吳宇雨

（四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)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(guò)程中，天然氣管道會(huì)出現(xiàn)積液和雜質(zhì)沉淀，從而阻塞管道內(nèi)徑[1]。在阻塞情況不嚴(yán)重的情況下，天然氣管道有效截面積會(huì)變小，從而降低天然氣的供給效率。在阻塞嚴(yán)重的情況下，天然氣管道可能被完全堵塞，天然氣無(wú)法通過(guò)、氣壓不斷增高，甚至可能引發(fā)爆管等危險(xiǎn)事故[2]。該種情況下，必須對(duì)天然氣管道進(jìn)行清管處理，以確保天然氣的供應(yīng)安全和供應(yīng)效率。但是，天然氣清管操作會(huì)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(shí)的沖擊會(huì)對(duì)管道造成更大影響[3]。因此對(duì)天然氣管道清理過(guò)程進(jìn)行深入細(xì)致的分析，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對(duì)相關(guān)因素的影響進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)提升清管效果具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

1 天然氣管道模型構(gòu)建

為了建立天然氣管道清理模型，需要先設(shè)定一個(gè)涵蓋更多可能實(shí)際情況的天然氣管道物理模型，進(jìn)而從數(shù)學(xué)角度對(duì)清管過(guò)程建立一個(gè)瞬態(tài)模型。

1.1 天然氣管道的物理模型

涵蓋更多可能實(shí)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(nèi)部的情況分為4 類(lèi)區(qū)域。

第一區(qū)間，是一個(gè)氣體液體多相流動(dòng)的區(qū)間，也是新舊氣液相態(tài)轉(zhuǎn)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(gè)區(qū)域之間存在一個(gè)邊界，邊界是動(dòng)態(tài)變化的。隨著管道內(nèi)、外條件的變化，氣態(tài)物質(zhì)中會(huì)析出液態(tài)物質(zhì)，液態(tài)物質(zhì)中也可能析出部分氣態(tài)物質(zhì)，氣、液2 種物質(zhì)不斷地動(dòng)態(tài)演化，并在動(dòng)態(tài)過(guò)程中達(dá)成平衡。

第二區(qū)間，是一個(gè)純氣體流動(dòng)的區(qū)間。該區(qū)間中沒(méi)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(diǎn)區(qū)間。在該個(gè)區(qū)間中，液體積存面積大，形成了較嚴(yán)重的阻塞，上方氣體區(qū)間變窄。在清管過(guò)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(dòng)速度較大。

第四區(qū)間，是液體積存消除漸進(jìn)區(qū)間。經(jīng)過(guò)第三區(qū)間的清管處理，積存液體不斷減少，管道內(nèi)部空間逐漸加大，天然氣自由流動(dòng)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(guò)程的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)化，并且只考慮了氣、液穩(wěn)態(tài)、流動(dòng)時(shí)的情況，這2 種模型描述的清管過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，和實(shí)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(zhuǎn)化，并以瞬態(tài)管道截面的關(guān)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(shí)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(xué)模型，如公式（1）所示。

式中：t代表天然氣管道清理過(guò)程中清管球在管道內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間，s；Ls代表天然氣管道內(nèi)發(fā)生液體阻塞的長(zhǎng)度，m；H1s代表天然氣管道內(nèi)阻塞液體的持液比例，該量沒(méi)有單位；Hl代表天然氣管道第四區(qū)間上的持液比例，也沒(méi)有單位；wt代表天然氣管道內(nèi)阻塞液體前鋒的移動(dòng)速度，m/s；wl代表天然氣管道內(nèi)沒(méi)有發(fā)生阻塞時(shí)液體流動(dòng)的速度，m/s；wp代表天然氣管道內(nèi)清管球運(yùn)動(dòng)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(nèi)徑比值超過(guò)0.95，可以將其設(shè)定為1；1-E代表清管處理后天然氣管道內(nèi)的含液率，是一個(gè)和清管效率系數(shù)有關(guān)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(guān)系，清管球的大小設(shè)計(jì)、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(yùn)用，還需要做好清管前的準(zhǔn)備工作和清管后的善后工作。

天然氣管道清理前的準(zhǔn)備工作包括1）對(duì)天然氣管道正常工作時(shí)的基本參數(shù)進(jìn)行采集，包括天然氣管道的內(nèi)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(duì)天然氣管道的工作條件參數(shù)進(jìn)行采集，包括管道運(yùn)行空間上的高程差、天然氣管道的走向及經(jīng)過(guò)的站場(chǎng)。第三，天然氣管道前期所經(jīng)歷的清管作業(yè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總記錄。

經(jīng)過(guò)前期準(zhǔn)備以后，要制定合理的管道清理方案，方案中涉及的內(nèi)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(guò)程的監(jiān)督管理人員），清管過(guò)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(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，除了主體發(fā)射腔以外，還有2 個(gè)壓力表、5 個(gè)閥門(mén)相配合。其中，2 號(hào)閥門(mén)與主體發(fā)射腔相連，2 個(gè)壓力表則分別測(cè)試主體發(fā)射腔內(nèi)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(gè)閥門(mén)和主體發(fā)射腔的協(xié)調(diào)配和，其間要不斷觀(guān)察2 個(gè)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(hào)閥門(mén)關(guān)閉、4 號(hào)閥門(mén)關(guān)閉，確保發(fā)射腔氣壓持續(xù)增強(qiáng)。

第二步，將清管器放空回路上的3 號(hào)閥門(mén)打開(kāi)、5 號(hào)閥門(mén)打開(kāi)，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(kāi)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(nèi)，并利用氣壓將其運(yùn)送到腔頸處。

第四步，打開(kāi)2 號(hào)閥門(mén)，同時(shí)關(guān)閉3 號(hào)閥門(mén)和5 號(hào)閥門(mén)。打開(kāi)1 號(hào)閥門(mén)和4 號(hào)閥門(mén)，利用氣壓壓差變化推動(dòng)清管球從清管器內(nèi)發(fā)射出去。

3 天然氣清管過(guò)程仿真分析

在上述工作中，該文針對(duì)天然氣管道的清理過(guò)程進(jìn)行了物理建模、瞬態(tài)數(shù)學(xué)建模，給出了管道清理的方法、流程和器具。接下來(lái)將針對(duì)天然氣清管過(guò)程進(jìn)行仿真研究，以驗(yàn)證該文所做的各項(xiàng)工作的有效性。實(shí)驗(yàn)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(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)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(guān)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(xiàn)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 表1 中數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)結(jié)果

在圖4 中，橫坐標(biāo)代表40 組里程數(shù)據(jù)，是一個(gè)無(wú)量綱單位；縱坐標(biāo)代表高程數(shù)據(jù)，即天然氣管道的平均架設(shè)高度，單位是m。結(jié)合表1 和圖4 可以看出，在該段近40km的天然氣管道試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，天然氣管道的架設(shè)高度相對(duì)比較平穩(wěn)，起伏變化范圍基本為500m～1300m。在前10km 的長(zhǎng)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(méi)有超過(guò)150m；在10km～20km 的長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)里程中的最大落差值；在30km～40km 的長(zhǎng)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(duì)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(nèi)的持液比例數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

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

為了直觀(guān)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(jié)果，如圖5 所示。

圖5 表2 中數(shù)據(jù)的柱狀圖結(jié)果

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

4 結(jié)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(duì)天然氣管道內(nèi)的積液清理展進(jìn)行了研究。首先，給出了天然氣管道內(nèi)可能出現(xiàn)情況的物理模型，進(jìn)而構(gòu)建了清管處理的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型。其次，確立了清管施工流程，并通過(guò)清管球發(fā)射對(duì)清管器的工作過(guò)程進(jìn)行了闡述。最后，在試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)對(duì)天然氣管道高程變化及清管處理的效果進(jìn)行了驗(yàn)證，證實(shí)了該文方法的有效性。