真實(shí)地形下天然氣管道傾斜角度對(duì)氣體流動(dòng)特性的影響

＊李鳴浩 陳雙慶,2* 官兵,2 林小強(qiáng) 劉天晴 葉霖

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院 黑龍江 163318 2.大慶油田有限責(zé)任公司博士后科研工作站 黑龍江 163453）

引言

天然氣是石油化工領(lǐng)域的重要能源，是國家推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)而大力推廣的清潔能源[1]，其安全輸運(yùn)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活都具有重要意義。濕氣輸送工藝是天然氣生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，可以降低地理環(huán)境復(fù)雜地區(qū)天然氣輸送成本，有效提高天然氣生產(chǎn)效率，被廣泛應(yīng)用于各大氣田[2]。

濕天然氣由于輸送過程中沿線溫度、壓力的變化引發(fā)凝析現(xiàn)象，使得濕天然氣的管道輸送實(shí)際為氣液混輸[3-4]，故含有水組分的天然氣輸送屬于氣液兩相管流[5]。早期對(duì)于濕天然氣輸送的研究多基于水平管路，李玉星[6]等從流體力學(xué)的基本模型出發(fā)建立了瞬變流數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算了天然氣輸送過程中各點(diǎn)壓降、持液率等參數(shù)的變化情況；韓煒[7]基于各種瞬態(tài)流動(dòng)模型，對(duì)于管道氣液兩相流工藝中的壓降、溫降、持液率計(jì)算進(jìn)行了研究和對(duì)比。

對(duì)于處于山地、丘陵地形的天然氣田，集輸管道沿地表敷設(shè)因而往往具有一定傾斜角度，使得其管道內(nèi)部的天然氣流動(dòng)狀態(tài)與水平管流相差較大[8]，同時(shí)管流狀態(tài)還受到不同起伏地形下重力的影響，故其流動(dòng)特性變化情況相較于氣體或者液體的單相管流更加復(fù)雜。鄧道明等[9]對(duì)長(zhǎng)距離、高壓、大直徑、地形起伏條件下天然氣兩相管流計(jì)算中的氣液界面模型選取進(jìn)行了研究，認(rèn)為平界面模型能夠更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高壓、大直徑兩相流管線的壓降和積液量；李凱[10]針對(duì)氣液兩相管流中流型在不同起伏地形下形成機(jī)理進(jìn)行研究，建立針對(duì)濕氣管流的流型預(yù)測(cè)組合模型，對(duì)于濕氣管路的截面含液率和壓降的計(jì)算模型的預(yù)測(cè)性能進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)；吳成[11]對(duì)起伏地形下的管路依據(jù)已有模型，以流型、持液率和壓降為中心，研究了氣液兩相流動(dòng)過程中積液形成的機(jī)理、分布情況和影響因素。相關(guān)研究中關(guān)于傾斜角度對(duì)于天然氣管流特性的影響及分析的內(nèi)容不夠全面。

基于多相管流流動(dòng)理論，探究了不同管道傾斜角度對(duì)于管內(nèi)濕天然氣流動(dòng)特性的影響，分別進(jìn)行了不同管道傾斜角度所對(duì)應(yīng)的管流壓降、溫降、持液率的規(guī)律研究?；贠LGA多相流模擬軟件計(jì)算得到了相應(yīng)流動(dòng)參數(shù)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，所開展的研究對(duì)于明確管道傾斜角度影響濕天然氣流動(dòng)特性變化機(jī)理，對(duì)于集輸系統(tǒng)高維空間的設(shè)計(jì)優(yōu)化[12-16]，以及保障天然氣管道的安全運(yùn)行具有積極意義。

1.計(jì)算模型建立

OLGA軟件是基于多相流理論研發(fā)的大型應(yīng)用軟件，被廣泛應(yīng)用于油氣工程的設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行中[17]，常用于模擬油氣井、油氣設(shè)備、管網(wǎng)中的油、氣、水等介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，其模擬結(jié)果與多相流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)絕大多數(shù)情況下接近，可信度高。軟件中所集成的雙流體模型及解算方法適用于本文所研究的濕天然氣輸送工藝?；贠LGA軟件研究建立了不同天然氣管道傾斜角度下的氣體流動(dòng)參數(shù)計(jì)算模型。

(1)傾斜管道走向

為對(duì)比不同天然氣管道傾斜角度和傾斜程度下氣體的流動(dòng)參數(shù)，基于OLGA軟件研究建立了2種管道長(zhǎng)度（400m，200m）對(duì)應(yīng)3種傾斜角度（15°，60°，75°）的計(jì)算模型。

(2)邊界條件及管道參數(shù)

以上計(jì)算模型的邊界條件和管道參數(shù)為：管線起點(diǎn)溫度為35℃，管線出口壓力為80bar。管道埋深為1m，管道所處地的環(huán)境溫度為6℃，總傳熱系數(shù)為6.5w/(m2·K)，管內(nèi)流體的質(zhì)量流速為35.74kg/s，H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，N2為1.1%，CO2為0.33%，C1為81.83%，C2為7.78%。

2.氣體流動(dòng)特性變化規(guī)律分析

(1)壓降結(jié)果與分析

將兩種管長(zhǎng)（400m，200m）和不同傾斜角度（15°，60°，75°）下天然氣管道沿程的壓力分布模擬計(jì)算結(jié)果繪制于圖1中以方便對(duì)比分析。由圖1可知，在一定的傾斜角度范圍內(nèi)，隨著管道傾斜角度的增加，單位管長(zhǎng)的氣體壓降和沿程總壓降逐漸增大。當(dāng)傾斜角進(jìn)一步增加，單位氣體管長(zhǎng)的氣體壓降和沿程總壓降減小。

圖1 不同傾斜角度和長(zhǎng)度管道壓降對(duì)比圖

當(dāng)管道傾斜角度較小時(shí)，相同沿程管道長(zhǎng)度的條件下，傾斜角度增加，管道爬升的高程增加，輸送氣體所需要的能量增加；隨著管道內(nèi)氣體的爬升，由于重力作用，液體流速降低，管道內(nèi)出現(xiàn)液體滯留現(xiàn)象，對(duì)氣體輸送產(chǎn)生一定的阻礙作用，故氣體流動(dòng)的摩擦損失增大，輸送所需的能量增加，致使管內(nèi)氣體壓降隨傾斜角度的增加而逐漸增加。即 圖1中傾斜角60°200m工況的壓降范圍大于傾斜角15°200m工況下的壓降范圍。在管道傾斜角度較大（＞75°）時(shí)，相同沿程管道長(zhǎng)度的條件下，管內(nèi)氣體持液率顯著減少，管內(nèi)液體滯留量降低，氣體流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦損失將減少，導(dǎo)致其水力坡降緩慢，引起了圖1中75°400m工況的壓降范圍小于60°400m工況的壓降范圍。

(2)溫降結(jié)果與分析

將不同管道長(zhǎng)度（200m，400m）和不同傾斜角（15°，60°，75°）下的沿程溫度分布計(jì)算結(jié)果繪制于圖2中。從圖2中可以看出，在較小的管道傾斜角度范圍（＜60°），隨著管道傾斜角的增大，管內(nèi)氣體的單位管長(zhǎng)溫降逐漸增大，總溫降也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)管道的傾斜角度繼續(xù)增大到一定范圍后，傾斜角對(duì)溫降的影響程度降低，與較小的管道傾斜角的情況下對(duì)比，單位管長(zhǎng)溫降和總溫降降低。

圖2 不同傾斜角度和長(zhǎng)度管道溫降對(duì)比圖

當(dāng)管道傾斜角度較小時(shí)，相同沿程管道長(zhǎng)度的條件下，隨著管道傾斜角度的增加，管內(nèi)氣體的壓降逐漸增大，在焦耳—湯姆遜效應(yīng)的作用下，壓降的增大伴隨溫降的增大；管道傾斜角度的增加使得管內(nèi)液體滯留，液體摩擦生熱也產(chǎn)生一定程度的溫降[15-16]。因而圖2中傾斜角60°200m工況下的溫降大于傾斜角15°200m工況下的溫降。當(dāng)管道傾斜角度繼續(xù)增大至某一范圍后，管內(nèi)氣體的壓降變化逐漸減小，焦耳—湯姆遜效應(yīng)引起的溫降逐漸降低；同時(shí)隨著管道傾斜角的變化，輸送氣體的持液率降低，液體摩擦產(chǎn)生的溫降減小。因而圖2中傾斜角75°400m工況下的溫降小于傾斜角60°400m工況下的溫降。繼續(xù)增大傾斜角對(duì)溫降的影響變動(dòng)不如小傾角范圍時(shí)顯著。

(3)持液率結(jié)果與分析

不同管道長(zhǎng)度（200m，400m）和不同傾斜角（15°，60°，75°）下的氣體持液率的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，在管道的平緩管段持液率基本保持不變，在傾斜管段的起始位置處持液率開始顯著增加，達(dá)到某一穩(wěn)定值后基本不變化；在管道的下坡段，持液率迅速減小至平緩管段水平。隨著管道傾斜角度的增大，管道內(nèi)氣體持液率達(dá)到的穩(wěn)定值逐漸減??；即圖3中傾斜角15°200m工況下的達(dá)到的持液率大于傾斜角60°200m工況下的持液率。當(dāng)管道傾斜角度增大到75°時(shí)，傾斜管道內(nèi)氣體持液率與平緩管道內(nèi)持液率的變化呈現(xiàn)一致趨勢(shì)。因此天然氣管道的傾斜角度與氣體持液率總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 不同傾斜角度和長(zhǎng)度管道持液率對(duì)比圖

3.結(jié)論

針對(duì)真實(shí)地形下天然氣管道的氣體流動(dòng)特性開展研究，分析了不同傾斜角度對(duì)于管道內(nèi)氣體溫降、壓降和持液率的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）天然氣管道傾斜角度對(duì)于濕天然氣的流動(dòng)參數(shù)存在影響，在一定傾角范圍內(nèi)，管道內(nèi)氣體壓降及溫降與傾角呈正相關(guān)關(guān)系，持液率與傾角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。（2）天然氣管道內(nèi)的氣體持液率對(duì)于壓降和溫降有較大影響關(guān)系，在持液率減少時(shí)，管道的熱能和壓能損失有降低趨勢(shì)。