蘇越 李曉平 孟凡華 陳磊 薛楊

1中國石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室

2中國石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開采先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)基地

天然氣管道在輸送過程中，伴隨著地形的起伏以及壓力和溫度的降低，管道中會(huì)形成積液。管線中的積液量隨著時(shí)間的增長會(huì)逐漸增大，從而占據(jù)管道截面的輸氣面積，增大管道的流動(dòng)阻力，從而降低管道的輸氣能力[1-3]，且在一定的低溫下會(huì)形成水合物，造成冰堵事故的發(fā)生[4]。因此，管線中的積液必須及時(shí)清除，而如何確定清管周期則是一個(gè)關(guān)鍵的問題。

目前決定管線的清管周期有3個(gè)因素，分別是管線的最大允許壓降、最大允許積液量和最小輸氣效率[5]。

（1）最大允許壓降是針對(duì)某些管線進(jìn)口壓力過大時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)的停機(jī)，因此規(guī)定了進(jìn)口的最大壓力。

（2）最大允許積液量則是有些管線下游會(huì)裝有捕集器，如果積液量大于捕集器的最大容量，則必須進(jìn)行清管作業(yè)，對(duì)于沒有安裝捕集器的管線，一般無此要求。

（3）輸氣效率則是根據(jù)管道運(yùn)行過程中的具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果，一般規(guī)定當(dāng)輸氣效率小于90%時(shí)，需要進(jìn)行清管[6]。

輸氣效率在流量、溫度等物理參數(shù)保持不變的情況下，從本質(zhì)上來說也是通過進(jìn)出口壓力計(jì)算得到的，因此在同時(shí)規(guī)定了管線最大允許壓降的情況下，要對(duì)比最小輸氣效率下的壓降與最大允許壓降，較低的則作為判定清管周期的依據(jù)。對(duì)于有積液生成的管線，壓降的升高主要也是由于積液量的增大而引起的，所以當(dāng)輸氣效率降低到清管標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也會(huì)對(duì)應(yīng)著一個(gè)最大允許積液量，同樣需要與捕集器的最大處理量進(jìn)行比較來判定是否需要清管。這三個(gè)判斷條件相互耦合，并不是獨(dú)立判斷清管周期的條件。有些管道沒有安裝捕集器或者造成壓縮機(jī)停機(jī)的壓力遠(yuǎn)大于管線運(yùn)行時(shí)的進(jìn)口壓力，這時(shí)管線的輸氣效率則是判斷是否清管的最主要因素。而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，管道的實(shí)際輸量可能遠(yuǎn)小于規(guī)定的實(shí)際輸量，使得輸氣效率遠(yuǎn)低于90%，為了避免頻繁清管，此時(shí)的最小輸氣效率還需根據(jù)生產(chǎn)情況決定[7-11]。

1 輸氣效率的計(jì)算

輸氣效率E是反映輸氣管道臟度的一個(gè)物理量，表明了實(shí)際運(yùn)行情況偏離理想計(jì)算條件的程度。美國Panhandle 和前蘇聯(lián)天然氣研究所后期研究公式中均引入了輸氣效率的計(jì)算公式，其基本計(jì)算公式為[12-15]

式中：E為輸氣效率；Q為管線在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（壓力p0=101 325 Pa，溫度T0=293 K）的實(shí)際輸量；Qr為管線在標(biāo)況下的設(shè)計(jì)輸量，也就是通過理論計(jì)算得到的輸量。

在等溫穩(wěn)態(tài)且考慮高程差的情況下，輸氣管線的設(shè)計(jì)輸量計(jì)算公式為

式中：pQ是管道起點(diǎn)的絕對(duì)壓力，Pa；pz是管道終點(diǎn)的絕對(duì)壓力，Pa；D為管道內(nèi)徑，m；λ為水力摩阻系數(shù)；Z為天然氣在管段平均溫度壓力下的壓縮因子；Δ 為天然氣的相對(duì)密度；T為管線運(yùn)行時(shí)的平均溫度，K；L為所取管段長度，m；sz為管道終點(diǎn)與起點(diǎn)的高程差，m；si為第i段管道終點(diǎn)的高程，m；li為第i段管道的長度，m；常數(shù)C0=0.038 48。

摩阻系數(shù)λ的計(jì)算公式多種多樣，由于輸氣管道輸氣過程中氣體的流態(tài)大多處于紊流區(qū)，因此選用針對(duì)紊流計(jì)算精度較高的C-W 公式，大量的現(xiàn)場實(shí)測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都證明了該公式的準(zhǔn)確性[13-14]。C-W公式為

式中：ε為管壁的絕對(duì)粗糙度，mm；Re為雷諾數(shù)。

氣體的相對(duì)密度Δ 為氣體的密度與干空氣密度的比值，其表達(dá)式為

式中：ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣密度，取值為1.237 kg/m3；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的天然氣密度，通過BWRS方程進(jìn)行迭代求解。

由于摩阻系數(shù)λ的計(jì)算公式是一個(gè)隱式方程，同樣需要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行迭代求解，因此采用JAVA語言進(jìn)行編程，程序框圖如圖1所示。

2 不同輸量管線積液情況分析

通過OLGA軟件模擬出有積液生成之后的壓降變化，計(jì)算出在該壓降下的理論輸氣量，并與實(shí)際輸氣量對(duì)比計(jì)算出輸氣效率，從而判斷是否需要清管。為了對(duì)比輸量大小對(duì)積液情況的影響，對(duì)輸量較小的樊四集氣站至處理中心管線以及輸量較大的普光氣田D404～D405管線分別進(jìn)行了模擬。

圖1 計(jì)算輸氣效率的程序框圖Fig.1 Program block diagram of gas transportion efficiency calculation

2.1 長治氣田A集氣站至處理中心管線

管線輸量為217 152 m3/d（在0 ℃、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，下同），L245管線規(guī)格為355.6 mm×6.3 mm，全長10.04 km，最高點(diǎn)海拔756 m，最低點(diǎn)海拔650 m。管道的走勢如圖2所示。

圖2 樊四至處理中心管線路由圖Fig.2 Routing map from Fansi Gas Collection Station to the processing center

氣體組分以甲烷為主，平均含量達(dá)到98.94%，其次含少量CO2和N2，不含H2S，相對(duì)密度為0.5642。具體氣體組分含量如表1所示。

該管線目前清管周期為10 天左右，管線進(jìn)口最大壓力規(guī)定不得超過1.2 MPa，未安裝液體捕集器，因此無最大允許積液量限制。

表1 樊四至處理中心管線氣體組分Tab.1 Gas composition of pipeline from Fansi Gas Collection Station to the processing center

2.2 普光氣田D404～D405管線

管線輸量為220×104m3/d，L360 管線規(guī)格為273 mm×17.5 mm，管線全長1 524 m，最高點(diǎn)海拔823.19 m，最低點(diǎn)海拔664.2 m。管線走勢如圖3所示。

圖3 普光D404～D405管線路由圖Fig.3 Routing map of Puguang D404～D405 pipeline

該管線中氣體組分含量如表2所示。

表2 普光D404～D405管線氣體組分Tab.2 Gas composition of Puguang D404～D405 pipeline

普光D404～D405管線目前清管周期在3個(gè)月至半年左右，最大進(jìn)口壓力限制在9.6 MPa。

2.3 模擬結(jié)果

管線的進(jìn)口壓力以及總積液量通過OLGA進(jìn)行模擬，輸氣效率運(yùn)用編制的程序進(jìn)行計(jì)算，其隨時(shí)間變化的結(jié)果如圖4所示。

通過對(duì)以上結(jié)果分析可知，隨著時(shí)間的增長，管線輸氣效率呈下降趨勢，而進(jìn)口壓力與總積液量均呈現(xiàn)一個(gè)上升的趨勢。對(duì)于樊四管線而言，在大約一個(gè)清管周期內(nèi)（10 天），管線的積液量持續(xù)增長，并沒有達(dá)到飽和，而輸氣效率在第10 天降至60%左右，此時(shí)由于積液的影響，管線的輸氣能力偏離理想狀態(tài)十分嚴(yán)重。而對(duì)于普光D404～D405管線來說，在管線運(yùn)行大約2 000 s 左右，積液量與進(jìn)口壓力就已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)平衡，此時(shí)輸氣效率也達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定值不再下降，約為97.4%。

圖5為普光D404～D405管線出口液體流量與積液量隨時(shí)間變化的關(guān)系，可以看出管線出口有液體流出的時(shí)間點(diǎn)跟管線內(nèi)積液達(dá)到平衡的時(shí)間點(diǎn)基本一致，所以可以認(rèn)為，當(dāng)該管線出口有液體流出時(shí)，該管線內(nèi)的積液就不再增加，也就是說普光D404～D405管線積液沒有進(jìn)一步堆積的過程。

圖4 管線進(jìn)口壓力、總積液量及輸氣效率隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of inlet pressure，total volume of fluid and gas delivery efficiency with time

圖5 普光D404～D405管線積液量以及出口液相流量隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes of liquid loading and liquid flow at outlet with time in Puguang D404～D405 pipeline

兩條管線在積液分布上也存在很大的差異，如圖6所示。

圖6 管線積液分布情況Fig.6 Distribution of liquid loading of pipeline

從管線積液的分布情況可以看出，樊四管線的積液堆積在三個(gè)上傾處，最大持液率能夠達(dá)到0.28左右。普光D404～D405 管線積液幾乎平鋪在整條管線上，且最大持液率僅有0.002 2 左右。根據(jù)以上的分析可以認(rèn)為，普光D404～D405 管線僅僅會(huì)在管壁上形成一層很薄的液膜，并沒有積液的形成。

普光D404～D405 管線這種迅速平衡的情況并不意味著完全不需要清管，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，當(dāng)管線進(jìn)口壓力達(dá)到9.5 MPa 時(shí)，仍要進(jìn)行清管，而根據(jù)OLGA 的模擬，管線進(jìn)口最終壓力僅平衡在9.16 MPa，之后不會(huì)繼續(xù)上升，所以一定有積液之外的因素影響使得壓力繼續(xù)升高，可能是管線腐蝕，或是固體雜質(zhì)的沉降，統(tǒng)一將其視為管壁當(dāng)量粗糙度變大[15-16]。對(duì)于這種輸量較大，沒有積液持續(xù)堆積的管線來說，積液量不會(huì)成為影響輸氣效率的最關(guān)鍵的因素。

3 積液形成臨界流量的計(jì)算

根據(jù)以上模擬分析的結(jié)果可知，兩條管線的積液情況有著很大的差異，樊四至處理中心管線積液嚴(yán)重，對(duì)管線的輸氣效率影響很大，而普光D404～D405管線幾乎不受積液的影響。為了驗(yàn)證輸量是造成兩條管線差異的最主要因素，將運(yùn)行10天的樊四至處理中心管線輸量由原先的217 152 m3/d提升至2 000 000 m3/d，并在運(yùn)行1 h 后恢復(fù)輸量，其積液量隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 提升輸量后樊四管線的積液量隨時(shí)間變化Fig.7 Liquid loading change of Fansi Pipeline with time after lifting throughout

提升輸量后，管線的總積液量迅速降為0，恢復(fù)輸量后，積液量又繼續(xù)增加，且增大的趨勢與前10 天的趨勢一致。根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為，對(duì)于積液嚴(yán)重的管線，提升輸量對(duì)管線積液進(jìn)行吹掃是一個(gè)有效的清除手段。

由于增大輸量的過程會(huì)造成管線進(jìn)口壓力的升高，對(duì)壓縮機(jī)等設(shè)備存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須尋求一個(gè)能剛好將積液排出的臨界流量。根據(jù)積液分布的模擬結(jié)果可知，若管線內(nèi)沒有積液，那么當(dāng)管線的積液平衡時(shí)，液相必然平鋪在管線上，無段塞流形成。因此將起伏管線中無段塞流形成的臨界流量視為無積液形成的臨界流量。劉曉倩等[17]在FLAT 模型的基礎(chǔ)上給出了在氣體流量不變時(shí)臨界傾角的計(jì)算公式，如果將整條管線中最大的傾角視為臨界傾角，此時(shí)求出的氣體流量就為臨界氣體流量。

起伏管道中形成段塞流的臨界條件如下：

以Taitel和Dukler的分層流模型（簡稱FLAT模型）為假設(shè)基礎(chǔ)，該模型認(rèn)為氣液相界面為同一水平面[18]，如圖8所示。

圖8 FLAT分層流模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of FLAT layered flow model

基于FLAT模型的持液率計(jì)算公式為

根據(jù)公式可知，求解該模型還需要已知?dú)怏w密度ρg和液面高度hl。其中氣體密度ρg可以通過BWRS 進(jìn)行迭代求解，液面高度hl通過Taitel-Dukler 方程迭代求解。最終將氣體密度ρg和液面高度hl代入公式中即可求出積液形成的臨界流量[19-20]。

運(yùn)用OLGA軟件對(duì)樊四至處理中心管線運(yùn)行10天后輸量提升至計(jì)算出的臨界流量，并同時(shí)對(duì)增大和減小10%的臨界流量進(jìn)行模擬，其總積液量隨時(shí)間的變化如圖9所示。

圖9 臨界流量下的總積液量變化Fig.9 Change of total liquid loading under critical flow rate

根據(jù)模擬結(jié)果可知，在該臨界流量下，可以有效地將管線中的積液吹掃排空，可以視為達(dá)到了清管的目的，在臨界流量下仍會(huì)有部分液體殘留在管線中，但是此時(shí)不會(huì)形成段塞流，使得管線的輸氣效率大幅度下降。若將流量提升10%，管線內(nèi)積液幾乎全部排出，但是此時(shí)會(huì)伴隨著壓力的增大，如果在該壓力下不會(huì)造成壓縮機(jī)停機(jī)或其他儀器設(shè)備的損壞，可以適當(dāng)將流量增大；而在臨界流量減少10%的情況下，積液仍有部分剩余，無法達(dá)到清管的目的。

4 結(jié)論

利用OLGA軟件對(duì)輸量較小的樊四至處理中心管線和輸量較大的普光D404～D405 管線進(jìn)行了模擬分析，并且利用JAVA語言編制了計(jì)算輸氣效率的程序，認(rèn)為氣體流量的不同是影響管線內(nèi)是否積液的最主要因素，并且最終給出了臨界流量的計(jì)算公式。

（1）對(duì)于流量較大的管線，管線內(nèi)的積液不會(huì)一直呈現(xiàn)上升趨勢，且達(dá)到平衡時(shí)間較快，如果最終平衡時(shí)管線的實(shí)際輸量與理論輸量接近，持液率很低且不存在段塞流的話，認(rèn)為管線沒有明顯的積液形成。

（2）對(duì)于有積液形成的管線，提升輸量后可以有效地將積液吹掃出來，是一種有效的清管手段。

（3）由于提升輸量會(huì)造成管線的壓力臨時(shí)升高，容易對(duì)壓縮機(jī)等儀器造成破壞，因此需要求出一個(gè)臨界流量來進(jìn)行清管。認(rèn)為管線中無段塞流形成為無積液形成的臨界條件，給出了具體的臨界流量的計(jì)算公式，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。