海底天然氣凝析液管道旁通清管模擬研究

曹學文 曹恒廣 杜 翰 趙湘陽 楊凱然 楊亞吉

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院)

0 引 言

隨著海上天然氣資源的大量開采，海底天然氣管道的作用越來越大[1]。其中天然氣凝析液管道常面臨管內積液嚴重、摩阻增大及輸送效率降低等問題[2-6]，嚴重影響海上油氣田的正常生產作業。通常采用定期投放清管器清管的方法來減少管內積液聚集并提高管道輸送效率[7-11]。隨著深水油氣田開采的進行，海底管道所處的高壓低溫環境以及復雜多變的地形使得凝析液易在天然氣管道內聚積，這對清管提出了更高的要求[12]。然而常規清管器在清管作業過程中運行速度較快，積液在清管器前端不斷堆積并在管內形成較長的段塞，大量段塞抵達海底管道出口導致終端段塞捕集器高液位報警[13-15]，同時清管段塞量過大會顯著降低海底管道對下游生產單位的供氣量，嚴重影響下游用戶正常的生產運行[16-19]。

工程上常通過在清管器球體上開設旁通孔的方式來解決海底天然氣凝析液管道常規清管器在清管時存在的問題，從而降低清管器的運行速度，提高清管過程中管道的輸氣量，抑制清管器前端段塞流的形成，減小管道終端捕集器的壓力波動以及對下游用戶正常生產的影響[19-20]。旁通清管器進行清管作業時，內部流場十分復雜，采用傳統的試驗方法無法準確獲取其流動狀態的各項參數。目前，M.H.W.HENDRIX等[21]利用Fluent軟件對3種不同結構旁通清管器的壓降系數進行數值模擬，模擬結果與壓力損失理論模型貼合較好。田宏軍等[22]采用Fluent軟件對管道清管器旁通流場進行三維數值模擬分析，發現高速流體通過旁路后會對管壁產生強剪切作用，并在清管器下游形成渦流區。因此可以采用數值模擬的方法來研究旁通清管器在清管過程中的運行規律。

筆者針對不同開孔結構導致的旁通特性差異，基于計算流體動力學理論，采用流體體積模型以及二維瞬態動網格計算方法，對中間開孔或周邊開孔旁通清管器的清管過程進行模擬與分析，并對旁通清管器的結構進行優化設計，以期為海底天然氣凝析液管道清管方案的制定提供相關依據。

第一，關于《盤山志》編寫的討論。 《盤山志》的搜集討論、考訂校對工作主要由王阮亭與朱竹垞完成，序言部分也是王士禎、高士奇、張朝綜等文人寫就，共八篇。 為此，經常有相關的書信往來，有關于書目的考證補充，有參與作序的謙敬之辭，或表現出考據家的嚴謹，或表現對智樸和尚的景仰，或表達借智樸《盤山志》之重以名垂千古的功利心態等。 如下：

1 旁通清管器清管模型建立

1.1 模型假設

旁通清管器在天然氣凝析液管道中抑制清管段塞的模擬過程中，假設條件為：①天然氣凝析液管道水平，忽略地形起伏；②模擬過程忽略熱交換的影響，流體溫度恒定。

粒子群算法是模仿鳥類的覓食行為，從隨機解出發，通過迭代尋找最優解，通過適應度來評價解的品質，具有較好的健壯性和收斂性[8]。利用粒子群算法對LED陣列優化的步驟如下[9]：

1.2 數值模擬控制方程

1.2.1 歐拉-歐拉流體體積模型

目前，處理多相流動過程有歐拉-歐拉和歐拉-拉格朗日2種數值計算方法。在歐拉-歐拉方法中，不同相被處理成相互貫穿的連續介質，一相占有的體積不能被另一相占有，計算域內不同相的分布通過體積分數來描述。體積分數是關于時間和空間的連續函數，不同相的體積分數之和為1。歐拉-歐拉流體體積(VOF)模型采用在固定歐拉網格下的自由表面跟蹤方法，可以實現對多種互不相融流體間交界面的追蹤。對于分層流和段塞流，最直接的研究方法就是選擇VOF模型。采用VOF模型對液相和氣相的自由表面進行追蹤，其連續性方程、動量方程和能量方程[23]如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

沉箱海測及陸側拋石棱體范圍計劃采用1艘8方挖泥船進行開挖，抓斗船平行碼頭方向布設，與碼頭預留約2米的安全距離。8方抓斗船吊臂長度大于27米，抓斗更換為4～6方的小斗，放低吊臂從側面伸入碼頭后方進行清挖，吊臂與水平面的角度約55°～60°，抓斗可開挖距離大于13米，可滿足清挖要求。泥駁靠泊在挖斗船外側，為了便于抓斗放渣，泥駁靠在抓斗船船尾。一次駐船可同時清挖碼頭海側和陸側區域，海側和陸側區域錯位距離約12米，為保證沉箱安全，先清挖陸側區域再清挖海側區域，且內外標高落差不得大于2米。

1.2.2 湍流模型

式中：?為通用變量；V為控制體體積，m3；?V為控制體積V的邊界；A為控制面面積，m2；ug為動網格的移動速度，m/s；Γ為廣義擴散系數；S?為?的廣義源項。

(4)

(5)

式中：k為湍流動能，J；xi為i方向上的坐標位置，m；xj為j方向上的坐標位置，m；ui為i方問上的速度，m/s；ε為湍流耗散率；Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能，J；Gb為浮力產生的湍流動能，J；YM為在可壓縮流動中脈動膨脹的擴散損耗；μt為湍流黏性系數；σk為湍流動能k的湍流普朗特數，σk=1；σε為耗散率ε的湍流普朗特數，σε=1.3；C1ε、C2ε、C3ε為常數，C1ε=1.44、C2ε=1.82、C3ε=0.09；SK、Sε均為自定義參量，J。

1.3 網格劃分與動網格設置

根據實驗室管路建立網格，設置管道模型內徑101.60 mm，管道長度3 700.00 mm。通過模擬旁通孔處的流場來研究旁通特性，以中間開孔清管器為例，每個測試網格中的單元數分別為109 787、156 172、228 948和323 830。軸線處的流量分布如圖1所示。228 948個單元和323 830個單元的模擬結果差別較小，因此采用228 948個網格系統進行數值模擬。同樣，用于周邊開孔旁通清管器的單元數為192 174。清管器及其周邊有限區域的有限元模型如圖2所示。

圖1 網格獨立性驗證Fig.1 Verification of grid independence

圖2 清管器及其周邊有限區域的有限元模型Fig.2 Finite element model of pig and its surrounding area

管道的入口邊界條件設置為速度入口，出口邊界條件設置為壓力出口，出入口邊界條件的具體數值根據模擬工況而定；管道內壁及旁通清管器球體輪廓均設置為不可滲透壁面，滿足無滑移條件。

(1)統一認證原理。一般而言，只有認證中心接受用戶的用戶名密碼信息進行驗證，其他子系統的登錄入口都跳轉到統一認證中心，授受認證中心的間接授權，間接授權通過令牌實現，認證中心驗證用戶信息通過后，創建授權令牌，授權令牌作為參數發送給子系統，子系統拿到令牌，再與認證中心校驗，后對用戶授權。中南大學圖書館采用的是基于安全斷言標記語言的統一認證系統，基于這一原理實現，無線認證系統可作為中心下轄子系統，使用中心的間接授權。

根據模擬清管器運動的時間選擇瞬態動網格計算方法。動網格計算模型主要模擬流域由于邊界運動引起其形狀隨時間變化的流動情況，故流動過程需符合動網格守恒方程，如式(6)所示。

(6)

湍流模型采用標準k-ε湍流模型，湍流動能方程和擴散方程如式(4)和式(5)所示[24]。

動網格計算模型選擇彈簧光順模型，彈簧常數因子為0.5，邊界點松弛因子為0.4。由于以三角形網格方式離散整個流動區域，所以重劃網格部分，選擇局部網格及局部面重構方法，通過profile文件定義清管器運動過程，清管器由管道左側運動至右側。

2 模擬結果分析

根據數值模擬結果，本文分析中間開孔與周邊開孔2種旁通清管器的流場變化及相分布特性。過大的旁通率會使清管器前后方的驅動壓差減小，并導致清管器運行速度過低，因此數值模擬主要研究旁通率φ為1%、3%和5%的清管器。

2.1 周邊開孔旁通清管器

從行業角度看，作為PCB行業老大，深南電路顯然是受益的。從公司的角度看，公司的亮點也頗多：1）技術領先提升盈利能力。深南電路擁有印制電路板、封裝基板及電子裝聯三項業務，其中印刷電路板產品豐富，具有較強的競爭力，尤其是在高精密度和高多層PCB板產品方面具有顯著優勢，可實現最高100層、板厚徑比20∶1等產品；封裝基板打破國外壟斷，成為全球先進半導體封測廠商合格供應商；電子裝聯可為PCB優質客戶提供一站式服務。由于公司產品主要針對中高端市場，因此價格也高于行業平均水平，公司PCB均價為2800元/平米，而同行僅為800-1000元/平方米。

圖3 管道整體相分布Fig.3 Overall phase distribution of pipeline

圖4 流場速度矢量圖Fig.4 Vector diagram of flow field

為了驗證所建數值模型的有效性，搭建了如圖14所示的試驗環道，使用空氣-水為試驗介質進行了旁通清管器清管試驗，得到不同開孔形式試驗工況下的清管器在不同旁通率下的排液速率。

2.2 中間開孔旁通清管器

綜合來看，河北等地個別大廠仍處停產檢修階段，而陜西等地多數工廠暫時進入停產階段，結合當前企業擁有較多待發訂單，市場現貨供應不足，價格推漲在所難免。

圖5 旁通流體相分布云圖Fig.5 Phase distribution cloud chart of bypass fluid

圖6 氣相速度對含氣體積分數沿軸向分布的影響Fig.6 Influence of gas flow rate on the axial distribution of gas content

圖7 旁通率對含氣體積分數沿軸向分布的影響Fig.7 Influence of bypass ratio on axial distribution of gas content

圖8 管內流體速度矢量圖Fig.8 Vector diagram of flow field

從圖6可見，相同旁通率下氣相速度越大，出現拐點的位置越遠，即旁通清管器對提高清管段塞含氣體積分數的效果越明顯。入口氣相速度為6 m/s時，不同旁通率下含氣體積分數沿軸向的變化情況如圖7所示。從圖7可見，旁通孔流量增加，出現拐點的位置越遠，對提高清管段塞含氣體積分數的效果越明顯。

清管器旁通率為3%、氣相流速為6 m/s時管內流體速度矢量分布情況如圖8所示。從圖8可見，氣相經過旁通孔時，在旁通孔前出現速度分層，經旁通孔后速度迅速升高，在旁通孔氣相的上、下兩側產生渦流，擴散至段塞處后速度降低。

旁通流速隨旁通率的變化曲線如圖9所示。由圖9可知，旁通發展穩定后，中間開孔旁通清管器旁通流速隨入口氣相速度增加而增大，在相同入口氣相速度下，旁通率越小，旁通孔對氣相節流效果越強，旁通流速越大。

中間開孔旁通清管器(旁通率為3%)運行時，旁通流體相分布云圖如圖5所示，其中紅色部分代表氣相，藍色部分代表液相。旁通氣相經由旁通孔對清管段塞的分散主要位于以管中心為對稱軸的半球形空間內。旁通初始階段，僅有部分旁通氣相分散清管段塞。隨著清管器的運動，旁通過程發展趨于穩定，當旁通充分發展后旁通氣相與清管段塞的接觸面積達到最大。在旁通率為3%時，不同氣相流速ug下含氣體積分數沿軸向變化情況如圖6所示。

式中：aq為第q相體積分數；ρq為第q相密度，kg/m3；u為流體流速矢量，m/s；uq為第q相的速度，m/s；ρ為混合相密度，kg/m3；p為壓力，Pa；μ為湍流黏度和分子混合黏度總和，(N·s)/m2；g為自由落體加速度，m/s2；F為外部作用力，N；E為能量，J；keff為有效熱導率，W/(m·K)；T為溫度，K；Sh為源項，包括輻射以及其他體積熱源；t為時間,s。

圖9 旁通流速隨旁通率的變化曲線Fig.9 Change of bypass flow rate with bypass ratio

3 中間開孔旁通清管器結構優化

根據不同開孔形式的旁通清管器抑制段塞的模擬結果，通過在清管器球體上開設旁通孔的方式可以使后方氣相通過旁通孔進入清管器前端，利用射流氣相可以推動液塞向前移動，延長清管器前端液相分布長度，從而降低單位時間內進入管道終端捕集器的液量，使段塞捕集器的處理載荷降低。

天然氣管道在實際清管過程中，清管器的磨損不可避免。隨著清管器運行距離的增加，清管器與管壁接觸表面各位置處的磨損深度不斷增加，磨損區域的寬度在不斷增加，且接觸表面的輪廓逐漸趨近于水平[25]。因此，周邊開孔的旁通清管器在實際使用過程中旁通孔結構受磨損影響較大，其清管效果不能夠得到有效保證。旁通清管器在發球筒中的啟動壓力隨旁通率的增大而增加[12]，針對高旁通率中間開孔清管器發球難度大的情況，擬在旁通孔前固定導流板，增加清管器的驅動力，從而解決發球困難問題。清管器結構如圖10所示。改進后的旁通清管器(見圖10)通過導流板增加清管器的驅動力，因此有必要對導流板帶來的流動特性變化進行分析。

以旁通率3%、氣相速度6 m/s的模擬結果為例，旁通清管器清管時管內相分布如圖11所示，其中紅色部分為氣相，藍色部分為液相。帶導流板的中間開孔清管器發生旁通時，流體流場的發展與中間開孔旁通清管器基本一致，旁通氣相都是經由旁通孔對清管段塞進行分散。當氣相經旁通孔向導流板擴散，由于導流板的存在，當擴散半徑大于導流板半徑時，氣相逐漸沿管道軸向運動。氣相流速為6 m/s、旁通率為3%時，帶導流板中間開孔旁通清管器清管時管內流體速度矢量分布情況如圖12所示。從圖12可見，導流板前流場的發展變化與中間開孔清管器的基本一致，當氣相經過旁通孔時，在旁通孔前出現速度分層，氣相經旁通孔后速度迅速升高。增加導流板后，旁通氣相沿導流板環空側繞過導流板逐漸向清管段塞擴散。

以旁通率3%的模擬結果為例進行分析，清管器以5 m/s的速度運行約0.14 s，清管器后端氣相速度為6 m/s，管道整體相分布如圖3所示，其中相分布云圖中的紅色部分為氣相，藍色部分為液相。旁通率為3%，液相速度為0.03 m/s，氣相速度為6 m/s時管內流體速度矢量分布情況如圖4所示。

1—骨架；2—密封板；3—導向板；4—導流板。

圖11 清管時管內相分布云圖Fig.11 Phase distribution cloud chart of bypass fluid

圖12 管內流體速度矢量分布情況Fig.12 Vector diagram of flow field variation

旁通氣相經過旁通孔后的速度越大，其對清管段塞的分散效果越好。而在旁通孔前固定導流板后，阻力增大使得旁通氣相流速降低。為研究導流板與旁通孔間距離L以及導流板直徑d對清管器旁通氣相繞流速度的影響，模擬計算了在不同旁通孔與導流板間距離L以及導流板直徑d的條件下，旁通氣相經過導流板后的繞流速度，如圖13所示。

政府采購管理工作涉及到的內容比較多，對相關專業學生的能力要求也較高，包括計劃申報、招標、項目的進度及驗收管理等多個環節，從此，相關專業的學生需要熟悉了解采購的規則、流程，掌握好相關的技能，了解法律、政策、財政等方面的知識，對學生來講，還要重視自身的反應能力的訓練，有團隊合作的精神，在工作中及時溝通交流。

圖13 導流板結構參數對清管器旁通流速的影響Fig.13 Influence of diversion plate structure parameters on bypass flow rate

由圖13可知，旁通流速隨導流板直徑d和導流板與旁通孔間距L先增加后減小，分別在d=0.55D和L=0.05D時旁通流速最大，D代表管道內徑。導流板直徑過大時，旁通氣相會在導流板與旁通孔之間產生渦流，使旁通流速迅速降低。在導流板與旁通孔間距較小時，旁通氣相從旁通孔流出后，高速沖擊導流板，旁通氣相的能量損耗嚴重；導流板直徑較大或導流板與旁通孔間距離較小時，旁通氣相形成的射流離開導流板與旁通孔之間的繞行區后，首先撞擊導流板，然后沿導流板和管壁向下運動，在射流和清管器之間形成一個渦流區域[26]。

4 數值模型的試驗驗證

4.1 清管試驗

由圖3和圖4可知，當入口氣相速度為6 m/s，高于清管器運動速度5 m/s時，部分氣相經清管器旁通孔運動至清管器前方并擴散。由于氣相流經旁通孔時流通截面減小，導致旁通孔內氣相速度急劇增加，當流體流過清管器之后，高速氣相從清管器表面分離出來，使清管器頭部與管壁間旁通附近出現速度分層，在清管器頭部形成渦流區，出現渦流。由于受到壁面和低速流體的剪切作用，管中流體速度會逐漸減小，最終將會達到穩定狀態。

圖14 兩相清管環道Fig.14 Two phase pigging loop

本次試驗設計并采用的中間開孔與周邊開孔旁通清管器如圖15所示。

新形勢下計劃指標使用管理的幾點思考（姜欽杰） ........................................................................................1-42

圖15 旁通清管器實物圖Fig.15 Pictures of bypass pigs

試驗步驟：①設備調試完畢后，啟動環道調節管道內液量和氣量達到試驗工況；②打開收球端出油閥和發球端主閥，同時關閉管壁收球端主閥和發球端進油閥；③打開排污閥和放氣閥，排水停止后關閉排污閥和放氣閥；④在收球端排污閥下放置一個積液收集桶接收來液，測試清管器排液能力；⑤開啟快開盲板，旁通清管器推入發送裝置喉部，以便球成功發出；⑥關閉快開盲板，打開進油閥以及發球閥，清管器開始運行；⑦關發球端主閥并關掉出口主閥，同時開啟收球筒排污閥接收來液；⑧收球端壓力表指針跳動后，開啟收球端主閥同時關閉電動球閥；⑨排水停止后關閉排污閥和放氣閥，計算排液時間并測出排出液質量；⑩改變工況，重復上述步驟，試驗結束后，關閉電源。

在介入PPP項目前，應對項目的合法、合規性進行充分的識別，關注政策動態變化，規避合規風險?，F階段至少應保證以下方面的合規性：

4.2 試驗結果與模型驗證

對上述試驗結果進行整理，得到如表1所示的試驗數據。由表1可以看出，旁通清管器在發球時，部分流體發生旁通，所需啟動壓力增大，在試驗范圍內啟動壓力隨旁通率的增大而增加。

表1 試驗數據Table 1 Experimental data

為了驗證所建數值模型的有效性，將相同工況下旁通清管試驗的排液速率與FLUENT數值計算模型出口液相流速的計算結果進行對比，如表2所示。由表2可知，試驗所得數據與FLUENT模擬結果之間的誤差在3%左右，誤差在允許范圍內。這說明數值模擬能夠較好地反映清管試驗結果，模擬結果可為旁通清管器在天然氣凝析液管道中的使用提供理論指導。

表2 試驗與數值結果對比Table 2 Comparison between experiment and simulation results

5 結 論

(1)氣相流經清管器旁通孔時流通截面減小，導致旁通孔內氣相速度急劇增加，且旁通率越小時旁通流速越大。對于周邊開孔的清管器，當流體流過清管器之后，高速氣相從清管器表面分離出來，使清管器頭部與管壁間旁通附近出現速度分層，在清管器頭部形成渦流區；對于中間開孔旁通清管器，旁通氣相對清管段塞的分散效果主要產生于以管中心為對稱軸的半球形空間內。

(2)通過在清管器球體上開設旁通孔的方式，可使后方氣相通過旁通孔進入清管器前端，氣相可以推動段塞向前移動，延長清管器前端液相分布的長度，降低單位時間內進入管道終端捕集器的液量。

(3)針對高旁通率中間開孔清管器發球難度大的情況，可在旁通孔前固定導流板，增加清管器的驅動力。增加導流板后，氣相離開旁通孔后沿管道徑向擴散，當擴散半徑大于導流板半徑時，沿軸向空間分散段塞。

實踐證明，在生動活潑、師生互動的課堂里、在豐富有趣的活動中，三年級學生的知識、能力會喜獲“雙贏”，他們的情感會得到升華，語文學科的魅力才足以得到展現。

(4)對導流板的結構參數進行了優化，導流板與旁通孔間距為0.05D、導流板直徑為0.55D時，旁通流速最大。