深水管匯溫壓一體變送器安裝方式優化

閆嘉鈺

(中海油研究總院深水工程重點實驗室，北京 100028)

目前陸上常規油氣資源出現持續性衰竭和新探明儲量不足的趨勢，因此海洋油氣資源開發成為世界各國的投資重點。全球海洋油氣資源分布不均，70%以上蘊藏在深水、超深水海域。深水油氣資源可通過水下井口、水下采油樹、水下跨接管、水下管匯及海底管道等關鍵設備構成的水下生產系統實現遠距離輸送。作為深水、超深水油氣田開發的重要模式，水下生產系統已廣泛應用在墨西哥灣、巴西及西非等區域的眾多工程項目[1]。隨著回接距離的增加，水下生產系統管道的流動安全風險大幅增加。由流動安全問題導致的管道堵塞及斷裂等事故所引起的停產損失、維修和治理環境污染代價極高。因此提高水下生產系統的可靠性，保障其長時間免維護無故障運行，保證系統的完整性，確保環境安全成為水下生產系統關鍵設備設計的重中之重。

流動安全問題的解決依賴于準確獲得水下生產系統管道關鍵位置處的工藝參數，如溫度和壓力。目前陸上和海洋平臺管道上傳感器的主要安裝方式有套管式[2]、非接觸式[3]和埋地探針式[4]3種，受限于水下生產系統所處海洋環境和系統清管要求，均無法使用。因此水下生產系統傳感器同管道采用管座-法蘭式安裝，管座、法蘭構成的支管同主管道軸線垂直，傳感器法蘭通過螺栓與支管法蘭連接。安裝方式對管道內流場、壓力和溫度場的影響，能直接影響測量精度和傳感器壽命，并最終影響整個水下生產系統的安全可靠運行。目前水下設備設計過程均未對該問題進行深入研究。結合“十一五”國家科技重大專項完成的國內首臺自主建造的深水管匯樣機，對水下溫壓一體變送器(Pressure and Temperature Transmitter，PTT)的安裝方式進行建模分析和優化，為水下設備產品設計提供參考。

根據帕斯卡定律，流場基本穩定時，局部連通區域內任意位置液體壓力在各方向上均相等。因此僅針對溫度測量進行研究。

水下管匯測量用支管和主管的安裝方式，內輪廓形狀對流道流場具有影響。流場對傳熱產生影響，最終影響流道溫度場分布。流體溫度變化反過來影響流體物性，并進一步影響流道內流場。因此溫度測量需要對流道內流體流動、溫度耦合場進行分析。該問題的主要影響因素關系框圖如圖1所示。

圖1 仿真影響因素關系框圖

對多場耦合問題進行理論推導難度過大，且無法獲得管匯樣機內部流場每一時刻各點的實際參數。為便于研究，選用流體專用計算軟件Fluent進行仿真研究。

2 建模假設

深水管匯樣機針對南海某大型深水氣田設計。為保證仿真結果的真實性和可靠性，各項參數采用該深水氣田實際數據。根據該氣田多相產物組分和氣田配產情況，通過hysys仿真計算得到井口溫度、壓力、流速、密度及熱導率等參數。

為突出主要影響因素，在保證所需仿真精度的前提下，作如下簡化：

a. 僅針對管道對稱面進行二維仿真；

b. 管匯出口溫度測量點距井口距離較近，忽略產物輸送過程中的物性變化；

c. 海水環境溫度取管匯所處水深常年溫度均值3.0℃，視海水環境為恒溫熱庫；

d. 忽略管道附近海水熱對流和管道向外熱輻射，僅考慮管道熱傳導；

e. 管道、管座、法蘭材料為均質碳鋼，忽略焊縫影響；

f. 為避免管道長度影響，以支管中軸線為界，主管入口方向取大于10倍法蘭內徑，出口方向取大于5倍法蘭內徑；

g. 湍流模擬采用目前使用最為廣泛的k-ε模型。

仿真模型如圖2所示，管道、管座和法蘭壁定義為固體區域，限制流體流動。其內部區域定義為流體區域。管道、管座和法蘭內壁定義為熱傳導邊界。法蘭表面、管道4個側壁(紅線部分)定義為絕熱邊界。管道、管座和法蘭外表面定義為恒溫邊界，主管內流體的溫度經固體區域傳導后在該邊界同外界海水進行熱交換。主管左側入口定義為速度入口，規定流體流速；主管右側出口定義為普通出口，不進行限制。

圖2 仿真模型簡圖

3 仿真和結果分析

分別對管匯樣機實際方式、支管向來流方向傾斜45°、向去流方向傾斜45°這3種安裝方式進行仿真，對結果進行匯總分析。為統一計算參數，使仿真結果具有可比性，采用目標氣田最大產氣年數據：多相產物溫度352K(79℃)，流速13.98m/s。

3.1 管匯樣機實際安裝方式(方式一)

該安裝方式下支管內流場和溫度場分布如圖3、4所示。

圖3 方式一支管內流場分布

圖4 方式一支管溫度場分布

為滿足壓力等級要求，管匯樣機管座、法蘭分別采用不同的設計標準，這樣導致內徑不一致，形成凸起。由于該凸起，結合直管左側管壁的阻擋作用，直管內流體形成下部逆時針方向和上部順時針方向兩個漩渦。下部漩渦中心部位流速相對邊緣部位流速低，為0.68m/s。靠近法蘭上表面處流速最低，小于0.01m/s。流動劇烈部位傳熱條件較好，故下部漩渦中心偏右上部同主管之間溫差最小，約為7℃；法蘭上表面同主管之間溫差最大，達到15℃。

3.2 支管向來流方向傾斜45°(方式二)

支管內流場和溫度場分布如圖5～7,為同管匯樣機對比，管座和法蘭取相等內徑，以消除支管內輪廓的影響。為便于觀察，圖6僅顯示支管內流速小于1m/s區域速度矢量，圖7僅對支管內同主管溫差小于5℃區域溫度場進行標識。

圖5 方式二支管內流場分布

圖6 方式二流速小于1m/s區域

圖7 方式二溫差小于5℃區域

由圖5可知，該安裝方式下支管內流場僅形成單一逆時針漩渦，整體循環傳熱條件較好。由圖6可知支管內流速較低區域分布在支管上部和中心區域，對比圖7，重合區域為支管同主管溫差較小區域，溫差為4℃。

3.3 支管向去流方向傾斜45°(方式三)

支管內流場和溫度場分布如圖8～10所示。與安裝方式二相同，管座和法蘭取相等內徑。為便于觀察，圖9僅顯示支管內流速小于1m/s區域速度矢量，圖10僅對支管內同主管溫差小于5℃區域溫度場進行標識。

圖8 方式三支管內流場分布

圖9 方式三流速小于1m/s區域

圖10 方式三溫差小于5℃區域

由圖8可知，受右側連接處和法蘭左側管壁阻擋，支管內流場形成下部逆時針、上部順時針兩個漩渦，其中下部漩渦體積較小但流速快，上部漩渦體積較大但流速慢。由圖9可知，支管內流速較慢部位包括下部漩渦中心區域和除法蘭中心外的幾乎全部上部漩渦區域。對比圖10可知，由于下部漩渦流速快，傳熱條件好，其同主管溫差小。相反，整個支管上部漩渦區域同主管溫差均超過5℃。

4 結論

4.1 安裝水下PTT的管座、法蘭建議盡量采用相同內徑，以避免支管內流場形成多個漩渦，影響傳熱。

4.2 對安裝方式一，傳感器探頭最好能伸入下部漩渦中心，該處流速、測量溫差均較小。但油氣流中一般攜帶磨粒，若將傳感器探頭伸入下部漩渦中心，其上部支桿會暴露于下部漩渦流速較高區域，長期沖刷會影響PTT使用壽命，降低可靠性。

4.3 對安裝方式二，傳感器探頭只需伸入支管超過支管總長度一半即可，該區域流速、測量溫差均較小，既保證了測量精度，又降低了傳感器探頭和支桿沖刷損壞的風險。

4.4 對安裝方式三，傳感器探頭需伸入下部漩渦中部，以獲得較準確的溫度值。下部漩渦中部

流速較小區域面積極小，要保證傳感器探頭準確定位難度較大，且支桿全部位于流速較高區域，長時間沖刷極易造成PTT損壞。

4.5 通過對3種安裝方式的比較，推薦采用安裝方式二。

4.6 建議水下管匯設計增加相關分析內容，以獲得最優測量結果。

[1] 劉太元，郭宏，閆嘉鈺.基于光纖的開放式架構水下生產控制系統研究及應用[J].化工自動化及儀表，2012，39(2):209～211.

[2] 孫雪松.套管式溫度計測量誤差計算[J].油氣田地面工程，2010，29(7):34～35.

[3] 董金锠，趙有信.用超聲波測量管內流體溫度分布[J].山東工業大學學報，1991,21(4)：66～69.

[4] 安家榮，植樹培，張國忠.采用探針法測量熱油管道周圍土壤溫度場[J].油氣儲運，1998,17(8)：41～43.