摘 "要""大落差液體管道投產(chǎn)過程中管道內(nèi)存氣對(duì)投產(chǎn)期間流量、壓力的控制影響顯著，必需在投產(chǎn)之前有效預(yù)測管內(nèi)存氣的影響，并提前采取措施。以具有較大起伏落差的某航煤管道為例，對(duì)“空管投油”過程進(jìn)行仿真研究，對(duì)比分析了隔離球放置對(duì)管道排氣的影響。

關(guān)鍵詞""大落差管道 "投產(chǎn) "隔離球 "管道存氣" " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406013

中圖分類號(hào)""TQ055.8+1"""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼""A""""""""""""""""文章編號(hào)""0254-6094（2024）06-0000-00

我國西部成品油管道、蘭成渝成品油管道、蘭鄭長（甘肅段）成品油管道、蘭成原油管道、中緬原油管道、西南成品油管道（貴渝支線）、三塘湖原油外輸管道等都屬于典型的長距離大落差管道，敷設(shè)路線有時(shí)會(huì)不可避免地選擇在山區(qū)。國外加拿大穿山管道、玻利維亞Santa至智利Arica管道、伊朗Ahwaz至Tehran管道、沙特阿拉伯卜凱克至延布管道、哥倫比亞Orito至Tumaco管道、巴西Osrio管道等都屬于典型的大落差管道[1]。雖然大部分管道在投產(chǎn)時(shí)采用各種措施來減少管內(nèi)存氣，但在管道投產(chǎn)過程中管段存氣現(xiàn)象是很難避免的。在向管內(nèi)充液的過程中，管內(nèi)的氣體會(huì)因重力等原因滯留在管道內(nèi)，尤其是在地形起伏較大的管道中，翻越點(diǎn)后可能會(huì)以不滿流的形態(tài)自流至管段低洼處形成積液。此時(shí)，下坡段中的氣體會(huì)被低洼處產(chǎn)生的積液密封在高處，形成大段的氣-液共存區(qū)[2]。如果管內(nèi)氣體不能及時(shí)排出，可能在投產(chǎn)時(shí)發(fā)生超壓危險(xiǎn)。

大落差管道投產(chǎn)過程實(shí)際上是液-氣置換的不穩(wěn)定流動(dòng)過程，投產(chǎn)中可能出現(xiàn)泡狀流、團(tuán)狀流、分層流、段塞流等流型，水力工況復(fù)雜。目前已經(jīng)有部分學(xué)者對(duì)大落差液體管道的投產(chǎn)過程開展了研究[3～12]。張楠等針對(duì)大落差對(duì)西部成品油管道注水階段的影響及管內(nèi)存氣對(duì)投產(chǎn)的影響開展分析[3]。王琪來等對(duì)起伏管段采用模擬方法分析了含滯止氣段的充液流動(dòng)過程和水力參數(shù)變化特點(diǎn)[4]。張盛楠等針對(duì)起伏管道投產(chǎn)過程，將處于液氣置換過程中的管道分為積氣段、氣泡段和轉(zhuǎn)彎段3部分，并提出了對(duì)應(yīng)的壓降計(jì)算方法[5]。筆者基于空管投油的投產(chǎn)方式對(duì)大落差管道投產(chǎn)過程開展模擬分析，進(jìn)一步掌握管內(nèi)壓力、含氣率特征，以期為大落差管道的投產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 "模型理論

OLGA多相瞬態(tài)模擬軟件采用擴(kuò)展的雙流體模型[13]，即氣相、液相和氣相中夾帶的液滴。

連續(xù)性方程：

式中""——管內(nèi)橫截面積；

G——各相的質(zhì)量源；

V——各相體積分?jǐn)?shù)；

v——各相流速；

ρ——各相密度；

ψe——液滴夾帶速率；

ψd——液滴沉積速率；

ψg——?dú)庖合嚅g質(zhì)量傳遞速率。

下標(biāo) "D——液滴；

g——?dú)庀啵?/p>

L——液相。

動(dòng)量方程：

式中""g——重力加速度；

p——壓力；

S——各相界面的濕周；

vr——相對(duì)速度；

α——管道傾角；

下標(biāo)""i——?dú)庖褐g的界面。

2 "管道投產(chǎn)過程分析

為了降低或抑制投產(chǎn)過程中的管道含氣，筆者將重點(diǎn)討論投產(chǎn)中添加隔離球產(chǎn)生的影響。選取具有較大起伏的某航煤管道為例開展分析，航煤管道總長63.5"km，管內(nèi)徑為206"mm，設(shè)計(jì)輸量為100×104"t/a，管道末端壓力為0.2"MPa，不考慮溫度變化的影響。對(duì)未加隔離球和不同時(shí)間放置隔離球的投產(chǎn)工況開展仿真模擬。

2.1""油頂?shù)獨(dú)馕醇痈綦x球

考察油頂?shù)獨(dú)馕醇痈綦x球（工況1）投產(chǎn)完成時(shí)的管道沿線持液率、壓力分布情況，具體如圖1、2所示。由圖可知，沿線持液率在管道高點(diǎn)處均小于100%，說明投產(chǎn)后管道中會(huì)存在滯留的氣體。含氣率較高的位置出現(xiàn)在26.4、40.3、61.6、62.5"km處，上述位置的含氣率分別為69%、65%、79%、80%，同時(shí)計(jì)算得到的管道入口壓力6.9"MPa。

2.2""油頂?shù)獨(dú)?0 h后（939 m3油）加隔離球

對(duì)油頂?shù)獨(dú)?0 h后加隔離球（工況2）投產(chǎn)工況開展仿真模擬。投產(chǎn)5"h時(shí)管道沿線的持液率分布如圖3所示。在油品進(jìn)入管道5"h過程中（此時(shí)還未加隔離球），管道內(nèi)流動(dòng)情況與工況1相似，油流已到達(dá)的管道沿線高點(diǎn)持液率均小于100%，表明油品并不能完全置換氮?dú)?，且氣體主要積聚在管道中的高點(diǎn)和下坡段。此時(shí)含氣率較高的位置在9.9、13.7、14.5"km處，上述位置的含氣率分別為64.0%、73.3%、83.0%。

自10"h添加隔離球至投產(chǎn)完成后，管道沿線持液率、壓力分布如圖4、5所示。此時(shí)管道沿線持液率均達(dá)到100%，表明添加隔離球投產(chǎn)后，管道中的氣體已排盡。計(jì)算得到的管道入口壓力為5.15"MPa，明顯低于管道中仍然存氣的工況1入口壓力。

2.3""油頂?shù)獨(dú)? h后（207 m3油）加隔離球

對(duì)油頂?shù)獨(dú)? h后（207 m3油）加隔離球（工況3）投產(chǎn)工況開展仿真模擬。投產(chǎn)5"h后（已加隔離球2"h）的管道沿線的持液率分布如圖6所示。油流已到達(dá)的管道沿線高點(diǎn)持液率均低100%，這表明油品并不能完全置換氮?dú)?，但含氣率已低于工況1、工況2。含氣率較高的位置在9.9、13.7、14.5"km處，上述位置的含氣率分別為32.5%、65.0%、85.0%。

自3"h添加隔離球至投產(chǎn)完成后，管道沿線持液率、壓力分布情況如圖7、8所示。此時(shí)管道沿線持液率均達(dá)到100%，表明添加隔離球投產(chǎn)后，管道中的氣體已排盡。計(jì)算得到的管道入口壓力為5.13"MPa，略低于油頂?shù)獨(dú)?0"h后投球的工況2入口壓力，明顯低于管道中仍存氣的工況1入口壓力。

由不同工況模擬結(jié)果與實(shí)際投產(chǎn)過程中測試的首站壓力對(duì)比結(jié)果（圖9）可知，仿真結(jié)果能夠較好描述投產(chǎn)過程，體現(xiàn)出加隔離球?qū)艿姥鼐€含氣率的影響，但對(duì)投產(chǎn)過程的壓力計(jì)算結(jié)果仍與實(shí)際投產(chǎn)壓力存在偏差。加設(shè)隔離球的工況首站壓力明顯低于不加隔離球的工況，且隨著加設(shè)隔離球時(shí)間的縮減，壓力下降越明顯。例如在33"km處，不加隔離球和10"h后加隔離球投產(chǎn)的首站壓力為5.2"MPa、5"h后加隔離球首站壓力為4.93"MPa、3"h后加隔離球首站壓力為4.28"MPa。

3 "結(jié)束語

對(duì)某大落差航油管道放置隔離球不同條件的投產(chǎn)工況進(jìn)行模擬并對(duì)比，再現(xiàn)了現(xiàn)場實(shí)際的投產(chǎn)過程。根據(jù)模擬結(jié)果，建議在工程實(shí)際投產(chǎn)時(shí)應(yīng)盡早投隔離球，有助于降低投產(chǎn)壓力。

大落差管道投產(chǎn)期間的排氣工作是管道能否順利投產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。建議在大落差液體管道適當(dāng)位置考慮設(shè)置高點(diǎn)放空閥室，并設(shè)置好臨時(shí)排氣點(diǎn)，保證數(shù)量滿足排氣要求。要充分考慮上游泵站提供壓能的富裕度，增大低點(diǎn)地段的承壓等級(jí)，以克服管道投產(chǎn)過程中水和空氣、油和空氣形成多相流產(chǎn)生的摩阻，以及油頂水過程中，大落差U形彎處密度差所帶來的能量差。氣阻發(fā)生后，假如情況不嚴(yán)重，在確保管道不超壓、設(shè)備仍能運(yùn)行的前提下可通過提高上游出站壓力的方式來解決。水聯(lián)運(yùn)期間多次發(fā)送清管器逐步掃除管內(nèi)氣體。充水掃線初期大部分高點(diǎn)處都會(huì)存在氣阻，但隨著氣體不斷被水流或者清管器帶出管道，氣阻的影響會(huì)逐漸減少直至消失，管道流量和壓力逐步恢復(fù)正常。

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（收稿日期：2024-01-18，修回日期：2024-11-04）

作者簡介：公茂柱（1983-），高級(jí)工程師，從事液體長輸管道輸送方面的研究工作，gongmz_hb@cnpc.com.cn。

引用本文：公茂柱，郭靖，宋金鳳，等.大落差液體管道投產(chǎn)過程水力分析研究[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.