多的管道適應(yīng)性較差[6]。

3 清管周期的影響因素

3.1 最小允許輸送效率

管道在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于積液和腐蝕產(chǎn)物的存在使氣體流動(dòng)阻力增加，管道的實(shí)際輸氣能力小于設(shè)計(jì)輸氣能力。為了表征管道的運(yùn)行狀況，衡量管道的臟度，引入了管道輸送效率E來說明管道輸氣能力的偏離程度。

(1)

式中：Mr為管道的實(shí)際輸氣量，kg/s；M為管道的設(shè)計(jì)輸氣量，kg/s。

一般來說管道輸送效率E的取值小于1，并且其取值與管道的運(yùn)行年限、管壁粗糙度、管內(nèi)沉積物以及管道的參數(shù)相關(guān)。E的取值越小，表明管道內(nèi)的臟物越多，輸氣能力越小，越需要清理。SY/T 5922—2003《天然氣輸送管道運(yùn)行管理規(guī)范》中規(guī)定[7]：當(dāng)輸氣管道的輸氣效率低于95%時(shí)(臨界值)，應(yīng)采取清管措施。因此應(yīng)綜合考慮管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選取一個(gè)最小允許輸送效率E0，當(dāng)管道輸氣效率低于該值時(shí)，則需要進(jìn)行清管作業(yè)。

3.2 最大允許積液量

管道中積液的存在使管道的流通面積減小，輸氣能力下降，是導(dǎo)致管道效率降低的最主要原因。輸氣管道清管作業(yè)時(shí)，清管器推動(dòng)著積液向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)入終端的液體捕集器進(jìn)行氣液分離，若分離出的氣相中不含有液滴，此時(shí)管道中的積液量是允許的；反之管道中的積液量則超過了捕集器的液體處理能力，氣液兩相得不到有效的分離，氣相中含有較多的水分，這就增加了氣體處理廠深度脫水工藝的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而影響了氣體的品質(zhì)，達(dá)不到管輸天然的要求。因此應(yīng)將積液量的大小作為衡量管道清管周期的一個(gè)重要指標(biāo)，若管道中積液量超過了管道終端液體捕集器的處理能力，則需要立即進(jìn)行清管作業(yè)。

3.3 最大允許壓降

管道中若有腐蝕情況的發(fā)生，腐蝕產(chǎn)物使原先光滑的金屬管壁變得粗糙不平，管道的水力摩阻系數(shù)變大，氣體流動(dòng)阻力增加，進(jìn)而造成管路壓降變大。此外，若管路中有水和凝析液的析出，或者有水合物的生成，造成管道流動(dòng)面積減小，流速增大，氣體流動(dòng)阻力增大，也會(huì)出現(xiàn)管路壓降變大的現(xiàn)象。因此輸氣管道運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控管道沿線壓力的變化，若出現(xiàn)管道局部壓降突然變大的情況，則需要考慮進(jìn)行清管作業(yè)。

4 清管周期的確定

4.1 摩阻系數(shù)的計(jì)算

水力摩阻系數(shù)的計(jì)算需要根據(jù)輸氣管道的雷諾數(shù)判斷氣體處于何種流態(tài)下才能選擇相應(yīng)的計(jì)算公式。輸氣管道基本都處于紊流區(qū)，由于Colebrook-White公式在較大的雷諾數(shù)和粗糙度范圍內(nèi)都能保持較高的精度，對(duì)紊流區(qū)的三種流態(tài)均適用。因此本文選取Colebrook-White公式計(jì)算輸氣管道水力摩阻系數(shù)[8]。

(2)

式中：Re為氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)；M為管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量，kg/s；D為輸氣管道的內(nèi)徑，m；μ為氣體的動(dòng)力黏度，Pa·s；k為管壁的絕對(duì)粗糙度，m；λ為水力摩阻系數(shù)。

可以看出，上式是一個(gè)隱式方程，需要根據(jù)管道的運(yùn)行參數(shù)(質(zhì)量流量M，管道內(nèi)徑D，氣體的動(dòng)力黏度μ、管壁的絕對(duì)粗糙度k)迭代求解。其計(jì)算步驟如圖2所示：

圖2 水力摩阻系數(shù)計(jì)算步驟

4.2 管道設(shè)計(jì)流量的計(jì)算

天然氣在管道內(nèi)流動(dòng)，管道的設(shè)計(jì)流量可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：PQ、PZ為管道的下上游壓力，Pa；Z為壓縮因子；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T為管道輸送天然氣的平均溫度，K；L為管道的長度，m。

通過將Colebrook-White公式計(jì)算得到的水力摩阻系數(shù)λ的值帶入到上式中即可求出輸氣管道的設(shè)計(jì)流量M。根據(jù)管道輸送效率的定義，依據(jù)天然氣管道實(shí)際運(yùn)行的輸氣量Mr，計(jì)算出該輸氣管道此刻的運(yùn)行效率E。通過與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管道最小允許輸送效率E0相比較，若實(shí)際運(yùn)行效率E小于E0時(shí)，則需要進(jìn)行清管作業(yè)，否則視管道為干凈狀態(tài)。其計(jì)算步驟如圖3所示。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)輸氣管道內(nèi)雜質(zhì)的形成原因進(jìn)行分析，從而確定了影響管道清管周期的主要因素，以管道輸送效率為衡量標(biāo)準(zhǔn)通過建立方程求解實(shí)際管道與理論輸氣量的偏離程度，進(jìn)而確定了輸氣管道的清管周期。

圖3 判斷是否需要清管作業(yè)

(1)本文確定輸氣管道清管周期的方法適用于理想工況，即管道實(shí)際輸氣能力小于其理論輸氣能力，而在實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)際輸氣量有可能大于理論輸氣量。

(2)管道內(nèi)的積液并非沿管道均勻分布，因此實(shí)際運(yùn)行過程中積液量難以準(zhǔn)確計(jì)算，可以通過軟件模擬的方法計(jì)算積液量從而確定管道的清管周期。

(3)可以通過管網(wǎng)仿真軟件對(duì)管道沿線壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，若出現(xiàn)管路局部壓降過大情況，即應(yīng)采取清管措施。