李曉平 蘇越 謝平 孟凡華 王子輝

1中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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

由于地形的起伏，濕天然氣管道在輸送過(guò)程中必須以不同角度進(jìn)行鋪設(shè)。管道角度改變會(huì)使管道持液率發(fā)生變化，使得流動(dòng)情況更加復(fù)雜，管道中也會(huì)因此形成積液，影響輸送效率[1-3]，更為嚴(yán)重的情況下管道中的液體會(huì)伴隨著管道起伏形成強(qiáng)烈段塞流[4]。在這種工況下，運(yùn)行中的輸氣管道會(huì)承受脈沖應(yīng)力沖擊，進(jìn)而引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，產(chǎn)生比較大的疲勞破壞，增大沿線(xiàn)管壁的壓力，加速管道的腐蝕，破壞油氣混輸管道以及設(shè)備，從而使下游的儀器裝備無(wú)法正常運(yùn)行[5]。除此之外，積液的堆積還會(huì)造成管道的有效流通面積減小，影響輸送效率[6-9]。因此，研究起伏管道的積液情況，對(duì)于保障管道運(yùn)輸?shù)陌踩岣吖艿赖妮斔托曙@得尤為重要。

目前管線(xiàn)積液的清掃方法大致有兩種：①通過(guò)對(duì)整條管線(xiàn)進(jìn)行清管，利用清管器和管道的過(guò)盈配合，使得清管器在行進(jìn)時(shí)將管內(nèi)壁附著的水膜清掃出來(lái)[10]；②利用凝水缸對(duì)管線(xiàn)的積液進(jìn)行局部排放，但是對(duì)于較長(zhǎng)的管線(xiàn)，需要準(zhǔn)確判斷積液的位置[11]。馬瑤[12]認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，管線(xiàn)的積液會(huì)在彎頭底部聚集，然后逐漸向上傾管線(xiàn)平鋪。高杰[13]等通過(guò)層次分析法對(duì)于局部排液和管線(xiàn)整體清管排液進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王磊[14]等利用Mcketta-Wehe算圖法以及經(jīng)驗(yàn)公式估算了凝水缸的安裝位置，但是該方法沒(méi)有考慮高程變化較大的情況，對(duì)起伏較大且長(zhǎng)度超過(guò)5 km的管線(xiàn)并不適用。本文通過(guò)OLGA軟件對(duì)樊四集氣站至處理中心管線(xiàn)的積液情況進(jìn)行了數(shù)值模擬且在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)管道積液臨界傾角的計(jì)算分析，得出了起伏管線(xiàn)積液的一般性規(guī)律，并對(duì)凝水缸的安裝位置給出了建議。

1 管線(xiàn)積液規(guī)律分布模擬

1.1 樊四集氣站至處理中心管線(xiàn)運(yùn)行情況

華北油田山西煤層氣分公司建有集氣站11座、煤層氣處理中心1 座，集氣管道共計(jì)8 條（樊莊區(qū)塊5條，鄭莊區(qū)塊3條[15]），其中樊四集氣站至處理中心管線(xiàn)由于起伏較大，輸量低，積液的影響十分嚴(yán)重，且清管周期頻繁。該管線(xiàn)的走向如圖1所示。

該管線(xiàn)輸量為217 152 m3/d(標(biāo)況)，管線(xiàn)規(guī)格245～355.6 mm×6.3 mm，全長(zhǎng)10.04 km，最高點(diǎn)海拔756 m，最低點(diǎn)海拔630 m。管道的路由圖如圖2所示。

管線(xiàn)中氣體組分摩爾分?jǐn)?shù)如下：CH4為98.94%，C2H6為0.01%，N2為0.69%，CO2為0.34%，O2為0.01%，C3H8為0.01%。

該管線(xiàn)目前允許的入口最大壓力為1.2 MPa，清管周期為10 d 左右，清管清出的液體總體積約12 m3左右，清管所收集液體為污水、粉煤灰及乳化液混合物，以水分居多，呈黑褐色，黏稠狀液體中水分比例大于80%，乳化油+粉煤灰+水黏稠物占比小于20%。

圖1 樊四至處理中心管道走向Fig.1 Pipeline route from Fansi to treatment center

圖2 管道路由圖Fig.2 Pipeline route map

1.2 管線(xiàn)積液模擬結(jié)果

OLGA 軟件是目前在石油行業(yè)廣泛使用的多相流模擬軟件之一，它以雙流體模型為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算兩相流參數(shù)，同時(shí)可以判斷流型，然后由流型計(jì)算出各參數(shù)值[16-17]。采用OLGA 軟件對(duì)整條管線(xiàn)的積液情況進(jìn)行模擬，管線(xiàn)的出口壓力設(shè)置為0.85 MPa，入口溫度為5 ℃。由于OLGA 無(wú)法對(duì)空管進(jìn)行模擬，因此設(shè)置管線(xiàn)初始條件為氣體單相充滿(mǎn)整個(gè)管線(xiàn)，模擬時(shí)間為30 d，整條管線(xiàn)的總積液量隨時(shí)間的變化如圖3所示。

通過(guò)分析可知，在30 d內(nèi)，整條管線(xiàn)的積液一直處于增加的狀態(tài)。在管道運(yùn)行10 d時(shí)，整條管線(xiàn)的積液大致在15 m3，由于每次清管無(wú)法做到將積水全部排出，因此OLGA模擬結(jié)果跟現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致。

圖3 管線(xiàn)總積液量隨時(shí)間的變化Fig.2 Total liquid accumulation of pipeline with time

為了觀(guān)察整條管線(xiàn)的積液規(guī)律，針對(duì)不同時(shí)間整條管線(xiàn)的持液率分布進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 管道沿線(xiàn)持液率隨時(shí)間的變化Fig.4 Liquid holdup along the pipeline with time

通過(guò)分析可知：一開(kāi)始在管線(xiàn)的第一個(gè)由下傾到上傾的彎頭轉(zhuǎn)換處形成了積液，然后管線(xiàn)的積液位置逐漸擴(kuò)大，向著上傾管移動(dòng)；當(dāng)管線(xiàn)運(yùn)行至15 d時(shí)，第一個(gè)上傾管線(xiàn)充滿(mǎn)了積液，在這個(gè)過(guò)程中，第二個(gè)和第三個(gè)低洼處持液率沒(méi)有變化，幾乎保持為零，也就是說(shuō)此時(shí)的管線(xiàn)積液只在第一個(gè)上傾管段；隨著時(shí)間的繼續(xù)推移，在第25 d時(shí)，第二段傾角較大的上傾管也充滿(mǎn)了積液，此時(shí)這兩段上傾管段的積液達(dá)到飽和；在第30 d時(shí)，管線(xiàn)的第二個(gè)低洼處有了明顯的積液生成，然而此時(shí)第三個(gè)低洼處的持液率仍舊保持在0左右，沒(méi)有明顯的積液生成。

以上分析表明，管線(xiàn)低洼處的積液形成是有一定的規(guī)律性的，在管線(xiàn)的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)在最靠近入口的低洼處最先形成積液，然后積液位置一直向著上傾管方向擴(kuò)散，直到管線(xiàn)出現(xiàn)下傾為止，此時(shí)其他位置均不會(huì)有積液形成。當(dāng)?shù)谝欢紊蟽A管的積液到達(dá)飽和之后，第二個(gè)低洼處才會(huì)有積液形成，然后再逐漸向上傾位置擴(kuò)散，以此類(lèi)推，直到管線(xiàn)全部充滿(mǎn)積液。而對(duì)于樊四集氣站至處理中心管線(xiàn)，在目前10 d的清管周期內(nèi)，積液只會(huì)產(chǎn)生在第一個(gè)上傾管段（圖5 黃色標(biāo)記所示），若是在第一個(gè)彎頭處加裝凝水缸，清管周期會(huì)大大延長(zhǎng)，節(jié)約成本。

2 積液臨界傾角的計(jì)算

積液的臨界傾角是指當(dāng)管道鋪設(shè)角度小于該角度時(shí)，管線(xiàn)中的積液會(huì)被氣體全部帶走。當(dāng)鋪設(shè)的角度大于該角度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)液體的聚集，從而形成積液。通過(guò)計(jì)算積液臨界傾角，可以判斷出現(xiàn)凝液的第一個(gè)起伏彎頭位置。劉曉倩、李玉星[18]等認(rèn)為，管線(xiàn)中形成積液的條件為分層流穩(wěn)定存在而不轉(zhuǎn)化為段塞流，并且利用Taitel-Dukler 的FLAT 分層流模型進(jìn)行了力學(xué)分析，得出管線(xiàn)積液的臨界傾角的計(jì)算公式為

式中：υg為氣相流速，m/s；ρl為液相密度，kg/m3；ρg為氣相密度，kg/m3；hl為液位高度，m。

將各項(xiàng)參數(shù)帶入公式進(jìn)行計(jì)算，其中氣相密度可通過(guò)BWRS 方程進(jìn)行迭代求解，液位高度通過(guò)Taitel-Dukler 方程迭代求解，最終將氣體密度和液位高度帶入公式中可求出積液形成的臨界角度[19-21]。

將積液形成的臨界傾角位置的計(jì)算結(jié)果與多相流模擬軟件OLGA的模擬結(jié)果對(duì)比可知，二者均顯示樊四集氣站至處理中心管線(xiàn)積液形成的第一個(gè)傾角位置在管道里程約5 km 處，理論計(jì)算與模擬結(jié)果具有一致性。

3 結(jié)論

通過(guò)OLGA數(shù)值模擬，得出了起伏管線(xiàn)積液形成的規(guī)律，從而能夠判斷出管線(xiàn)積液最先開(kāi)始的形成位置，即在第一個(gè)起伏彎頭處。利用Taitel-Dukler方程，推導(dǎo)了產(chǎn)生積液的臨界傾角，可確定第一個(gè)起伏彎頭的位置。通過(guò)這一結(jié)論，可以利用凝水缸對(duì)管線(xiàn)局部進(jìn)行排液，使得第一個(gè)上傾處的積液無(wú)法鋪滿(mǎn)，這樣管線(xiàn)的其他位置也不會(huì)出現(xiàn)積液，輸送效率將大幅度提升。但是這種方法的不足之處在于，凝水缸的排液周期較長(zhǎng)，要求其有較長(zhǎng)的使用壽命，需要定期進(jìn)行檢修，而由于管線(xiàn)深埋地下，維護(hù)與檢修并不方便，人力、物力投入較大[22]，關(guān)于整體清管和加裝凝水缸哪一個(gè)更能節(jié)約成本，還需要結(jié)合具體情況進(jìn)行進(jìn)一步的研究。