喬 慧，溫 續(xù)，貢楊夢媛，張愛娟

(山東石油化工學(xué)院油氣工程學(xué)院儲運工程系，山東 東營 257000)

由于運行壓力、溫度等參數(shù)發(fā)生變化，沿線起伏的濕氣管道會在低洼段產(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消除管道內(nèi)的積液，而清管方案的設(shè)計必須以管線內(nèi)的積液發(fā)展為基礎(chǔ)[1-2]。近年來的研究成果表明，建立數(shù)值模型用于分析濕氣管線的積液規(guī)律問題具有明顯優(yōu)勢，但多數(shù)模型的完整性、可靠性和通用性等，仍需要展開進(jìn)一步的研究[3-5]。本文對實際的氣田進(jìn)行調(diào)研，以現(xiàn)場采集的數(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)展過程的預(yù)測模型，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)計輸量為40kg·s-1。根據(jù)管線的實際運行工況并結(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)及運行參數(shù)

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

表1 HZ21-1海管入口的天然氣組分

表2 管道的運行參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 投產(chǎn)工況

運用搭建好的OLGA積液模型，保持其他參數(shù)不變，研究啟動輸量分別為20、30、40、50、60kg·s-1時，對積液平衡時間和管線出口液體流量的影響規(guī)律，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。由圖1可知，啟動輸量越大，管線就會在較短的時間內(nèi)達(dá)到液體穩(wěn)定狀態(tài)。這是因為在高啟動輸量下，氣體的流速較大，攜液能力強，管線達(dá)到積液平衡時的積液量較小[6]。在高啟動輸量下，進(jìn)入管線的液體流量大，因此平衡時間會隨著啟動輸量的減小而延長。啟動輸量為20kg·s-1時，并沒有像高啟動輸量時，在啟動一段時間后積液量達(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，對管內(nèi)積液量以及出口液體流量的影響，結(jié)果見圖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 輸量變化時積液量與流量隨時間的變化情況

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達(dá)到新平衡的積液量和出口液體流量的影響。運用搭建好的OLGA積液模型，保持其他參數(shù)不變，分別采用3種增加管道輸運量的方法，并對運行情況進(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管線積液量及管線出口液體流量的影響規(guī)律，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 輸量直接提高時積液量與流量隨時間的變化情況

圖4 輸量分兩步提高時積液量與流量隨時間的變化情況

由圖3～圖5可以看出，當(dāng)以不同方式改變管線輸量時，出口液體流量會發(fā)生以下幾點變化：①管線輸量改變時，出口液體流量會迅速增大到峰值，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的時間達(dá)到了平衡，說明管線輸量的改變值越小，出口液體流量達(dá)到平衡的時間越長。③無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)到平衡時的數(shù)值是一致的[7]。

圖5 輸量分三步提高時積液量與流量隨時間的變化情況

提高管線輸量，管內(nèi)的積液量會迅速提高然后迅速減小，每改變1次管線流量，管線積液量都會達(dá)到一個峰值。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，新平衡時的積液量有所減小[8]。在實際生產(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，這時要注意管線輸量發(fā)生改變時，管徑及管材的強度是否能滿足瞬態(tài)頂峰積液量的要求。

2.3 停輸再啟動的影響

由于地勢起伏，管道停止輸送后，管道中的液體會因重力作用而聚集在管道的低洼處。管道重啟時，積存的液體很有可能會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，通過閥門的作用，對管道停運和重新啟動進(jìn)行了仿真，由此觀測管道在開啟狀態(tài)下的動態(tài)特性，并對進(jìn)入分離器的多相流特性進(jìn)行預(yù)測，從而分析在管線再啟動工況下，管內(nèi)的積液量和出口液體流量的變化趨勢。

利用OLGA中的閥門功能模擬停輸工況。在管線的起點與終點處設(shè)置2個閥門，模擬管線運行20min后閥門關(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，積液量由81.5m3降低至78.25m3，這是由于閥門關(guān)閉時，一部分液體會被氣體從管道中帶出來[11]。

停輸工況模擬在60min之后再次達(dá)到穩(wěn)定工況。再啟動工況則是在此基礎(chǔ)上延長模擬時間，在80min時將閥門打開，管道內(nèi)的流量由0kg·s-1增加至40kg·s-1，再啟動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的情況下再啟動時，管線內(nèi)積液量的變化趨勢，與管道輸量增大時相同，即由急劇上升到急劇下降。但管線出口的液體流量會突然增加到300Sm3·d-1，與輸送量穩(wěn)定時管道出口的液體流量相比，有明顯的增加。液體流量的增長太大，會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)管線再啟動時，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，是因為隨著輸量提高氣體的攜液能力增強了，從而帶出了更多的積液[15]。因此再啟動工況中，降低輸量并不能降低出口的液體流量。

圖7 18kg·s-1再啟動輸量下積液量與流量的變化情況

3 結(jié)論

本文通過模擬，得出如下結(jié)論：

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

2）當(dāng)管線輸量提高時，管線內(nèi)的積液量和出口液體流量都會增大，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，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，液體會在重力作用下重新分布。閥門關(guān)閉時，一部分積液會由氣體攜帶出管線，因此新的平衡狀態(tài)下，管線的積液量有小幅度減小。

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