輸氣管道清管器運(yùn)行速度研究*

楊宏偉 劉方

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司

管道輸送天然氣是目前業(yè)內(nèi)達(dá)成共識(shí)的最為經(jīng)濟(jì)高效和安全的輸送方式。為確保輸氣管道的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，定期對(duì)管道進(jìn)行清污、除垢和檢測(cè)等清管維護(hù)作業(yè)已成為必要的作業(yè)流程。決定管道清管作業(yè)成功與否的關(guān)鍵要素之一是清管器的運(yùn)行速度，在滿足規(guī)范且穩(wěn)定運(yùn)行的速度下，清管器清管效率最高，過(guò)高或過(guò)低的速度都不利于清管作業(yè)，甚至存在嚴(yán)重的安全隱患[1]。

清管器的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自管道輸送介質(zhì)前后壓差的推動(dòng)力，受管道內(nèi)部雜質(zhì)狀態(tài)、管道沿線高程變化、管道自身運(yùn)行壓力及流量波動(dòng)的影響，清管器的運(yùn)行速度很難趨于穩(wěn)定。對(duì)于長(zhǎng)輸天然氣管道來(lái)說(shuō)，若無(wú)法掌握、調(diào)節(jié)清管器運(yùn)行速度，則必須采取相應(yīng)措施才可進(jìn)行清管作業(yè)，由此造成巨大的經(jīng)濟(jì)投入[2-3]。因此，清管器速度的提前預(yù)判與跟蹤對(duì)于管道的清管維護(hù)作業(yè)尤為重要。

1 清管器運(yùn)行速度研究進(jìn)展

清管作業(yè)是指利用清管器對(duì)輸氣管道進(jìn)行定期清管，是天然氣管道投產(chǎn)和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要工作，分為常規(guī)清管和智能清管兩種。常規(guī)清管通過(guò)發(fā)射清管器清除管道中的液態(tài)水、泥沙、污液、腐蝕產(chǎn)物和泡沫清管器碎片等，避免管道堵塞，降低摩阻損失，減少設(shè)備磨蝕。智能清管是指在常規(guī)清管的基礎(chǔ)上利用變形檢測(cè)器和漏磁腐蝕檢測(cè)器全面了解管道內(nèi)部情況，掌握管道內(nèi)外金屬缺失、變形情況，評(píng)價(jià)管線腐蝕狀況[4-5]。

清管作業(yè)的質(zhì)量取決于清管器的類型、控制運(yùn)行的速度和推動(dòng)介質(zhì)的壓力。通常，若想獲得較好的清管效果，清管器在管道中應(yīng)以接近恒定的速度運(yùn)行[6]，速度太快或太慢都不利于清管作業(yè)。目前，清管器樣式很多，對(duì)清管器的性能、運(yùn)行速度及所需的驅(qū)動(dòng)壓力的研究往往憑借經(jīng)驗(yàn)，具有一定的不確定性[7]。國(guó)內(nèi)對(duì)于天然氣管道清管器的相關(guān)研究還處于發(fā)展階段，業(yè)內(nèi)采用的清管器運(yùn)行速度計(jì)算方法主要有SY/T 5922—2012《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）推薦的公式估算、經(jīng)驗(yàn)數(shù)值求解及模擬仿真三類。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范推薦公式求解

清管器的速度采用以下公式估算[8]：

根據(jù)規(guī)范要求，普通清管作業(yè)清管器的運(yùn)行速度宜控制在3.5～5 m/s。

1.2 建立模型數(shù)值求解

根據(jù)清管器在輸氣管道中運(yùn)行過(guò)程的受力情況進(jìn)行受力分析，列出清管器運(yùn)行過(guò)程的守恒方程，通過(guò)邊界條件的設(shè)置進(jìn)行建模數(shù)值求解。由于這類方法對(duì)清管器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，部分邊界條件進(jìn)行了理想化處理，因此計(jì)算結(jié)果的精確度與模型的復(fù)雜程度密切相關(guān)，且模型的適用性受限較大。部分研究學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際提出了基于清管過(guò)程各影響因素的數(shù)值求解方法[9-16]，但這些方法的普適性有待進(jìn)一步的工程驗(yàn)證。

1.3 水力學(xué)軟件仿真

采用成熟的具備清管器運(yùn)行仿真模塊的水力仿真軟件對(duì)清管器運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行全程仿真模擬[17-20]，可以同時(shí)對(duì)清管器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)了清管器運(yùn)行狀態(tài)全過(guò)程仿真，使計(jì)算精度及效率大大提高。但該類方法需要提前對(duì)清管狀態(tài)的運(yùn)行工況進(jìn)行輸入，前期所需輸入數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，一旦模擬工況與實(shí)際工況不符，計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生偏差。

2 清管器運(yùn)行速度計(jì)算

鑒于清管器運(yùn)行速度對(duì)清管效果的重要意義，根據(jù)規(guī)范推薦的清管器運(yùn)行速度公式對(duì)某輸氣管線清管器運(yùn)行速度進(jìn)行估算，同時(shí)采用SPS 軟件對(duì)相同運(yùn)行工況下的清管器運(yùn)行速度進(jìn)行模擬仿真，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)清管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式估算結(jié)果及仿真結(jié)果進(jìn)行校核，校核結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)清管作業(yè)提供指導(dǎo)。

2.1 規(guī)范推薦的公式估算

根據(jù)規(guī)范推薦的清管器運(yùn)行速度估算公式（公式1）對(duì)某在役天然氣外輸管線清管過(guò)程中的清管器運(yùn)行速度進(jìn)行估算。

以某輸氣管道清管過(guò)程為例（圖1）進(jìn)行研究，該輸氣管道全長(zhǎng)約98.02 km，沿線地勢(shì)平坦，忽略高程差影響，外徑406 mm，壁厚8.7 mm，管壁粗糙度0.03 mm，沿線設(shè)8 座閥室，發(fā)球站出站壓力1.57 MPa，末站壓力1.44 MPa，管線設(shè)計(jì)壓力4 MPa，采用皮碗清管器（過(guò)盈量2%）進(jìn)行清管作業(yè)。

圖1 清管器清管路線示意圖Fig.1 Schematic diagram of pigging route

通過(guò)將相關(guān)管道運(yùn)行參數(shù)代入上述計(jì)算公式得到對(duì)應(yīng)工況下不同管段清管器運(yùn)行速度（表1），由于清管期間GD3 下游分輸閥室及GD7 下游相應(yīng)分輸閥室有較為明顯的不可中斷用戶氣量下載，故GD2、GD3 與GD4～GD7 及GD8、GD9 清管器運(yùn)行速度發(fā)生較大變化。

表1 各管段清管器平均運(yùn)行速度估算Tab.1 Estimated average operating speed of pig in each pipe section m/s

2.2 SPS 仿真

2.2.1 清管器運(yùn)行速度模擬工況簡(jiǎn)介

本文選取規(guī)范推薦公式就天然氣外輸管線相同運(yùn)行工況進(jìn)行清管器運(yùn)行速度仿真計(jì)算。本算例氣源氣質(zhì)組分見(jiàn)表2。

表2 氣源氣質(zhì)組分Tab.2 Gas source components 摩爾分?jǐn)?shù)/%

2.2.2 仿真模擬分析

通過(guò)參數(shù)設(shè)置、建模采用SPS 軟件對(duì)該天然氣外輸管線清管器運(yùn)行速度進(jìn)行仿真計(jì)算，其運(yùn)行速度仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 各管段清管器運(yùn)行速度軟件仿真結(jié)果Tab.3 Software simulation results of pig operating speed in each pipe section m/s

由表3 可以看出，清管器在輸氣管道內(nèi)的運(yùn)行速度最大為4.5 m/s，穩(wěn)定運(yùn)行速度維持在1.5～3.0 m/s左右。

2.3 清管器運(yùn)行速度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在輸氣管道清管作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)清管器運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，首先需要根據(jù)前期管道調(diào)研數(shù)據(jù)設(shè)置監(jiān)測(cè)作業(yè)監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)，第一個(gè)監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)設(shè)置在發(fā)球站，最末一個(gè)監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)設(shè)置在收球站，在管線沿線的閥室、分輸站點(diǎn)分別設(shè)置監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)，然后在相應(yīng)監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)位置安裝檢測(cè)儀（磁感應(yīng)指示器）。清管過(guò)程中，清管器發(fā)出后記錄相應(yīng)時(shí)間，根據(jù)管道運(yùn)行情況，提前預(yù)判清管器理論到達(dá)各監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)的時(shí)間，監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)人員根據(jù)預(yù)判時(shí)間提前到位監(jiān)聽(tīng)，在清管器通過(guò)監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)時(shí)記錄清管器通過(guò)時(shí)間、地點(diǎn)等信息，然后結(jié)合管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算輸氣管線各管段（以閥室、分輸站點(diǎn)為界）清管器運(yùn)行的平均速度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各管段清管器平均運(yùn)行速度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.4 On-site monitoring results of pig average operation speed in each pipe section m/s

2.4 結(jié)果對(duì)比分析

將不同方式計(jì)算得到的清管器運(yùn)行速度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比匯總，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同方式計(jì)算得到的清管器運(yùn)行速度Tab.5 Pig operating speed calculated by different methods

通過(guò)對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治霭l(fā)現(xiàn)，相同工況下，軟件仿真計(jì)算得到的清管器運(yùn)行速度都較規(guī)范推薦公式估算的速度更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)運(yùn)行速度，SPS 軟件仿真結(jié)果更為精確，且能夠提供實(shí)時(shí)清管器的運(yùn)行速度，規(guī)范推薦的清管器運(yùn)行速度估算公式的結(jié)果僅可用于初步估算某段管線內(nèi)清管器的平均運(yùn)行速度，與實(shí)際運(yùn)行速度偏差較大。實(shí)時(shí)掌握清管器的運(yùn)行狀態(tài)最為可靠的做法即在清管器內(nèi)部安裝信號(hào)發(fā)射器，通過(guò)實(shí)時(shí)定位清管器的位置掌握清管器的運(yùn)行狀態(tài)，提前為前方發(fā)出預(yù)警，做好清管器的收球及清污準(zhǔn)備工作。

3 結(jié)論及建議

針對(duì)相同工況下的輸氣管線清管過(guò)程，對(duì)規(guī)范推薦公式估算法及SPS 軟件模擬仿真法的清管器運(yùn)行速度的計(jì)算及結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，SPS 軟件仿真計(jì)算得到的清管器運(yùn)行速度均較規(guī)范推薦公式估算結(jié)果更接近清管器實(shí)際監(jiān)測(cè)運(yùn)行速度，且SPS 軟件的仿真結(jié)果能夠提供清管器的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，其結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差均在10%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需要。規(guī)范推薦公式估算結(jié)果僅可粗略預(yù)判輸氣管線內(nèi)清管器的平均運(yùn)行速度，工程實(shí)際參考意義不大，建議規(guī)范推薦估算公式僅在判斷清管作業(yè)可行性的準(zhǔn)備階段使用，在制定詳細(xì)清管作業(yè)方案過(guò)程中推薦采用軟件仿真結(jié)果作為參考依據(jù)。上述方法對(duì)于清管器運(yùn)行速度的計(jì)算僅是基于一種較為理想狀態(tài)下的計(jì)算，旨在為清管作業(yè)提供參考。