中國石油天然氣管道工程有限公司

0 引言

中俄東線天然氣管道（以下簡稱中俄東線）氣源地為俄羅斯，根據(jù)2014年5月21日中俄雙方簽訂的《中俄東線管道供氣購銷協(xié)議》，2024年及以后年進(jìn)口氣量為380×108m3。中俄東線干線黑河—長嶺段共設(shè)置工藝站場6座，其中：黑河首站（具備增壓功能）1座、中間壓氣站3座、分輸站2座。黑河首站是中俄東線管道中國境內(nèi)首座站場，站內(nèi)設(shè)置比對計量系統(tǒng)[1]。中俄東線天然氣管道是目前國內(nèi)輸氣量最大的跨國輸氣管道，確保黑河首站比對計量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對于雙邊貿(mào)易結(jié)算、保障供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益具有重要的意義[2-3]。中俄東線黑河首站跨國天然氣貿(mào)易計量比對設(shè)施具有多路計量支路，各計量支路的流量分配不均，有可能影響計量結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。為了避免黑河首站天然氣計量系統(tǒng)管匯的偏流問題，筆者采用有限元模擬的方法，對該計量系統(tǒng)進(jìn)行了流場分析。

1 站場概況

黑河首站的外輸工藝流程如圖1所示[4]。

圖1 黑河首站外輸工藝流程示意圖

黑河首站計量系統(tǒng)具有計量管路多、管徑大、流量大等特點(diǎn)，共設(shè)置8路超聲波流量計，6用2備。中俄東線黑河首站流量計在最大流量（Qmax）與分界流量（Qt，約為5%Qmax）范圍內(nèi)測量精度優(yōu)于±0.5%，在最小流量（Qmin）與最大流量范圍內(nèi)測量精度優(yōu)于±1%。為了保證流量計測量精度，需要將工作流量（Qi）控制在Qt與Qmax之間[4]。

但是計量系統(tǒng)的入口管匯處，由于流態(tài)、慣性力和重力等因素會導(dǎo)致各流量計入口流量無法均勻分配，導(dǎo)致管匯“偏流”現(xiàn)象發(fā)生[5-6]。偏流嚴(yán)重時，個別支路計量系統(tǒng)超過計量范圍，而其他計量系統(tǒng)仍存在較大余量，導(dǎo)致設(shè)備無法在高精度區(qū)域進(jìn)行流量測量。目前國內(nèi)并沒有成熟高效的偏流控制方法，對偏流機(jī)理的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究尚不充分[7]。而且，偏流問題研究多集中于油氣田地面集輸處理系統(tǒng)，鮮有文獻(xiàn)報道氣體管道工藝系統(tǒng)的偏流問題。因此，為了保證黑河首站計量系統(tǒng)的精度，有必要對該站計量系統(tǒng)的偏流情況進(jìn)行具體的模擬分析，在可選安裝方案范圍內(nèi)擇優(yōu)選擇，使計量結(jié)果更為準(zhǔn)確，滿足貿(mào)易比對的功能要求[8-11]。

2 工藝安裝方案

根據(jù)中俄東線黑河首站的總圖布置及應(yīng)力分析配管設(shè)計后，黑河首站計量系統(tǒng)安裝可采用“異側(cè)進(jìn)出”和“同側(cè)進(jìn)出”兩種布置方案（圖2）。

圖2 黑河首站計量系統(tǒng)兩種安裝方案示意圖

一般多支路管匯的進(jìn)出口安裝形式常采用“異側(cè)進(jìn)出”，因?yàn)榇瞬贾眯问娇梢允姑恳恢吠ㄟ^的距離接近，沿程摩阻盡可能相等，進(jìn)而避免偏流現(xiàn)象。但是，此方法沒有考慮流體內(nèi)部的實(shí)際流動狀態(tài)，鑒于貿(mào)易比對計量系統(tǒng)的精密性，為了明確計量系統(tǒng)管匯采用“異側(cè)進(jìn)出”或“同側(cè)進(jìn)出”何種安裝方式更優(yōu)，以及如何進(jìn)行備用路的選擇可以使偏流效果最小，筆者提出了8種工況方案進(jìn)行比較分析（表 1）。

定義δi為單路計量支路的偏流系數(shù)，通過計算不同工況下各支路的偏流系數(shù)值，明確不同工況下的偏流情況，進(jìn)而確定推薦的安裝方案。

式中δi表示第i支路的偏流系數(shù)；Qavg表示各支路平均質(zhì)量流量，kg/s；Qi表示第i支路的質(zhì)量流量，kg/s。

表1 分析方案匯總表

3 數(shù)值計算步驟

為了求得不同工況的偏流系數(shù)，需要根據(jù)既定工況方案進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)用數(shù)值模擬方法來計算管道內(nèi)部流場，主要步驟如下：

1）針對研究問題建立物理模型。

2）模型轉(zhuǎn)換，即將物理模型轉(zhuǎn)換為運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型。

3）對計算網(wǎng)格進(jìn)行劃分，設(shè)置合適的邊界條件并進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)定。

4）選取合適的計算方法。

5）模型運(yùn)算。

6）結(jié)果后處理及分析。

4 數(shù)值計算模擬

4.1 搭建模型

本文模型搭建及流場模擬計算基于大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行，ANSYS可以實(shí)現(xiàn)快速的幾何建模，而且具備強(qiáng)大的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成功能，越來越多的工程人員選擇ANSYS進(jìn)行有限元分析模擬[12-13]。

4.2 劃分網(wǎng)格

在數(shù)值模擬計算前，首先要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)對計算區(qū)域的離散化。網(wǎng)格質(zhì)量決定了數(shù)值模擬結(jié)果的精度，低質(zhì)量的網(wǎng)格易導(dǎo)致數(shù)值計算過程發(fā)散[14]。采用CFD模式下的網(wǎng)格劃分，通過調(diào)整網(wǎng)格的大小及劃分方法，優(yōu)化網(wǎng)格的質(zhì)量，保證網(wǎng)格的平均質(zhì)量達(dá)到0.8以上。

4.3 算法設(shè)定

網(wǎng)格劃分完成后，需要對控制方程進(jìn)行相應(yīng)的離散，二階迎風(fēng)格式相對于一階迎風(fēng)格式提高了一個精度，在計算非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和復(fù)雜流動時更加準(zhǔn)確，因此選用二階迎風(fēng)格式的差分格式。

進(jìn)口俄羅斯天然氣主要來自科維克金氣田和恰揚(yáng)金氣田，氣質(zhì)組成如表2所示。

表2 俄羅斯天然氣組成表

根據(jù)中俄東線的氣質(zhì)組成進(jìn)行物性定義，在模擬計算流場時：對于控制單元中心壓力變化較平穩(wěn)時，STANDARD壓力插補(bǔ)格式的計算結(jié)果比較準(zhǔn)確；數(shù)值計算方法通常采用 SIMPLE和 SIMPLEC，兩種算法很相似，區(qū)別在于 SIMPLEC算法在通量計算的方法上有所改進(jìn)，對于一些比較復(fù)雜的流動，SIMPLEC 算法更有優(yōu)勢，但對于一般的流動模擬采用 SIMPLE 算法即可[15]。

4.4 結(jié)果讀取

完成參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行模型運(yùn)算并讀取結(jié)果。讀取“異側(cè)進(jìn)出”數(shù)值模型在不同工況下，各支路的流量，并計算流量偏差（表3）。以工況1為例，工況1下越靠近入口管匯的計量支路通過流量越小，且各路偏差相對較大，相鄰支路間流量偏差均超過8 kg/s，距離最遠(yuǎn)的兩支路（支路1和支路6）流量差甚至達(dá)到56.59 kg/s。“異側(cè)進(jìn)出”不同支路備用時，工況2的偏流系數(shù)最大，為22.81%。

同理，運(yùn)行“同側(cè)進(jìn)出”模型并讀取結(jié)果。讀取“同側(cè)進(jìn)出”數(shù)值模型在不同工況下，各支路的流量，并計算流量偏差（表4）。以工況5為例，工況5下越靠近入口管匯的計量支路通過流量越大，但各路分配相對較均勻，相鄰兩支路間流量差值均小于4 kg/s，距離最遠(yuǎn)的兩支路（支路1和支路6）流量差為13.09 kg/s。“同側(cè)進(jìn)出”不同支路備用時，各支路的偏流系數(shù)整體小于異側(cè)進(jìn)出方案，工況6的偏流系數(shù)最大，為8.51%。

表3 異側(cè)進(jìn)出各備用方案流量分配統(tǒng)計表

表4 同側(cè)進(jìn)出各備用方案流量分配統(tǒng)計表

通過以上總結(jié)的數(shù)據(jù)對比，可以明確“同側(cè)進(jìn)出”方案整體較優(yōu)，不同備用路選擇下的偏流量相對較少，因此，確定黑河首站計量區(qū)管匯采用“同側(cè)進(jìn)出”的安裝形式，并且將支路1、2備用時，計量系統(tǒng)管匯偏流最小，計量區(qū)具體安裝示意如圖3所示。

4.5 偏流分析

對于單相流管匯系統(tǒng)，研究初期認(rèn)為各引出管壓力分布不均是造成管匯偏流的主要原因，目前這一機(jī)理已從理論上得到驗(yàn)證[16]。然而，管匯內(nèi)流量分布情況并不能總是符合壓力分布情況，湍流、慣性力等因素也可能會導(dǎo)致管匯偏流[17]。以工況5為例，系統(tǒng)壓力云圖如圖4所示，選取距離入口最近的支路6，沿著由截面B的方向繪制壓力曲線（圖5）。

通過圖5可以很明顯地看到，支路6在距入口管匯1 m處壓力值小于截面A（距入口管匯2 m處）[18-20]，導(dǎo)致流體流動受到阻力。但由于支路6距離出口更近，相同流量下，從進(jìn)口到出口的沿程摩阻小于其他支路，可以較好地平衡，致使同側(cè)進(jìn)出的偏流效果較小[21]，支路6的流速分布如圖6所示。

圖3 黑河首站計量區(qū)安裝示意圖

通過圖6也可以很明顯地看到，支路6在距入口管匯1 m處流速最高，擾動劇烈，導(dǎo)致該截面壓力較低，與壓力分析結(jié)果一致。

圖4 工況5系統(tǒng)壓力分布云圖及截面A、B位置示意圖

圖5 工況5下支路6沿線壓力值圖

圖6 工況5下支路6局部流速分布云圖

為了進(jìn)一步比較，讀取相同備用路下“異側(cè)進(jìn)出”（工況1）的數(shù)值模擬結(jié)果，系統(tǒng)壓力分布云圖如圖7所示。同樣，選取距離入口最近的支路1，其局部流速分布云圖如圖8所示。

從圖8可以明顯地看出，在距離管匯入口更近的支路1由于擾動劇烈，導(dǎo)致流體流動受到阻力。由于慣性力等的作用，在相同的流量、流經(jīng)相同距離的情況下，使流體更傾向于沿著干管并最終流入支路6。因此加劇了偏流現(xiàn)象。

圖7 工況1系統(tǒng)壓力分布云圖

圖8 工況1下支路1局部流速分布云圖

5 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了降低多支路計量系統(tǒng)管匯偏流的設(shè)計方法，針對黑河首站的計量系統(tǒng)進(jìn)行流場分析，得到設(shè)計工況下“同側(cè)進(jìn)出”方案整體優(yōu)于“異側(cè)進(jìn)出”方案的結(jié)論?！巴瑐?cè)進(jìn)出”的安裝形式中，將支路1、2設(shè)為備用路時，系統(tǒng)的偏流量最小，實(shí)際運(yùn)行時可考慮選擇該兩路進(jìn)行備用。

中俄東線天然氣管道工程于2019年12月2日正式投產(chǎn)通氣，鑒于投產(chǎn)初期的氣量較少，目前黑河首站僅開啟了1路計量，流量計運(yùn)行良好。對于黑河首站計量系統(tǒng)的運(yùn)行情況，將進(jìn)行持續(xù)關(guān)注，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況細(xì)化數(shù)值模擬模型，明確偏流控制方法，提高設(shè)計水平和精細(xì)化程度。