吳宇雨

（四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610299）

天然氣是重要的生產(chǎn)和生活能源，確保天然氣供給的安全和效率具有十分重要的意義。但是在連續(xù)的供給過程中，天然氣管道會出現(xiàn)積液和雜質沉淀，從而阻塞管道內徑[1]。在阻塞情況不嚴重的情況下，天然氣管道有效截面積會變小，從而降低天然氣的供給效率。在阻塞嚴重的情況下，天然氣管道可能被完全堵塞，天然氣無法通過、氣壓不斷增高，甚至可能引發(fā)爆管等危險事故[2]。該種情況下，必須對天然氣管道進行清管處理，以確保天然氣的供應安全和供應效率。但是，天然氣清管操作會受很多因素的影響，如果天然氣供給管道自身落差較大，清管器工作時的沖擊會對管道造成更大影響[3]。因此對天然氣管道清理過程進行深入細致的分析，構建對應的數(shù)學模型，進而對相關因素的影響進行仿真驗證，對提升清管效果具有重要的實踐價值。

1 天然氣管道模型構建

為了建立天然氣管道清理模型，需要先設定一個涵蓋更多可能實際情況的天然氣管道物理模型，進而從數(shù)學角度對清管過程建立一個瞬態(tài)模型。

1.1 天然氣管道的物理模型

涵蓋更多可能實際情況的天然氣管道的物理模型，如圖1 所示。

圖1 天然氣管道的物理模型

根據(jù)圖1 可知，管道內部的情況分為4 類區(qū)域。

第一區(qū)間，是一個氣體液體多相流動的區(qū)間，也是新舊氣液相態(tài)轉換、新氣液相態(tài)的再生區(qū)間。第一區(qū)間的下方是液體積存區(qū)域。第一區(qū)間的上方是傳輸?shù)奶烊粴饣旌蠚怏w。2 個區(qū)域之間存在一個邊界，邊界是動態(tài)變化的。隨著管道內、外條件的變化，氣態(tài)物質中會析出液態(tài)物質，液態(tài)物質中也可能析出部分氣態(tài)物質，氣、液2 種物質不斷地動態(tài)演化，并在動態(tài)過程中達成平衡。

第二區(qū)間，是一個純氣體流動的區(qū)間。該區(qū)間中沒有液體積存，是單純的天然氣混合氣體。

第三區(qū)間，是液體積存阻塞區(qū)間，也是清管要處理的重點區(qū)間。在該個區(qū)間中，液體積存面積大，形成了較嚴重的阻塞，上方氣體區(qū)間變窄。在清管過程中，清管球一般放置在第二區(qū)間和第三區(qū)間的銜接處，在清管球的作用下，液體流動速度較大。

第四區(qū)間，是液體積存消除漸進區(qū)間。經(jīng)過第三區(qū)間的清管處理，積存液體不斷減少，管道內部空間逐漸加大，天然氣自由流動空間加大。

1.2 天然氣管道清理的瞬態(tài)模型

描述天然氣清管過程的數(shù)學模型很多，如MD 穩(wěn)態(tài)模型、BA 穩(wěn)態(tài)模型、KH 瞬態(tài)模型和MA 瞬態(tài)模型等。其中，MD 模型和BA 模型忽略了天然氣管道中的氣態(tài)和液態(tài)之間的相變轉化，并且只考慮了氣、液穩(wěn)態(tài)、流動時的情況，這2 種模型描述的清管過程相對簡單，和實際情況存在較大偏差。KH 模型、MA 模型考慮了天然氣管道中的氣態(tài)和液態(tài)之間的相變轉化，并以瞬態(tài)管道截面的關鍵參數(shù)作為分析依據(jù)，但邊界跟蹤處理等方面仍然和實際情況存在一定差異?；谏鲜銮闆r，該文提出一種新的天然氣管道清理瞬態(tài)描述數(shù)學模型，如公式（1）所示。

式中：t代表天然氣管道清理過程中清管球在管道內運行的時間，s；Ls代表天然氣管道內發(fā)生液體阻塞的長度，m；H1s代表天然氣管道內阻塞液體的持液比例，該量沒有單位；Hl代表天然氣管道第四區(qū)間上的持液比例，也沒有單位；wt代表天然氣管道內阻塞液體前鋒的移動速度，m/s；wl代表天然氣管道內沒有發(fā)生阻塞時液體流動的速度，m/s；wp代表天然氣管道內清管球運動的速度，m/s；E代表了清管效率系數(shù)，如果清管球的直徑和天然氣管道內徑比值超過0.95，可以將其設定為1；1-E代表清管處理后天然氣管道內的含液率，是一個和清管效率系數(shù)有關的函數(shù)。

2 天然氣管道清理施工流程

根據(jù)上述模型可知，天然氣管道的清理與清管球有密切關系，清管球的大小設計、發(fā)射與接收是清管工作圍繞的核心所在。除了清管球和清管器的合理運用，還需要做好清管前的準備工作和清管后的善后工作。

天然氣管道清理前的準備工作包括1）對天然氣管道正常工作時的基本參數(shù)進行采集，包括天然氣管道的內徑、天然氣管道的管壁厚薄、天然氣管道使用的管材和承受的環(huán)境壓力等。第二，對天然氣管道的工作條件參數(shù)進行采集，包括管道運行空間上的高程差、天然氣管道的走向及經(jīng)過的站場。第三，天然氣管道前期所經(jīng)歷的清管作業(yè)數(shù)據(jù)，進行匯總記錄。

經(jīng)過前期準備以后，要制定合理的管道清理方案，方案中涉及的內容包括參與天然氣管道清理工作的人員（分為清管球的發(fā)送人員、清管球的接收人員和清管過程的監(jiān)督管理人員），清管過程中需要使用到的器材、工具和物資等。清管球發(fā)射器的工作原理如圖2 所示。

圖2 清管球發(fā)射器工作原理

從圖2 可以看出，清管球發(fā)射器的結構相對復雜，除了主體發(fā)射腔以外，還有2 個壓力表、5 個閥門相配合。其中，2 號閥門與主體發(fā)射腔相連，2 個壓力表則分別測試主體發(fā)射腔內壓力和發(fā)射路徑壓力。

在清管球發(fā)射器的作用下，清管球發(fā)射的流程如圖3所示。

圖3 清管球發(fā)射流程圖

從圖3 可以看出，清管球的發(fā)射主要依靠5 個閥門和主體發(fā)射腔的協(xié)調配和，其間要不斷觀察2 個壓力表的變化，確保氣壓數(shù)值的合理。

第一步，將清管器發(fā)送回路上的1 號閥門關閉、4 號閥門關閉，確保發(fā)射腔氣壓持續(xù)增強。

第二步，將清管器放空回路上的3 號閥門打開、5 號閥門打開，確保放空回路氣壓降至最低值，形成發(fā)射回路和放空回路的有效壓差。

第三步，打開清管器主體發(fā)射腔的尾部擋板，將清管球放入主體發(fā)射腔內，并利用氣壓將其運送到腔頸處。

第四步，打開2 號閥門，同時關閉3 號閥門和5 號閥門。打開1 號閥門和4 號閥門，利用氣壓壓差變化推動清管球從清管器內發(fā)射出去。

3 天然氣清管過程仿真分析

在上述工作中，該文針對天然氣管道的清理過程進行了物理建模、瞬態(tài)數(shù)學建模，給出了管道清理的方法、流程和器具。接下來將針對天然氣清管過程進行仿真研究，以驗證該文所做的各項工作的有效性。實驗地天然氣管道隨里程延伸而產(chǎn)生的高程變化的數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗地天然氣管道隨著里程延伸而產(chǎn)生的高程變化

為了直觀地展示隨著里程延伸，天然氣管道高程上的起伏變化，將表1 中的數(shù)據(jù)繪制成曲線結果，如圖4所示。

圖4 表1 中數(shù)據(jù)的曲線結果

在圖4 中，橫坐標代表40 組里程數(shù)據(jù)，是一個無量綱單位；縱坐標代表高程數(shù)據(jù)，即天然氣管道的平均架設高度，單位是m。結合表1 和圖4 可以看出，在該段近40km的天然氣管道試驗區(qū)域內，天然氣管道的架設高度相對比較平穩(wěn)，起伏變化范圍基本為500m～1300m。在前10km 的長度上，天然氣管道高程數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，變化范圍基本為750m～900m，最大落差沒有超過150m；在10km～20km 的長度上，天然氣管道有了一定起伏，最大高程為1200m，最小高程為680m，最大落差為520m；在20km～30km 的長度上，天然氣管道出現(xiàn)了最大起伏，最大高程為1250m，最小高程為500m，最大落差為750m，是整個里程中的最大落差值；在30km～40km 的長度上，天然氣管道有一定起伏，最大高程為1040m，最小高程為550m，最大落差為490m。

隨著里程的延伸，天然氣管道高程的起伏變化對管道清理具有一定影響。根據(jù)該文的清管方法和清管流程，執(zhí)行清管作業(yè)后得到的管道內的持液比例數(shù)據(jù)見表2。

表2 全部里程中執(zhí)行清管作業(yè)后得到的管道內的持液比例數(shù)據(jù)

為了直觀地展示隨著里程延伸，天然氣管道清理后的持液比例變化，將表2 中的數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖結果，如圖5 所示。

圖5 表2 中數(shù)據(jù)的柱狀圖結果

在圖5 中，橫坐標代表40 組里程數(shù)據(jù)，是一個無量綱單位；縱坐標代表清管處理后天然氣管道內的持液比例，是一個無量綱單位。結合表2 和圖5 可以看出，根據(jù)該文方法進行清管處理后，天然氣管內的液體積存量大幅度降低，管道內各段持液比例全部在0.07 以下，對管道有效輸送內徑幾乎不構成影響，有效提升了天然氣的供給效率。

4 結論

天然氣是生產(chǎn)生活的重要能源，天然氣的供給安全和供給效率具有非常重要的意義。據(jù)此，該文針對天然氣管道內的積液清理展進行了研究。首先，給出了天然氣管道內可能出現(xiàn)情況的物理模型，進而構建了清管處理的瞬態(tài)數(shù)學模型。其次，確立了清管施工流程，并通過清管球發(fā)射對清管器的工作過程進行了闡述。最后，在試驗驗證環(huán)節(jié)對天然氣管道高程變化及清管處理的效果進行了驗證，證實了該文方法的有效性。