輸氣管道清管作業動態模擬分析與研究

張曉東，孫世武，馬軍鵬，劉畑，翟瑞欣，陳學敏

1.中國石油華北油田分公司 工程技術研究院（河北 任丘062552）

2.中國石油華北油田分公司 消防支隊（河北 任丘062552）

3.中國石油新疆油田分公司 油氣儲運公司（新疆 昌吉831100）

4.中國石油管道局工程有限公司 第四分公司（河北 廊坊065000）

在氣田開發的前期和后期，由于輸氣量不足，輸氣管道常處于低輸量工況，氣體流速減緩，在地勢低洼及低洼上坡管段形成積液，導致管內流動空間減小，沿程摩阻增大，當積液足夠多時，會形成間歇性段塞流，同時可能形成水合物發生凍堵。為了保證輸氣管道高效運行，必須定期進行清管作業。但管道運行過程中，溫度、壓力、氣量、組分等工況變化均會影響管內積液情況[1-2]，因此實施清管作業前有必要對管內積液情況進行模擬，制定合理的清管方案和清管周期，保證管道安全運行。

1 確定清管策略

SY/T 5922—2012《天然氣管道運行規范》中規定，可依據管輸介質的氣質組分、輸氣效率和壓差變化等原則確定合理的清管策略。徐文龍等[3]認為一些較大管徑的輸氣管道在輸氣量較小時，即使進行反復清管，輸氣效率仍然小于95%，故輸氣效率無法指導清管策略的制定；陳思錠等[4]認為故障停機、計劃放空、停輸作業、儲氣調峰等操作均會影響沿程壓降變化，故最大壓降法在特殊瞬態工況條件下容易導致誤判。因此，為了保證下游分離器或段塞流捕集器可以在清管作業階段安全接收清管段塞或積液，以分離器的有效容積作為清管方案是否可行的依據[5]。

2 軟件模擬

某輸氣管道為集氣站氣液分離器分離出的濕氣，通過管道輸送至中央處理廠進行脫水、脫烴、脫碳等深度處理，管長21.03 km，管徑355.6 mm，壁厚8.5 mm，設計輸量1.6×104m3/h。該氣田處于產能初期，單井采用氣嘴控制產量，管道實際輸量為5 000 m3/h，入口溫度60℃，出口溫度25℃，出口分離器設定壓力3.5 MPa，有效容積150 m3。采用3PE防腐層，管道沿程起伏較大，最大最小高程差為253 m，沿線管道路由如圖1所示。由于投產后實際輸量低于設計輸量，一直未進行清管作業。

圖1 管道路由

采用多相流瞬態模擬軟件OLGA進行數據建模，入口流量節點，入口流量5 000 m3/h；出口壓力節點，出口壓力3.5 MPa。先將模型置于穩態運行，由于OLGA軟件采用入口溫度計算出口溫度，出口壓力反算入口壓力的方法，穩態完成后出口溫度和入口壓力與實際工況相比誤差在5%以內，說明水力和熱力計算結果準確，可以為后期的清管作業提供模型基礎。導入穩態Restart文件，在穩態的基礎上進行清管作業，第2天放入清管器，模擬時間80天。清管器與內壁的阻尼系數為9 500 N·s/m，根據規范要求，過盈量取5%。模擬結果如圖2所示。

圖2 清管模擬結果

在清管作業開始前，管內穩態的積液量為377 m3，入口壓力5.1 MPa，清管后積液量迅速下降至9 m3，入口壓力下降至3.6 MPa。忽略作業前后氣體溫度、黏度、壓縮因子等工況參數的變化，采用式（1）計算輸氣量增加了70%，公式如下：式中：p1和p2分別為清管后和清管前的入口壓力，MPa；p0為出口壓力，MPa。

在清管模擬中，清理出來的液量為368 m3，遠大于分離器的有效容積150 m3。一方面可采用間歇清管的方式，當清出積液達到分離器高高液位時，關斷入口輸氣閥門，待分離器液位降低至低低液位時，恢復輸氣。但該方法涉及停輸再啟動瞬態過程，在停輸階段，由于與周圍環境熱交換導致溫度降低，管內積液情況會更加嚴重，也有可能形成水合物，造成惡性循環。另一方面，可增加清管作業的次數，在管內積液量達到分離器有效工作容積之前進行作業，根據圖2，管內積液150 m3時對應的瞬態天數為16天，此時管內積液尚未達到穩態，清管周期過短可造成不必要的資源浪費，同時清管作業屬于風險作業，如遇卡堵現象直接影響下游產量。

3 積液影響因素分析及清管方案優化

大量學者對輸氣管道積液的影響因素及變化規律進行了研究[6-7]，在其余因素不變的條件下，入口氣量增加，氣體流速增大，攜液能力增強，積液量減小；管徑增大，氣體過流面積增加，流速減小，積液量增大；出口壓力增加，由于氣體具有可壓縮性，氣體體積減小，截面持液率增大，積液量增大；氣體中重組分含量增加，相圖變寬，凝析液量增加，積液量增大[8-10]。綜上所述，氣體流速是導致積液產生及形成的主要因素，其余因素如管徑、氣質組分等屬不可調節因素。因此，將清管分為吹掃和清管兩個階段，即在發球前進行吹掃作業減少管內積液量，通過提高入口氣量或降低出口壓力實現；在發球后進行清管作業，通過降低入口氣量或提高出口壓力實現。降低清管器在管內的行進速度，使積液緩慢推出進入分離器，運行速度需滿足規范要求。

根據不同的運行狀態和管輸環境，選擇幾種方式達到作業目的。在此，模擬4種清管方案。

1）先增大入口氣量（5 000 m3/h→6 500 m3/h），后減小入口氣量（6 500 m3/h→3 500 m3/h）。

2）先增大入口氣量（5 000 m3/h→6 500 m3/h）后提高出口壓力（3.5 MPa→5 MPa）同時恢復入口氣量（6 500 m3/h→5 000 m3/h）。

3）先降低出口壓力（3.5 MPa→2 MPa）后提高出口壓力（2 MPa→5 MPa）。

4）先降低出口壓力（3.5 MPa→2 MPa）后減小入口氣量（5 000 m3/h→3 500 m3/h）同時恢復出口壓力（2 MPa→3.5 MPa）。

4種清管方案的模擬結果如圖3所示。①在方案1中，吹掃階段管內積液量降低至315 m3，出口最大段塞量21 m3，清管階段管內積液量大幅下降，出口最大段塞量290 m3，超過了分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為1.5 m/s，此方案不可行。②在方案2中，吹掃階段的積液量和出口最大段塞量與方案1相同，清管階段在恢復入口氣量的同時提高了出口壓力，積液量大幅下降，出口最大段塞量118 m3，未超過分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為0.3 m/s，與方案1相比，清管速度更小。清管時間從0.62天延長到了1.05天，此方案可行。③在方案3中，吹掃階段管內積液量降低至188 m3，降壓方式的吹掃效果比增大入口氣量好，出口最大段塞量143 m3，清管階段出口最大段塞量230 m3，超過了分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為1.6 m/s，此方案不可行。④在方案4中，吹掃階段的積液量和出口最大段塞量與方案3相同，清管階段在恢復出口壓力的同時減小了入口氣量，積液量大幅下降，出口最大段塞量110 m3，未超過分離器的有效容積150 m3，清管器的最大速度為0.5 m/s，與方案3相比，清管速度更小，清管時間從0.61天延長到了0.82天，此方案可行。

圖3 不同方案模擬結果

綜上所述，方案2和方案4可作為備選方案，兩種方案在清管階段的出口段塞量接近，其中方案2在吹掃階段的出口段塞量更小，清管器運行速度更小，清管時間更長。因此選擇方案2作為清管優化方案。

4 現場作業

根據方案2進行現場作業，清管器共運行19.52 h，與模擬結果19.68 h接近，清管段塞達到分離器后，分離器液位迅速上升，根據油相和水相出口計量結果，吹掃階段油相約為18 m3，水相約為2 m3，與模擬結果21 m3接近；清管階段油相約為105 m3，水相約為10 m3，與模擬結果118 m3接近，證明模擬結果準確，可以用于指導清管作業和滿足生產需求。

5 結論

1）為了保證下游分離器或段塞流捕集器可以安全接收清管段塞，選擇將分離器的有效容積作為清管方案是否可行的依據。

2）通過調節氣體流速控制管內積液量及出口段塞量，在吹掃階段盡量增大氣體流速，清管階段降低氣體流速，可有效排除積液，保證分離器正常工作。

3）對比分析了4種清管方案，其中先增大入口氣量后提高出口壓力同時恢復入口氣量的做法，可使吹掃和清管階段的出口段塞量最小，清管器的運行速度最小。