賈浩民，溫立憲，呂海霞，劉佳，郝麗，尚巨龍

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

智能油化工程

清管智能管理平臺(tái)的開發(fā)與應(yīng)用

賈浩民，溫立憲，呂海霞，劉佳，郝麗，尚巨龍

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川750006）

本文通過對(duì)管線積液規(guī)律研究，建立集輸管網(wǎng)積液量計(jì)算模型；同時(shí)借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，建立氣田集輸管網(wǎng)清管智能管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集輸管線內(nèi)積液量實(shí)時(shí)計(jì)算，清管過程動(dòng)態(tài)跟蹤，清管效果科學(xué)評(píng)估，最終達(dá)到合理清管的目的。

積液量；清管智能管理平臺(tái)

清管作業(yè)作為保障管道高效平穩(wěn)運(yùn)行的重要手段得到普遍推廣，但清管實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)部分集輸管線基本無清出物或清出物過多。為了避免因清出積液量過大，造成清管收球過程中清出物排泄不及時(shí)而被帶入下游凈化設(shè)備或管線中影響生產(chǎn)運(yùn)行，同時(shí)減少不必要的人力、物力、財(cái)力浪費(fèi)和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要通過積液量的判定來實(shí)現(xiàn)定期清管變?yōu)榘葱枨骞堋?/p>

清管作業(yè)使用通過指示儀對(duì)清管過程進(jìn)行跟蹤。在清管過程中發(fā)現(xiàn)指示儀工作過程比較被動(dòng)，存在儀器信號(hào)干擾，定位準(zhǔn)確率低，監(jiān)測(cè)點(diǎn)局限，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)間滯后，卡球位置誤判率高等共性問題。

1 管線積液規(guī)律研究

通過對(duì)不同地形條件下氣液兩相管流內(nèi)流型分類及判斷，流型機(jī)理、不同流型中持液率的求解以及一些持液率計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的分析，更深入研究氣液兩相流動(dòng)的特性和規(guī)律，建立積液量計(jì)算模型，使用已有的計(jì)算管內(nèi)積液的軟件對(duì)復(fù)雜起伏管路內(nèi)的積液規(guī)律做出分析，并提出一種合理的計(jì)算方法[1]。

1.1 氣液兩相流流型的分類

1.1.1 流型分類液體和氣體在混輸管路中的流動(dòng)類型較多，主要分為分層流、分散流、間隔流等類型。

1.1.2 流型劃分由于氣液兩相流的流型直接關(guān)系到流體的能量損失機(jī)理以及各相流動(dòng)特性，因此對(duì)流型進(jìn)行劃分是進(jìn)行兩相管路工藝計(jì)算的基礎(chǔ)。主要分為水平流動(dòng)的流型、垂直流動(dòng)的流型、傾斜管中的流型。

1.2 集輸管線持液率變化規(guī)律

持液率大小間接反應(yīng)管線內(nèi)積液量大小。影響天然氣集輸管線內(nèi)積液?jiǎn)栴}的因素有很多。如：壓力、氣液相流量、輸氣管線的管徑及傾斜角度等都是制約和影響管內(nèi)積液的因素[2]。針對(duì)這些影響因素進(jìn)行以下模擬分析。

1.2.1 氣液比變化對(duì)持液率的影響固定壓力5 450 kPa，管線內(nèi)徑200 mm，氣體流量20×104m3/d。隨著氣液比的增加，管線持液率快速下降，氣液比對(duì)持液率的影響（見圖1）。

1.2.2 壓力變化對(duì)持液率的影響固定氣體流量20× 104m3/d、管徑200 mm。隨著壓力的增加[3-6]，持液率隨之增加，原因是在模擬過程中固定了氣體的流量，由于氣體的可壓縮性，隨著管線入口壓力的升高管內(nèi)的平均截面含氣率減小，截面含液率增加，使持液率增加幅度較大。壓力對(duì)持液率的影響（見圖2）。

1.2.3 管徑變化對(duì)持液率的影響固定壓力5 450 kPa，氣體流量20×104m3/d，分別對(duì)管徑200 mm，250 mm，300 mm等不同管徑水平管道內(nèi)持液率計(jì)算。隨著管徑增加，持液率呈增加的趨勢(shì)。原因是在輸氣量一定的條件下，氣相流動(dòng)空間增大使氣體流速減小，從而使氣體的攜液能力下降，相應(yīng)的持液率也就增加（見圖3）。

1.2.4 復(fù)雜起伏管持液率規(guī)律將復(fù)雜起伏管路分成幾種小型的起伏管單元[7]，然后從單個(gè)小型起伏管單元進(jìn)行分析，研究其中的規(guī)律。

（1）兩段式起伏單元：兩段式起伏管從外形結(jié)構(gòu)可分成“Λ”型和“V”型起伏管。兩種類型的起伏管結(jié)構(gòu)示意（見圖4）。

模擬條件：末端壓力5 200 kPa，管徑200 mm，氣體流量50×104m3/d。通過對(duì)α角從5°到20°每隔5°進(jìn)行一次模擬，在每一種角度中又通過管線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間高差進(jìn)行模擬（見圖5，圖6）。

由圖5，圖6中可知：同一管路傾角下，隨著起伏管高差H的增加，Λ型起伏管和V型起伏管中持液率都呈下降趨勢(shì)；通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)V型管內(nèi)持液率相比于Λ型管略高，這兩種現(xiàn)象的產(chǎn)生都與流體爬坡?lián)p失壓降有關(guān)。

圖1 氣液比變化對(duì)持液率的影響

圖2 壓力變化對(duì)持液率的影響

圖3 管線內(nèi)徑變化對(duì)持液率的影響

圖4 起伏管線“Λ”、“V”型示意圖

圖5 不同角度下Λ型管持液率隨高程差變化

圖6 不同角度下V型管持液率隨高程差變化

（2）三段式起伏管線：末端壓力5 200 kPa，管徑200 mm，氣體流量50×104m3/d。三段式與兩段式起伏管在傾角和高差影響規(guī)律是一致的，這里對(duì)三段式起伏管中的水平管對(duì)持液率的影響做出分析。通過模擬可以看出隨著水平段管長(zhǎng)的增加，整個(gè)管路的平均持液率在增大。分析原因：平均持液率隨管道水平長(zhǎng)度增加而增大說明管路中兩側(cè)的傾斜管內(nèi)持液率的平均值要小于水平段管路的平均持液率，且無論是Π型還是U型起伏管都存在這種趨勢(shì)，因此水平段的存在對(duì)管內(nèi)持液率的變化有較大影響（見圖7，圖8）。

圖7 三段式起伏管線Π、U型示意圖

圖8 水平段長(zhǎng)度對(duì)不同類型持液率的影響

1.3 持液率計(jì)算方法

持液率計(jì)算方法有很多種，通常有幾種比較簡(jiǎn)單的但應(yīng)用卻十分廣泛的持液率計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：Eaton持液率相關(guān)式、Mukherjee-Brill持液率相關(guān)式、Beggs-Brill持液率相關(guān)式、Xiao-Brill持液率相關(guān)式。

2 建立積液量計(jì)算模型

多組分天然氣體在流動(dòng)過程中,若管路內(nèi)存在氣液兩相流體，且知道兩相流管路沿程持液率，則距入口距離為L(zhǎng)x的管內(nèi)積液量可由下式計(jì)算：

其中：QLx-距入口Lx的管段內(nèi)總積液量；Lx-管線距離入口長(zhǎng)度；HL-持液率；A-管截面積。

根據(jù)管線持液率變化規(guī)律的研究和實(shí)際生產(chǎn)情況，氣體壓力、氣液比、管徑是氣田相對(duì)固定的參數(shù)，通過管線的起伏狀況選擇不同的持液率相關(guān)式，建立符合實(shí)際管線起伏狀況的積液量計(jì)算模型。

在建立積液量計(jì)算模型時(shí)，充分考慮管線的起伏狀況，通過模擬實(shí)驗(yàn)：水平管路的持液率選擇Eaton持液率相關(guān)式，上傾管路的持液率選擇Beggs-Brill相關(guān)式修正Eaton相關(guān)式，下傾管路選擇Xiao-Brill分層流相關(guān)式，最終建立符合靖邊氣田的積液量計(jì)算模型。

3 清管智能管理平臺(tái)開發(fā)

通過對(duì)管線積液變化規(guī)律的理論研究，建立靖邊氣田集輸管網(wǎng)模型，開發(fā)后臺(tái)運(yùn)行軟件，實(shí)現(xiàn)與實(shí)時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)接，開發(fā)清管智能管理平臺(tái)。

3.1 開發(fā)清管智能管理平臺(tái)

利用PipePhase軟件建立集氣站支干線管網(wǎng)模型，利用COM/Portal與Excel之間的接口，開發(fā)Excel表驅(qū)動(dòng)和操作PipePhase模型接口，并開發(fā)后臺(tái)運(yùn)行程序，利用網(wǎng)絡(luò)編程語言，開發(fā)清管智能管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)程序與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)時(shí)錄取各集氣站的基礎(chǔ)參數(shù)（溫度、壓力、流量等），再將計(jì)算結(jié)果顯示在清管智能管理平臺(tái)。

3.2 清管智能管理平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)的清管智能管理平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)四大功能：（1）清管實(shí)時(shí)預(yù)警；（2）清管動(dòng)態(tài)跟蹤；（3）清管效果評(píng)估；（4）輔助功能（集輸管網(wǎng)信息及清管資料的總結(jié)歸檔等）。

3.2.1 清管實(shí)時(shí)預(yù)警清管智能管理平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的進(jìn)氣量、前后端壓力、當(dāng)前積液量實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)管線的積液量達(dá)到設(shè)定的預(yù)警線（預(yù)警包含：一級(jí)預(yù)警，二級(jí)預(yù)警）時(shí)，自動(dòng)生成預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)清管實(shí)時(shí)預(yù)警。其中，根據(jù)下游設(shè)備的分液和排液能力，結(jié)合各處理單元不同工藝，不同管線制定不同的一、二級(jí)預(yù)警值。管線積液量二級(jí)預(yù)警后，平臺(tái)自動(dòng)生成風(fēng)險(xiǎn)消減的提示信息，要求作業(yè)人員制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施或?qū)ｍ?xiàng)的清管計(jì)劃，防止大量污水進(jìn)入下游設(shè)備和污水罐，使得清出物處于安全受控狀態(tài)。

3.2.2 清管實(shí)時(shí)跟蹤清管作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)清管器發(fā)出，點(diǎn)擊平臺(tái)的操作按鍵生成清管信息，開始清管作業(yè)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與平臺(tái)同步進(jìn)行清管。在平臺(tái)中查看清管器的運(yùn)行情況，對(duì)球體平均速度，運(yùn)行時(shí)間，是否卡球，當(dāng)前積液量等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，并且生成清管器運(yùn)行距離示意圖，實(shí)現(xiàn)清管器動(dòng)態(tài)跟蹤。

表1 支線模擬計(jì)算積液量和實(shí)際清出物對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

表2 干線模擬計(jì)算積液量和實(shí)際清出物對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

3.2.3 清管效果評(píng)估第一次清管完成后，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)獲取該管線的進(jìn)氣量、溫度、前端壓力等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成當(dāng)前管線的積液量。通過前后兩次積液量的對(duì)比，評(píng)估本次清管效果。當(dāng)管線的積液量還處于預(yù)警線之上，平臺(tái)又生成預(yù)警信息，提示清管。平臺(tái)有效地解決了目前清管制度中因清管不徹底而又無法判斷的問題，科學(xué)評(píng)估清管效果。

3.2.4 輔助功能當(dāng)完成清管作業(yè)后，在平臺(tái)上傳清管總結(jié)，便于資料的統(tǒng)一歸檔、查詢、分析。同時(shí)，該平臺(tái)收錄了氣田集輸管網(wǎng)的基本信息，實(shí)現(xiàn)資源共享。

4 清管智能管理平臺(tái)應(yīng)用

通過對(duì)平臺(tái)的應(yīng)用效果測(cè)試，分別對(duì)支、干線預(yù)警情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（見表1，表2）。

通過表1可知：模擬計(jì)算的支線積液量較為準(zhǔn)確，誤差率都控制在±10%內(nèi)，清管效果較為明顯；且實(shí)際清出物小于計(jì)算積液量。原因分析：預(yù)警的支線其管線內(nèi)聚集物較多，可能在清管時(shí)清管器未將聚集物全部清出。

通過表2可知：干線實(shí)際清出物主要為大量污泥和泥水混合物，液相污水較少，計(jì)算的積液量與實(shí)際清出物存在偏差，但按照預(yù)警信息清管后干線輸送效率明顯提高，在一定程度上仍能指導(dǎo)干線清管作業(yè)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）通過管線積液變化規(guī)律研究，建立靖邊氣田的積液量計(jì)算模型和管網(wǎng)模型，同時(shí)通過編制網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)清管智能管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)靖邊氣田所轄集氣支干線按需清管、自動(dòng)預(yù)警。

（2）清管智能管理平臺(tái)自動(dòng)生成預(yù)警信息，包括一級(jí)和二級(jí)預(yù)警，一級(jí)預(yù)警開展正常作業(yè)，到達(dá)二級(jí)預(yù)警時(shí)生成提示信息，要求作業(yè)人員制定防止大量清出物進(jìn)入下游設(shè)備和污水罐的風(fēng)險(xiǎn)消減措施，降低清管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）清管智能管理平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了清管過程動(dòng)態(tài)跟蹤和清管效果的科學(xué)評(píng)估，保證了管線的平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）清管智能管理平臺(tái)的建立有利于資料的歸檔、查詢、分析，實(shí)現(xiàn)了清管資料的統(tǒng)一管理和管線基本信息的資源共享。

（5）清管智能管理平臺(tái)的開發(fā)，是一次應(yīng)用先進(jìn)實(shí)用的計(jì)算機(jī)軟件指導(dǎo)清管作業(yè)的創(chuàng)新突破，達(dá)到合理清管的目的。

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TE832.2

A

1673-5285（2016）12-0115-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.028

2016－11-22

賈浩民（1975－），高級(jí)工程師，畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，現(xiàn)從事天然氣生產(chǎn)及管理工作，郵箱：jhm_cq@petrochina.com. cn。