(中海油能源發(fā)展股份有限公司 湛江采油服務(wù)文昌分公司,廣東 湛江 524057)

壓力變送器常被安裝于天然氣輸送管道上，用以準(zhǔn)確反映其覆蓋范圍內(nèi)大部分介質(zhì)的壓力[1]。常規(guī)管道儀表定位的設(shè)計要求，壓力變送器前需要一定長度的穩(wěn)流直管段，即要求變送器前介質(zhì)應(yīng)處于比較穩(wěn)定的流態(tài)。如壓力變送器前存在影響管線流場的管件或組件時，則會由于局部介質(zhì)的流態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致壓力變送器所測值不能反映管內(nèi)介質(zhì)的真實壓力。而在石油化工領(lǐng)域，管道多用于輸送石油、天然氣等危險介質(zhì)，壓力變送器監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確，輸油泵或天然氣壓縮機(jī)的運行都會受到影響，留下安全隱患。研究管線介質(zhì)流場變化對壓力檢測的影響對石油化工領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用價值。常規(guī)設(shè)計要求管線上的溫度計應(yīng)安裝在壓力變送器下游。但在實際工程應(yīng)用中，尤其在海上石油平臺這類空間有限、管線走線難度大的場所，就可能不得不將溫度計設(shè)計安裝在壓力變送器上游。此時，溫井的存在便會引起管內(nèi)介質(zhì)的流速、壓力局部發(fā)生變化，造成下游壓力變送器檢測值出現(xiàn)波動[2-3]。這時，就需要分析這樣的設(shè)計是否會對介質(zhì)的實際輸送造成影響。為此，利用FLUENT水力學(xué)模擬軟件對天然氣輸送管道上溫井下游流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對壓力變送器監(jiān)測結(jié)果造成的影響。

1 模擬實驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以南海西部某平臺上一處溫井與壓力變送器的安裝實例，以其設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬。

1.1 主要管線及組件模擬外形設(shè)計參數(shù)

1)管線內(nèi)流體物性數(shù)據(jù)(部分年份)見圖1。

2)壓力表引壓管尺寸為1/2 in×252 mm，兩表布置間距為193 mm。

3)管線參數(shù)：8 in、900LB、SCH120、A106。

4)溫井尺寸直徑32 mm，插入管線內(nèi)深度為116 mm。

1.2 流場模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

流場模擬所需的工況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計如下(部分見表1)。

1)工況1。氣相流率為40 884.4 m3/d(取管線最大流速18 m/s),此工況為最大流量。

2)工況2。氣相流率為10 551.86 m3/d,此工況為最小流量。

3)工況3。氣相流率為40 884.4 m3/d(取管線最大流速18 m/s)，不含溫井。

4)工況4。氣相流率為40 884.4 m3/d(取管線最大流速18 m/s)，入口添加滑油，滑油流量為0.01 m3/d，直徑為6～10 μm，溫度與氣相流體一致，考慮介質(zhì)中夾帶的滑油對流場的影響，含溫井。

表1 工況設(shè)定及模型參數(shù)設(shè)定值

2 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

2.1 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建時，管線尺寸及儀表布置與設(shè)計的實際配管保持一致。為了減小入口與出口對測壓點的擾動，使模型穩(wěn)定容易收斂，將模型計算域向兩端延長，入口位置取溫井向前700 mm，出口位置為壓力表往后取1 000 mm，計算域的延長對模擬結(jié)果準(zhǔn)確性無任何影響。幾何模型見圖2。

圖2 幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

為了減少網(wǎng)格數(shù)量，將模型幾何分為三部分，中間不規(guī)則區(qū)域用四面體網(wǎng)格，兩端采用六面體網(wǎng)格，在壁面處劃分邊界層，捕捉邊界層效應(yīng)。為了減小網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量對計算結(jié)果的影響，首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性測試，確定網(wǎng)格數(shù)量。分別取網(wǎng)格數(shù)量為17萬、40萬、73萬、100萬網(wǎng)格，對工況1進(jìn)行測試，監(jiān)測測壓表與管道中心交匯處壓力值，見圖3。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性測試

由圖3可見，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于73萬以后，對計算結(jié)果影響較小，本次模擬取網(wǎng)格量100萬進(jìn)行仿真。網(wǎng)格分布見圖4。

圖4 整體網(wǎng)格分布

2.3 模型邊界和參數(shù)設(shè)定

主管線及壓力表接入管線壁面設(shè)定為無滑移壁面。湍流模型選擇對更利于流動分離的RNGk-ε湍流模型；管線內(nèi)壓降較小，為了和實際工況更貼切，假設(shè)介質(zhì)氣體為理想氣體。

3 模擬結(jié)果對比、分析

3.1 模擬結(jié)果

1)工況1。由于溫井的存在，流場出現(xiàn)了壓力和速度的波動，在整個管線上，壓力的上下波幅大約為11 638 Pa左右，在溫井下游的一段距離內(nèi)，壓力會受到影響，到壓力變送器附近基本趨于穩(wěn)定。

管線內(nèi)壓力場分布和速度場分布見圖5～7。

圖5 沿測壓表截面壓力場分布

圖6 沿測壓表截面速度場分布

圖7 管道軸線上壓力分布

2)工況2。流場出現(xiàn)了壓力和速度的波動，在整個管線上，壓力的上下波幅約為12 445 Pa，但在壓力變送器附近較穩(wěn)定。見圖8～10。

圖8 沿測壓表截面壓力場分布

圖9 沿測壓表截面壓力場分布

圖10 管道軸線壓力分布

3)工況3。沒有溫井的存在，整個管線的壓力分布和速度分布都比較均勻，不存在壓力和速度的大幅度波動。壓力沿管道中心緩慢降低。見圖11～13。

圖11 沿測壓表截面壓力場分布

圖12 沿測壓表截面速度場分布

圖13 管道軸線壓力分布

3.2 數(shù)據(jù)提取及結(jié)果分析

通過以上結(jié)果可以看出，整個管道中的壓力波動主要發(fā)生在溫井前后。對溫井前后在管道中心線的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，見表2。從表2中可以看出，在最大氣速工況1下壓力波動最大，工況3最小，壓力波動只有10.49 Pa。

表2 溫井前后管道中心線壓力數(shù)據(jù) Pa

為了測試溫井對測壓點壓力值的影響，將監(jiān)測點取在測壓表和管道中心交匯處，仿真得到不同工況下其監(jiān)測點壓力值見表3。

表3 仿真監(jiān)測點壓力值

根據(jù)表3，對比工況1和工況3可知，溫井的存對測壓點的壓力值影響約為22 Pa，在工程應(yīng)用中，這種影響可忽略。

對比工況1和工況4，檢測的壓力值基本相等，因此滑油的存在對壓力的監(jiān)測影響可忽略,工況1、2、3的仿真中忽略滑油的假設(shè)是可行的。

同時，為了監(jiān)測滑油的動態(tài)影響，采用瞬態(tài)算法對工況1和工況4進(jìn)行計算，同時監(jiān)測1 s以內(nèi)兩種工況下壓力隨時間的變化見圖14、15。

圖14 工況1壓力監(jiān)測

圖15 工況4壓力監(jiān)測

分別采用兩種油滴極端直徑6和10 μm進(jìn)行計算，結(jié)果，計算所得兩種直徑的流場基本沒有區(qū)別，取其中一種結(jié)果與工況1進(jìn)行對比。由圖14、15可見，兩種工況壓力波動基本一致，差值在2 Pa左右，因此滑油的存在可忽略。

從工況1和工況2中，在溫井前后，壓力波動在幾kPa到十幾kPa之間，最大氣相流率工況管線壓力波動幅度約為11.592 kPa，最小氣相流率工況管線壓力波動幅度約為1.302 kPa。溫井下游，沿著管道中心向下，壓力波動逐漸減小，到壓力測試表位置，壓力波動基本消失。

4 結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果證實了在工程應(yīng)用中，天然氣輸送管線上溫井的存在對管線內(nèi)溫井下游的局部流場確有影響，壓力沿著管道中心線會出現(xiàn)大幅度的波動。波動范圍會沿著管道中心向下游逐漸減小。拋開管線材質(zhì)、介質(zhì)物性等因素，該流場波動是否會對下游壓力監(jiān)測結(jié)果造成影響，取決于溫井與壓力變送器安裝的距離。因此，如要確保壓力監(jiān)測的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量將溫井等會影響介質(zhì)流場的組件設(shè)計安裝在壓力變送器下游。如實在無法避免，則應(yīng)盡量拉開兩者之間的安裝距離。