劉碩

[摘 要]油田開(kāi)發(fā)中，集輸管道應(yīng)用較為廣泛，也是主要的耗能部分之一，提升集輸管道效率是降低系統(tǒng)能耗的一個(gè)重要方法。本文是合理的方法來(lái)計(jì)算管道效率，對(duì)溫降和壓降計(jì)算方法展開(kāi)分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行探討。

[關(guān)鍵詞]集輸管道 溫降 壓降

中圖分類(lèi)號(hào)：S713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）06-0121-01

通常油田輸送管網(wǎng)的投資約占地面總投資的三分之一，輸送能耗約占生產(chǎn)總能耗的五分之二，因此研究油氣水混合液在管網(wǎng)中的流動(dòng)規(guī)律，特別是預(yù)測(cè)其壓降，對(duì)油田集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行管理有重要意義。本文主要是從管道效率入手，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和影響因素探討。

1、管道效率分析方法

目前對(duì)熱油管道效率的評(píng)價(jià)通常以單耗（kJ/t·km）和管效（末端能量/起點(diǎn)能量）作為指標(biāo)，來(lái)判斷熱油管道儲(chǔ)能能力的高低。舊指標(biāo)存在的問(wèn)題是各油井采出液的特性參數(shù)相差較大，流體特性參數(shù)的差異原本就會(huì)造成運(yùn)動(dòng)流體在管道內(nèi)具有不同的流型，進(jìn)而有不同的單耗。單耗和管效只能反應(yīng)能量損失的多少，不能反應(yīng)管道本身運(yùn)行效率的高低，因此舊指標(biāo)不能合理地評(píng)價(jià)管道的運(yùn)行效率。為合理分析管道，可通過(guò)理論對(duì)比分析法及其判斷標(biāo)準(zhǔn)：先由管道運(yùn)行工況和流體特性參數(shù)，按照管道設(shè)計(jì)條件，通過(guò)水力、熱力計(jì)算得到理論損耗E理論，再由實(shí)際損耗E實(shí)際與E理論的比值N來(lái)判定稠油集輸管道效率的高低。N<1.2時(shí)：管道運(yùn)行效率較高，能量損失較??；N>1.2時(shí)：管道運(yùn)行效率較低，需要清管或加強(qiáng)保溫效果。

采用N來(lái)判定管道效率高低的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)量綱化處理后，排除了管徑、流量、粘度等差異對(duì)各管道流體能量損失的影響，能真實(shí)地反應(yīng)管道的保溫效果和內(nèi)部水力摩阻大小。該判斷分析方法的難點(diǎn)是需要對(duì)油、水兩相或油、氣、水三相混輸管路進(jìn)行壓降和溫降計(jì)算，這也是影響理論對(duì)比分析法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2、溫降、壓降計(jì)算

稠油集輸管道效率評(píng)價(jià)和能耗數(shù)學(xué)模型的建立必須以管道內(nèi)多相流的水力熱力計(jì)算為基礎(chǔ)，需選擇合適的多相管流壓降、溫降計(jì)算模型，以提高計(jì)算精度，進(jìn)而準(zhǔn)確地分析管道的運(yùn)行狀況。多相流溫降計(jì)算主要受沿程壓降和周?chē)貙迎h(huán)境傳熱性的影響，同時(shí)溫降計(jì)算也是壓降計(jì)算的基礎(chǔ)。本文的溫降計(jì)算模型采用多相流溫降公式，該公式同時(shí)考慮了焦耳-湯姆遜效應(yīng)和液體的摩擦熱效應(yīng)，較其它方法具有更高的精度；并在傾斜管路中用持液率代替質(zhì)量含氣率，以獲得更精確解。溫降計(jì)算模型如下：

Tz———長(zhǎng)為L(zhǎng)的混輸管道終點(diǎn)溫度，K；

TR———長(zhǎng)為L(zhǎng)的混輸管道起點(diǎn)溫度，K；

T0———混輸管道周?chē)貙迎h(huán)境溫度，K；

k———管道傳熱系數(shù)，W/m2·℃；

Di———焦耳-湯姆遜系數(shù)，本文根據(jù)俄羅斯公式求解；

Hl（β）———管道傾角為β時(shí)的持液率。

地面集輸管道大都存在高程差，壓降計(jì)算采用傾斜氣液兩相管流常用的Beggs&Brill關(guān)系式。該式綜合考慮了摩阻壓力梯度、位差壓力梯度和加速壓力梯度，并對(duì)分離流動(dòng)、間歇流動(dòng)和分散流動(dòng)建立了不同的持液率相關(guān)規(guī)律計(jì)算式。影響精度的關(guān)鍵是持液率和沿程阻力系數(shù)的計(jì)算。詳細(xì)計(jì)算式參考相關(guān)文獻(xiàn)。

利用Beggs&Brill關(guān)系式計(jì)算壓降需要在溫降計(jì)算的基礎(chǔ)上求得介質(zhì)熱物性參數(shù)，如原油體積系數(shù)，氣相壓縮系數(shù)，混合物的密度、粘度等。因此多相管流的壓降、溫降計(jì)算需要迭代求解。在管道節(jié)能運(yùn)行研究，管道節(jié)能研究的手段是通過(guò)數(shù)值模擬確定集輸管道最佳運(yùn)行參數(shù)。具體方法是通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)反算出管道的傳熱系數(shù)和內(nèi)部阻力系數(shù)，然后以起點(diǎn)溫度（可變量）和終點(diǎn)壓力（定值）為約束條件，根據(jù)水力熱力計(jì)算，得到起點(diǎn)的溫度壓力與單耗和管效的曲線。在可行域內(nèi)尋求能耗最小時(shí)的起點(diǎn)溫度和起點(diǎn)壓力。

3、溫降、壓降的影響因素

油氣水多相流管道溫降是油氣集輸系統(tǒng)運(yùn)行管理的關(guān)鍵參數(shù)，其主要影響因素有管長(zhǎng)，管徑，管道埋深，管道保溫狀況熱阻，產(chǎn)液量，產(chǎn)氣量，含水率，土壤物性，起點(diǎn)溫度等。溫降隨著產(chǎn)氣量的增加逐漸變小，但趨勢(shì)較緩；隨含水率的增加略有減小，影響很小；隨起始溫度的增加而增加，近似直線；隨管長(zhǎng)的增加而增加，近似直線；隨管徑的增加而增加，影響很小；隨管道埋深增加而減??；隨管道保溫狀況即熱阻的增加而減??；降隨土壤導(dǎo)溫系數(shù)的增加略有增加，影響很?。浑S土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加。在對(duì)影響因素進(jìn)行分析時(shí)可定性地找出油氣水混輸管道溫降的主要影響因素。

在壓降計(jì)算過(guò)程中，影響壓降的因素包括溫度、管道相對(duì)粗糙度、氣液相流量、管徑等。溫度的變化將影響氣液相的粘度、密度和摩阻系數(shù)。隨著溫度升高，壓降不斷減小。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)粘度高的混輸管道來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)壓降的影響顯著。尤其對(duì)于高粘、長(zhǎng)距離管道，這一影響更加顯著。但是在油氣混輸管路中，過(guò)高的溫度會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用和絕熱材料的損耗。性特點(diǎn)將輸送溫度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

在各個(gè)工況條件下，考慮了粗糙度的計(jì)算壓降均大于不考慮粗糙度的計(jì)算壓降。其中部分工況下，不考慮粗糙度時(shí)的壓降僅為考慮粗糙度時(shí)壓降的60%。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)油性、油氣比、管徑、管長(zhǎng)等條件進(jìn)行必要的分析研究，確定應(yīng)該采用的粗糙度計(jì)算模式。另外，管路粗糙度對(duì)壓降的影響與壓降計(jì)算模型的選擇有關(guān)，不同的壓降計(jì)算模型得出的結(jié)果差異也較大。

在油氣混輸管路中，氣體量不同將直接影響到壓力的變化，對(duì)于特定的管道來(lái)說(shuō)，存在使壓降最小的氣液比。高粘原油某一氣液比下存在著一個(gè)最小的壓降，而低粘原油不存在著此情況。對(duì)于高粘原油，在一定范圍內(nèi)，隨著氣體流量的增加，壓降有所增加，但增加幅度低于低粘原油混輸管道。液量變化對(duì)壓降影響較大，液量越多，輸送摩阻就越大，需要較多的能量推動(dòng)滯留的液體和克服粘滯阻力，故使壓降增加。在實(shí)際管道運(yùn)行中，應(yīng)多次測(cè)量運(yùn)行數(shù)據(jù)，在保證輸送效率的情況下，計(jì)算出一個(gè)最佳的液體輸量。

在油氣混輸中，管徑變化是影響壓降最顯著和最直接的因素。無(wú)論輸送任何流體，靠增加管徑來(lái)提高輸量，降低壓降，都是十分有效的方法。但管徑的增加會(huì)引起工程的投資增加，同時(shí)可能造成熱損失增大。而管徑過(guò)小，將使壓降升高，對(duì)增壓設(shè)備要求高，使操作費(fèi)用增加，總經(jīng)濟(jì)效益下降。要獲得最有利的管徑，需要結(jié)合輸量、溫度等參數(shù)進(jìn)行全面的評(píng)估。

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