天然氣管道積液預測技術研究與應用

李先兵，康 寧，王曉冬，呼 軍，李 凱，韓 煒，李兵剛

（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710016）

蘇里格氣田東區天然氣含有飽和水蒸氣、游離水以及少量凝析油，在集輸過程中，飽和水蒸氣隨管線壓力降低和地下溫度的降低會連續凝結析出水，部分游離水和凝析油會滯留在管線的低洼部分，管線的長期運行會使水和凝析油越積越多，給集輸帶來很大的麻煩；積液量的增多會增加管道阻力和壓力脈動，增加動力消耗；水的存在還會加速硫化氫、二氧化碳對管線的腐蝕，導致水合物的生成，使管線和設備堵塞。凝析油的析出同樣會增加集輸管道的阻力和壓力波動，影響集輸過程的安全性。因此，及時預測和測量輸送管道內天然氣和液體流量，測量天然氣中的累計水含量和液量，對天然氣集輸的安全性和經濟性有著重要的意義。

本文主要對水的凝結機理開展研究，通過對由于壓力和溫度變化天然氣中水蒸氣的凝結的計算和對管線壓力降的變化和波動情況分析，進行輸氣管線積液預測與計算研究，提出積液量預測方法并現場應用研究[1-4]。

1 管線積液量壓力降計算方法

沿程壓力的降低使氣體體積增加，密度減小，同時也引起壓力變化，在較長的管線內，這個壓力變化也是不能被忽略的。管線進出口的水平高差主要引起管道內液體重位壓力降，在計算模型中需要考慮。據以上測量、計算、分析可以知道管線中有多少積液量。這些積液量呈何種狀態，對天然氣集輸的影響，可以實時給出管線中積液的各種參數和管線的運行狀態。

研究分析天然氣管線中氣液兩相流動所產生的壓力降特性可以計算出管線內積液量。

依據范寧方程式，管線沿程摩擦壓力降為：

式中：ΔPf-摩擦壓力降，Pa；λ-摩擦系數；u-流體流速，m/s；ρ-流體密度，kg/m3；L-管道長度，m；d-管道內徑，m。

在輸氣工程中為了提高輸送量，流體流型多處于湍流區，式中摩擦系數的數值可根據管道粗糙度進行修正。對于較長的輸氣管道，若管內流體為含濕氣體，通常將摩擦系數乘以1.2，以補償管內腐蝕引起的摩擦損失，所以摩擦壓力降計算公式應為：

管線中的重位壓力降，也就是由于管線高度差形成靜態積液而產生的壓力降。

式中：ΔPs-重位壓力降，Pa；Z2、Z1-管道出口、入口標高，m；g-重力加速度，9.8 m/s2。

速度壓力降，對于流體流經閥門、管件等產生的速度壓力降，這里選擇當量長度法進行計算。該方法將所計算管件折算為直管的當量長度，即可得到與摩擦壓力降計算公式形式相同的計算式，常用閥門及管件的當量長度可由工程手冊查表得出。

式中：Le-閥門、管件當量長度，m。

綜上所述，可得出氣體管道壓力降計算公式：

當積液增加，管線中會產生段塞流，壓力波動加大，還需要計算段塞流的脈動壓力降。因此，壓力降計算積液方法中需要計算四個方面壓力降：沿程摩擦壓力降、段塞流脈動壓力降、重位壓力降和速度壓力降。

考慮到天然氣產量的變化對壓力降的影響，對計算式進一步修正。

式中：ΔPg-由于天然氣產量增加而產生的壓力降，Pa；ub-天然氣產量增加后的流速，m/s；ua-天然氣已有流速，m/s。

那么，真實積液引起的壓力降為：

式中，如果管線內天然氣流量增加，為正，如果天然氣流量減少，則為負。

這樣，依照管線兩端的壓力降，就可以預測出積液的量，如果大于一定量，那么，需要進行排液了。

式中系數C 由經驗數據確定，一般采用C 為0.1，對一根管線來說，確定后就不再變，以后每次清管排液都可以根據式（9）來決定清管排液。

在實際生產中，各種運行參數隨時間而變化，但是最終都反映到壓力降這個參數上。通過檢測管線兩端的壓力降可以精確得到積液量的大小。壓力降液量計算相比理論計算公式更加精確，可靠。與凝結液量計算可以相互補充，提高計算精度，增加可靠性。

根據壓力降的大小同樣可以計算出積液量的大小。當管線內剛清除了液量，管線進出口壓力差最小，隨著積液產生和增加，引起流動阻力增加，積液達到一定量，就會極大增加壓力損失，這時就需要清管工作。凝結液量計算和壓力降液量計算是兩種不同的計算方法，可以相互補充，提高計算精度，增加可靠性。

2 積液量預測方法在管道中的應用

2.1 提出新的積液量預測方法

當管線內只有天然氣流動，這時測量得到的管線壓力梯度可以看作是由天然氣流動產生的壓力梯度Δp0，這個壓力梯度包括了管線內壁粗糙度、彎頭的影響，與式（8）相同。

式中：p1-管線上游端進口壓力，Pa；p2-管線下游端出口壓力，Pa。

理論計算由少量水增加引起壓力梯度的增加，管線內的流動方程為：

求微分：

式中：u-管線中天然氣流速，m/s；Qw-增加的水量，m3；A-管線截面積，m2。

以蘇東a～蘇東b 支線為例：管線直徑207 mm，長度12.44 km，天然氣流量11.2×104m3/d。

由1 m3增加所產生的壓力降為：

這個計算說明，在管線里增加了1 m3的水，產生的壓力梯度約23.4 kPa。反過來說明，當天然氣流量不變，測量出的壓力梯度增加了23.4 kPa，那么表示水增加了1 m3。

2.2 積液量預測方法的現場應用

利用研究出的積液量預測方法，選取4 條集氣管線計算出積液量并通過清管進行驗證，現場試驗數據見表1。通過對4 條管線的數據分析以及與理論計算比較，理論計算液量與實際清出液量偏差在10.0%～18.7%，平均相對誤差為14%。認為對氣液多相流的壓力降分析與微分分析求解，由微小液體體積增量引起的壓差微增量是可以計算積液量的（表2、表3）。

表1 集氣管線基本參數

表2 上半年清管前后實際和理論計算液量對比

表3 下半年清管前后實際和理論計算液量對比

根據壓力降的大小，可以精確預測出清管時間與積液量的大小：

從經濟考慮現在管道輸送效率小于90%時，就可考慮進行清管作業。也就是式中系數C 一般取1.0～3.0；k 一般取0.1；在幾次清管后，得到最優化C、k 值，更能確定最佳清管時間。式（16）為積液量計算式，式（14）、式（15）是預測清管的公式，這個公式的精度取決于Δp積液、Δp0的測量精度。

3 結論

本文主要通過開展水的凝結機理研究，提出積液量預測方法，進行輸氣管線積液預測與計算。通過研究與現場應用得到以下結論。

（1）提出了積液量預測計算的兩種方法，天然氣內含水量計算新關系式和管線積液量預測計算方法。

（2）計算管線積液量關系式與實際管線清管積液平均偏差為14%。

（3）提出了管線清管時間判據式。

（4）對4 條管線清管數據進行了分析，數據表明提出的積液量預測計算方法偏差較小，可以用來計算管線積液量，同時指導集氣管道常規清管工作。