瞬態(tài)工況下濕氣管道積液發(fā)展規(guī)律的模擬研究

喬 慧，溫 續(xù)，貢楊夢(mèng)媛，張愛(ài)娟

(山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)工程系，山東 東營(yíng) 257000)

由于運(yùn)行壓力、溫度等參數(shù)發(fā)生變化，沿線起伏的濕氣管道會(huì)在低洼段產(chǎn)生積液。積液的存在不僅降低了集輸系統(tǒng)效率，而且會(huì)與酸性氣體一起加速電化學(xué)腐蝕，縮短管道的使用壽命。目前常采用定期清管的方法來(lái)消除管道內(nèi)的積液，而清管方案的設(shè)計(jì)必須以管線內(nèi)的積液發(fā)展為基礎(chǔ)[1-2]。近年來(lái)的研究成果表明，建立數(shù)值模型用于分析濕氣管線的積液規(guī)律問(wèn)題具有明顯優(yōu)勢(shì)，但多數(shù)模型的完整性、可靠性和通用性等，仍需要展開(kāi)進(jìn)一步的研究[3-5]。本文對(duì)實(shí)際的氣田進(jìn)行調(diào)研，以現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用 OLGA軟件建立了積液在濕氣管道中的發(fā)展過(guò)程的預(yù)測(cè)模型，從瞬態(tài)操作工況出發(fā)，研究濕氣管線中積液的發(fā)展規(guī)律。

1 積液仿真模型的建立

1.1 地形數(shù)據(jù)

PY30-1至HZ21-1B海管為單層不保溫管，全長(zhǎng)1500m，規(guī)格為Φ508mm×14mm，管材為直縫埋弧焊鋼管，入口溫度最高為50℃，最大操作壓力為13MPa，最高操作溫度為50℃，設(shè)計(jì)輸量為40kg·s-1。根據(jù)管線的實(shí)際運(yùn)行工況并結(jié)合管線的特性，建立了高度符合該管道的瞬態(tài)數(shù)值模擬模型。

1.2 流體的組成數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)

HZ21-1海管入口的天然氣組分參數(shù)見(jiàn)表1，管道的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 HZ21-1海管入口的天然氣組分

表2 管道的運(yùn)行參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 投產(chǎn)工況

運(yùn)用搭建好的OLGA積液模型，保持其他參數(shù)不變，研究啟動(dòng)輸量分別為20、30、40、50、60kg·s-1時(shí)，對(duì)積液平衡時(shí)間和管線出口液體流量的影響規(guī)律，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，啟動(dòng)輸量越大，管線就會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到液體穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)樵诟邌?dòng)輸量下，氣體的流速較大，攜液能力強(qiáng)，管線達(dá)到積液平衡時(shí)的積液量較小[6]。在高啟動(dòng)輸量下，進(jìn)入管線的液體流量大，因此平衡時(shí)間會(huì)隨著啟動(dòng)輸量的減小而延長(zhǎng)。啟動(dòng)輸量為20kg·s-1時(shí)，并沒(méi)有像高啟動(dòng)輸量時(shí)，在啟動(dòng)一段時(shí)間后積液量達(dá)到穩(wěn)定，而是呈現(xiàn)周期性變化，這是段塞流的特征。積液量的起伏變化，不利于投產(chǎn)初期設(shè)備儀表的調(diào)試，因此要盡可能避免出現(xiàn)段塞流的情況。

圖1 不同輸量下積液量隨時(shí)間的變化情況

2.2 輸量變化的影響

2.2.1 管線輸量變化的影響

運(yùn)用搭建好的OLGA積液模型，保持其他參數(shù)不變，改變管線輸量，分別模擬管線輸量由30kg·s-1提高至60kg·s-1，以及由60kg·s-1降低至30kg·s-1，對(duì)管內(nèi)積液量以及出口液體流量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著管線輸量提高，管線內(nèi)的積液量和出口液體流量都會(huì)增大，管線重新達(dá)到平衡后，管線內(nèi)的積液量比輸量提高前有小幅度降低。

圖2 輸量變化時(shí)積液量與流量隨時(shí)間的變化情況

2.2.2 管線輸量變化方式的影響

由圖2可知，提高管線輸量，可以降低管線內(nèi)的積液量，為此研究了管線輸量的變化方式對(duì)達(dá)到新平衡的積液量和出口液體流量的影響。運(yùn)用搭建好的OLGA積液模型，保持其他參數(shù)不變，分別采用3種增加管道輸運(yùn)量的方法，并對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真。①直接將管線流量從30kg·s-1增加到60kg·s-1；②先將管線流量從30kg·s-1提高到40kg·s-1，再由40kg·s-1提高到60kg·s-1；③先將管線流量從30kg·s-1提高到40kg·s-1，再由40kg·s-1提高到50kg·s-1，最后由50kg·s-1提高到60kg·s-1。探究不同的管線流量改變方式對(duì)管線積液量及管線出口液體流量的影響規(guī)律，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 輸量直接提高時(shí)積液量與流量隨時(shí)間的變化情況

圖4 輸量分兩步提高時(shí)積液量與流量隨時(shí)間的變化情況

由圖3～圖5可以看出，當(dāng)以不同方式改變管線輸量時(shí)，出口液體流量會(huì)發(fā)生以下幾點(diǎn)變化：①管線輸量改變時(shí)，出口液體流量會(huì)迅速增大到峰值，然后立刻回落，管線輸量值的增加越大，出口液體流量達(dá)到的峰值就越大；②第1種輸量改變方式下，出口液體流量用最短的時(shí)間達(dá)到了平衡；第3種輸量改變方式下，出口液體流量用最長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到了平衡，說(shuō)明管線輸量的改變值越小，出口液體流量達(dá)到平衡的時(shí)間越長(zhǎng)。③無(wú)論以何種方式改變管線輸量，只要起始輸量與最終輸量一致，出口液體流量最終達(dá)到平衡時(shí)的數(shù)值是一致的[7]。

圖5 輸量分三步提高時(shí)積液量與流量隨時(shí)間的變化情況

提高管線輸量，管內(nèi)的積液量會(huì)迅速提高然后迅速減小，每改變1次管線流量，管線積液量都會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值。改變量越大，積液量峰值越高，最后達(dá)到新的平衡。相較于管線輸量改變之前的積液量，新平衡時(shí)的積液量有所減小[8]。在實(shí)際生產(chǎn)工況條件下，由于氣田的產(chǎn)量不穩(wěn)定，天然氣管道的輸量并不是不變的，這時(shí)要注意管線輸量發(fā)生改變時(shí)，管徑及管材的強(qiáng)度是否能滿足瞬態(tài)頂峰積液量的要求。

2.3 停輸再啟動(dòng)的影響

由于地勢(shì)起伏，管道停止輸送后，管道中的液體會(huì)因重力作用而聚集在管道的低洼處。管道重啟時(shí)，積存的液體很有可能會(huì)以大液塞的形式從管道中排出，因此必須在管道出口安裝1套處理裝置[9-10]。采用 OLGA軟件建立了瞬態(tài)積液數(shù)學(xué)模型，通過(guò)閥門(mén)的作用，對(duì)管道停運(yùn)和重新啟動(dòng)進(jìn)行了仿真，由此觀測(cè)管道在開(kāi)啟狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)進(jìn)入分離器的多相流特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而分析在管線再啟動(dòng)工況下，管內(nèi)的積液量和出口液體流量的變化趨勢(shì)。

利用OLGA中的閥門(mén)功能模擬停輸工況。在管線的起點(diǎn)與終點(diǎn)處設(shè)置2個(gè)閥門(mén)，模擬管線運(yùn)行20min后閥門(mén)關(guān)閉的狀態(tài)。停輸60min后，管線中的積液將重新分布，然后達(dá)到平衡狀態(tài)。重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，積液量由81.5m3降低至78.25m3，這是由于閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，一部分液體會(huì)被氣體從管道中帶出來(lái)[11]。

停輸工況模擬在60min之后再次達(dá)到穩(wěn)定工況。再啟動(dòng)工況則是在此基礎(chǔ)上延長(zhǎng)模擬時(shí)間，在80min時(shí)將閥門(mén)打開(kāi)，管道內(nèi)的流量由0kg·s-1增加至40kg·s-1，再啟動(dòng)120min之后，管線內(nèi)的積液量和出口流量達(dá)到平衡狀態(tài)。模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 停輸后積液的變化情況

從圖6的模擬結(jié)果可知，在輸量為40kg·s-1的情況下再啟動(dòng)時(shí)，管線內(nèi)積液量的變化趨勢(shì)，與管道輸量增大時(shí)相同，即由急劇上升到急劇下降。但管線出口的液體流量會(huì)突然增加到300Sm3·d-1，與輸送量穩(wěn)定時(shí)管道出口的液體流量相比，有明顯的增加。液體流量的增長(zhǎng)太大，會(huì)超出石油和天然氣分離裝置的處理能力，從而導(dǎo)致泄漏。

研究發(fā)現(xiàn)，管線停輸后，管內(nèi)的液體會(huì)在低洼處聚集，形成較大體積的液體段塞[12-14]。當(dāng)管線再啟動(dòng)時(shí)，流量增大，管線內(nèi)積聚的液體被迅速排出，導(dǎo)致管線出口的液體流量增加。在輸量提高的工況中，出口的液體流量增大，是因?yàn)殡S著輸量提高氣體的攜液能力增強(qiáng)了，從而帶出了更多的積液[15]。因此再啟動(dòng)工況中，降低輸量并不能降低出口的液體流量。

圖7 18kg·s-1再啟動(dòng)輸量下積液量與流量的變化情況

3 結(jié)論

本文通過(guò)模擬，得出如下結(jié)論：

1）投產(chǎn)工況中，啟動(dòng)輸量越大，管線積液達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，平衡時(shí)間會(huì)隨著啟動(dòng)輸量的減小而延長(zhǎng)。在低啟動(dòng)輸量下，積液量呈周期性變化，且會(huì)出現(xiàn)段塞流。

2）當(dāng)管線輸量提高時(shí)，管線內(nèi)的積液量和出口液體流量都會(huì)增大，管線重新達(dá)到平衡后，管線內(nèi)的積液量比輸量提高之前有小幅度降低。

3）采用不同方式提高管線輸量時(shí)，輸量的變化量越大，積液量和出口液體流量的變化量越大，下游設(shè)備易受到?jīng)_擊。在實(shí)際投產(chǎn)中，應(yīng)避免直接大幅度地提高輸量。

4）濕氣管線停輸后，液體會(huì)在重力作用下重新分布。閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，一部分積液會(huì)由氣體攜帶出管線，因此新的平衡狀態(tài)下，管線的積液量有小幅度減小。

5）管線再啟動(dòng)工況中，相比輸量穩(wěn)定時(shí)管線出口的液體流量，以40kg·s-1流量重新啟動(dòng)停輸工況，管線出口的液體流量會(huì)突增且可能造成溢流。同時(shí)不能通過(guò)降低再啟動(dòng)輸量來(lái)降低出口液體流量。