天然氣管道射流清管器旁通率優(yōu)化

史宏圖 孫琳

摘 要：射流清管器可吹散下游液塞降低對設(shè)備的沖擊，分析旁通率對清管過程的影響可有效提高射流吹散能力。采用OLGA軟件建立了射流清管器模型，分析了旁通率對清管器清管特性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)旁通率高于22%時(shí)，清管器運(yùn)行速度波動幅度較小，且保持在2～3 m/s，運(yùn)行穩(wěn)定，推薦旁通率為22%～34%。當(dāng)清管器旁通率高于24%時(shí)，雖然液量激增階段變短但變化不大，推薦旁通率為24%～32%。最大終端段塞量隨旁通率的增大先降低后升高；旁通率為30%和32%時(shí)最大終端段塞量降低至最低點(diǎn)，推薦旁通率為30%～32%。當(dāng)旁通率高于24%繼續(xù)增大時(shí)，終端液塞最大流量和段塞最大個(gè)數(shù)降低幅度較小，推薦旁通率為24%～32%。綜合考慮以上因素推薦射流清管器最優(yōu)旁通率為30%～32%。

關(guān)鍵詞：天然氣；管道；清管；射流；旁通率

中圖分類號：TE832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0124-04

Optimization of bypass rate of jet pig for natural gas pipeline

SHI Hongtu，SUN Lin

（1.JUTI Group （Jiangsu） Safety Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing 211112，China

）

Abstract：The jet pig can blow away the downstream liquid plug to reduce the impact on the equipment，and the analysis of the influence of the bypass rate on the pigging process can effectively improve the jet blowing ability.The jet pig model was established by using OLGA，and the influence of the bypass rate on the pigging characteristics of the pig was analyzed.The results show that when the bypass rate is higher than 22%，the operation speed fluctuation of the pig is small，and remains in the range of 2 m/s to 3 m/s，and the operation is stable.The recommended bypass rate is 22% to 34 %.When the bypass rate of the pig is higher than 24%，although the liquid volume surge phase becomes shorter，the change is not significant，and the recommended bypass rate is 24% to 32%.The maximum terminal slug volume decreases first and then increases with the increase of the bypass rate.The maximum terminal slug volume decreases to the lowest point when the bypass rate is 30% and 32%.The recommended bypass rate is 30% to 32%.When the bypass rate is higher than 24% and continues to increase，the maximum flow rate of the terminal liquid slug and the maximum number of slugs will decrease slightly，and the recommended bypass rate is 24% to 32%.Considering the above factors comprehensively，it is recommended that the optimal bypass rate of the jet pig is 30% to 32%.

Key words：natural gas;pipeline;pigging; jet flow;bypass rate

天然氣管道在運(yùn)行過程中，低溫高壓環(huán)境促使管道內(nèi)析出水和液態(tài)烴，大量液體積聚在低洼處使天然氣流通面積減小，降低輸送效率，嚴(yán)重時(shí)堵塞管道造成安全事故［1-3］。為保障天然氣正常輸送，油田公司對管道定期清管［4-5］。傳統(tǒng)清管器采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，依靠前后端壓差向前運(yùn)動，其下游位置慢慢積累越來越多的液體，當(dāng)運(yùn)動到管道出口位置時(shí)，清管器下游大量液體瞬間進(jìn)入分離器，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出分離器正常工作負(fù)荷，造成設(shè)備損壞，另一方面大量液體在管道出口噴射進(jìn)入分離器，強(qiáng)烈的沖擊造成設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件損壞［6-8］。為解決傳統(tǒng)清管器下游積液嚴(yán)重的問題，國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了新型射流清管器，將傳統(tǒng)清管器內(nèi)部實(shí)心結(jié)構(gòu)改為中心射流孔形式，天然氣從中心孔射流噴射至清管器下游，吹散下游積液，降低積液量，使液體平緩進(jìn)入分離器［9-11］。中心射流孔的開口大小是射流清管器的重要參數(shù)之一，直接影響天然氣射流效果和液塞吹散能力，通常采用旁通率表示射流孔開口大小，即射流孔開口面積占射流清管器橫截面積的比值［12-16］。目前對管道清管的研究多集中在清管周期和方案的制定方面，對清管過程穩(wěn)定性和旁通率優(yōu)化的研究較少［17-20］。本文采用OLGA軟件建立了射流清管器模型，以渤海某氣田天然氣凝析液管道為研究對象，分析了旁通率變化對清管過程的影響，確定了射流清管器的最優(yōu)旁通率。

1 射流清管模型建立

渤海某氣田天然氣凝析液管道管徑為DN400，流量為84.2 kg/s，壓力為6 MPa，溫度為30 ℃，海洋水溫為0～12 ℃，天然氣采出后通過爬坡管道和立管進(jìn)入淺水平臺，管道路由如圖1所示。天然氣組分中，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.48%，乙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.75%，丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.97%，異丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.60%，正丁烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.32%，戊烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.40%，二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.35%，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.14%。

采用OLGA軟件建立射流清管器模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，天然氣通過鋼軸中心的射流孔向下游噴射，射流孔開口面積與射流清管器橫截面積之比為旁通率，旁通率的大小直接影響天然氣對下游液塞的吹散能力。采用pig-trackslug-comp模型，清管器與管壁間摩擦力設(shè)置為1 000 N·s/m，清管器和管壁間液膜速度項(xiàng)摩擦因子為1 000 N·s/m，清管器和管壁間液膜二次速度項(xiàng)摩擦因子為100 N·s/m，清管器質(zhì)量為140 kg，發(fā)射時(shí)間設(shè)置為300 s時(shí)刻，旁通率采用泄漏因數(shù)來表示，變化范圍為16%至34%，變化梯度為2%，分析不同旁通率下清管器運(yùn)行速度、終端段塞量、不同位置管道壓力和流型的變化規(guī)律。

2 射流清管旁通率優(yōu)化

2.1 旁通率對清管器速度的影響

改變旁通率得到射流清管器運(yùn)行速度變化趨勢，如圖3所示。

GB50350-2015《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定清管速度應(yīng)在2～7 m/s，由圖3可知，當(dāng)清管器旁通率為0%時(shí)，即傳統(tǒng)實(shí)心結(jié)構(gòu)的清管器，清管運(yùn)行速度在7～8 m/s，超出國標(biāo)規(guī)定的最優(yōu)運(yùn)行速度區(qū)間，速度過快會沖擊損壞彎管等零構(gòu)件，造成內(nèi)部流體流動不穩(wěn)定。當(dāng)旁通率0%清管器到達(dá)管道出口時(shí)，運(yùn)行速度急劇升高至18.5 m/s，高速的沖擊對終端分離設(shè)備產(chǎn)生較大的破壞力。當(dāng)旁通率升高至16%后，清管器運(yùn)行速度顯著下降至7 m/s以下，滿足國標(biāo)要求，且清管器在管道出口處的噴射速度也大幅降低至7 m/s以下，主要原因是部分天然氣通過清管器中心射流孔向下游噴射，降低了清管器兩端的壓差，清管器推動力降低促使運(yùn)行速度下降。但旁通率為16%～22%時(shí)，清管器運(yùn)行速度波動較大，波動幅度在4～5 m/s，運(yùn)行非常不穩(wěn)定，影響清管效果，威脅管道運(yùn)行安全，其主要原因：管道路由由斜坡和立管組成，天然氣推動清管器向上爬坡，射流孔較小時(shí)對清管器下游液塞吹散能力不夠，積聚在清管器出口的液塞會使天然氣憋壓，此時(shí)清管器運(yùn)行速度相對較高，當(dāng)天然氣向外噴射泄壓時(shí)，清管器運(yùn)行速度降低，此過程反復(fù)循環(huán)導(dǎo)致清管器速度大幅波動。當(dāng)旁通率高于22%時(shí)，清管器運(yùn)行速度波動幅度較小，且保持在2 ～3 m/s，運(yùn)行穩(wěn)定，在管道出口處噴射速度也在7 m/s以下，對下游分離器的沖擊較小。因此，考慮運(yùn)行穩(wěn)定性，推薦射流清管器旁通率為22%～34%。

2.2 旁通率對終端積液量的影響

改變旁通率得到終端液量變化趨勢，如圖4所示。

由圖4可知，終端液量變化分為3個(gè)階段，即液量緩增初始階段、液量激增階段和液量緩增結(jié)束階段，其中，在液量激增階段，終端分離器短時(shí)間內(nèi)需要接收大量液體，運(yùn)行負(fù)荷急劇升高甚至導(dǎo)致設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行，時(shí)間過長不僅會導(dǎo)致設(shè)備處理效率下降，而且會造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格。當(dāng)旁通率為0%時(shí)，大量液塞積聚在清管器下游，清管器運(yùn)行速度較大，短時(shí)間內(nèi)清管器將大量液塞推動至管道出口，終端液量激增幅度較大，極易導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行甚至損壞。當(dāng)旁通率為16%和18%時(shí)，終端液量不存在液量激增階段，但清管器運(yùn)行速度波動幅度較大，流動不穩(wěn)定威脅管道安全，故不考慮這兩種旁通率。隨著清管器旁通率增加至20%以上，清管器運(yùn)行速度變小，天然氣通過射流孔吹散清管器下游液塞，液體量向外流出的時(shí)間變長，液量激增階段逐漸變短且向后推移。當(dāng)清管器旁通率高于24%時(shí)，雖然液量激增階段變短但變化不大。因此，考慮終端液量變化，推薦射流清管器旁通率為24%～32%。

2.3 旁通率對終端段塞量的影響

改變旁通率得到終端段塞量變化趨勢，如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)旁通率為0%時(shí)，清管器運(yùn)行至管道出口處時(shí)，終端液塞量急劇升高至62.7 m3，主要原因是傳統(tǒng)清管器的實(shí)心結(jié)構(gòu)導(dǎo)致清管器下游積聚大量的液塞。當(dāng)旁通率為16%和18%時(shí)，雖然液塞量較小，但是清管器速度波動幅度較大運(yùn)行不穩(wěn)定，故不考慮這兩種旁通率。當(dāng)旁通率高于20%繼續(xù)增大時(shí)，最大終端段塞量逐漸降低后再次升高，旁通率為30%和32%對應(yīng)最大終端段塞量降低至最低點(diǎn)，其主要原因是，當(dāng)旁通率升高時(shí)，更多的天然氣通過射流孔向清管器下游噴射，對下游段塞的吹散能力升高，液塞量降低，當(dāng)旁通率過高時(shí)，雖然天然氣的噴射量增大，但由于射流孔孔徑過大，對天然氣的壓縮射流效果降低，天然氣對下游段塞的吹散能力反而降低，液塞量再次升高。因此，考慮終端液塞量變化，推薦射流清管器旁通率為30%～32%。

2.4 旁通率對終端液塞流量的影響

改變旁通率得到終端液塞流量的變化趨勢，如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)旁通率為0%時(shí)，管道出口處終端液塞最大流量高達(dá)804.3 kg/s，當(dāng)旁通率升高至16%時(shí)，管道出口處終端液塞最大流量有效降低至93.7 kg/s。隨著旁通率的升高，終端液塞最大流量有所降低，其主要原因是天然氣將液塞吹散成為平緩、厚度較薄、長度較長的分層流，對終端分離器的沖擊明顯變小，有效降低分離器的工作負(fù)荷。當(dāng)旁通率高于24%繼續(xù)增大時(shí)，雖然終端液塞最大流量降低但降低幅度較小，主要原因是旁通率增大雖然促使天然氣射流量增大，但壓縮射流效果變?nèi)?，對下游液塞吹散能力有限，終端液塞最大流量變化較小。因此，考慮終端液塞流量變化，推薦射流清管器旁通率為24%～32%。

2.5 旁通率對段塞個(gè)數(shù)的影響

改變旁通率得到管道沿程段塞個(gè)數(shù)的變化趨勢，如圖7所示。

由圖7可知，隨著旁通率的增加，管道內(nèi)段塞個(gè)數(shù)逐漸降低。當(dāng)旁通率為16%和18%時(shí)，管道內(nèi)段塞最大個(gè)數(shù)達(dá)到1 586個(gè)和1 525個(gè)。當(dāng)旁通率由18%繼續(xù)增至20%時(shí)，管道內(nèi)段塞最大個(gè)數(shù)大幅降低至553個(gè)。當(dāng)旁通率由20%繼續(xù)增加至22%時(shí)，管道內(nèi)段塞最大個(gè)數(shù)大幅降低至261個(gè)。當(dāng)旁通率由22%繼續(xù)增加至24%時(shí)，管道內(nèi)段塞最大個(gè)數(shù)降低至86個(gè)。當(dāng)旁通率由24%繼續(xù)增加時(shí)，管道內(nèi)段塞最大個(gè)數(shù)降低幅度較小。因此，考慮段塞個(gè)數(shù)變化，推薦射流清管器旁通率為24%至32%。

2.6 射流清管器旁通率綜合確定

綜上所述，考慮運(yùn)行穩(wěn)定性，推薦射流清管器旁通率為22%至34%?？紤]終端液量變化，推薦射流清管器旁通率為24%至32%?？紤]終端液塞量變化，推薦射流清管器旁通率為30%至32%?？紤]終端液塞流量和段塞個(gè)數(shù)變化，推薦射流清管器旁通率為24%至32%。因此，綜合考慮清管器速度、終端液量、終端液塞量、終端液塞流量和段塞個(gè)數(shù)變化，推薦射流清管器旁通率為30%至32%。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)旁通率高于22%時(shí)，清管器運(yùn)行速度波動幅度較小，且保持在2～3 m/s，運(yùn)行穩(wěn)定，對下游分離器的沖擊較小，推薦射流清管器旁通率為22%～34%；

（2）當(dāng)清管器旁通率高于24%時(shí)，雖然液量激增階段變短但變化不大，推薦射流清管器旁通率為24%～32%;

（3）當(dāng)旁通率高于20%繼續(xù)增大時(shí)，最大終端段塞量逐漸降低后再次升高，旁通率為30%和32%對應(yīng)最大終端段塞量降低至最低點(diǎn)，推薦射流清管器旁通率為30%～32%；

（4）當(dāng)旁通率高于24%繼續(xù)增大時(shí)，終端液塞最大流量和段塞最大個(gè)數(shù)降低幅度較小，推薦射流清管器旁通率為24%～32%；

（5）綜合考慮清管器速度、終端液量、終端液塞量、終端液塞流量和段塞個(gè)數(shù)變化，推薦射流清管器旁通率為30%～32%。

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