天然氣管道電加熱解堵技術應用研究

2022-11-29 04:01:42陳昱芃

遼寧化工 2022年11期

陳昱芃

（西南油氣田分公司輸氣管理處，四川成都 610213）

天然氣管道凍堵，會對管道輸量造成巨大影響，嚴重時可造成停輸事故。而管道內積水是發生凍堵的主要原因，所以天然氣管道需根據實際工況進行不定期清管作業，將積水排出，提高管輸效率。但在部分地區，冬季地溫在零度以下，導致管內積水結冰，大大減小了管道的流通截面。使氣體在結冰管段發生截流效應，輸量隨之下降。結冰后的管段，即使清管也無法達到清除積水的目的。傳統方法通過管道開挖，將結冰管段進行外部加熱來疏通管道，但該方法工作量較大，疏通作業工期長，不利于快速處理凍堵事故。近年來，管道電加熱解堵技術對原油管道凝管事故的應用越來越多，該方法不僅解堵速度快，而且管道開挖工作量小[1-9]。本文借助CFD仿真軟件建立管道與液體介質的流固耦合模型，將電加熱解堵技術應用于天然氣管道（圖1），模擬計算管道中積水凝固融化過程及融化速率，分析電加熱解堵技術對天然氣管道的適用性，以期為天然氣管道凍堵疏通作業方案制定提供理論依據。

圖1 管道電加熱解堵工藝圖

1 模型建立

1.1 物理模型

本文借助 CFD仿真軟件建立管道積水凝固凍堵的二維模型，計算區域包括積水區和鋼管區兩部，分均采用四邊形網格進行單元劃分，其中積水區作為主要研究對象對網格進行細化并對臨近管道內壁區域劃分流動邊界層（圖2）。利用該模型分別模擬計算不同管徑凍堵工況下積水融化規律和速率的變化情況，分析管道解堵效果。

圖2 管道徑向模型網格圖

1.2 數學模型

積水融化相變研究過程中主要發生流體傳熱和流動現象，滿足文獻[10-11]中3類控制方程。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

其中：τij—應力張量，Pa；

gi和Fi—i方向上的重力體積力和外部體積力，N·m-3；

p—靜壓力，Pa。

τij用式（3）計算：

能量守恒方程：

其中：E—內能，J；

Jj'—組分j′的擴散流量，m3·s-1；

Sh—用戶定義的體積熱源項，J·kg-1；

keff—有效導熱率W·(m·K)-1；

hj'—同分子物質的焓值。

E、h采用式（5）、式（6）計算：

式中：mj'—組分j'的質量分數。

1.3 邊界條件和初始條件

由于管道通電加載解堵溫度時，鋼管外壁與內壁間傳熱幾乎無溫度損耗，故本文模型中只針對管道內壁與積水區的導熱和固液相變過程進行研究。

式中：Tw—調節管道輸入電流及頻率管道外壁獲得的加載溫度；

Td—管道周圍地溫。

1.4 物性參數

以東北某天然氣管道低洼段凍堵疏通為例，管徑D610 mm×12 mm，管道埋深1.5 m，凍堵距離100 m，管道周圍地溫-4 ℃，積水的凝點和融點均為0 ℃，冰溶解熱為333.146 kJ·kg-1，凍堵模型中其余介質相關物性參數如表1所示。

表1 管道積水凍堵模型相關物性參數

2 數值模擬與結果分析

2.1 積水融化相變規律分析

天然氣管道凍堵疏通作業，給管道外部加載的溫度越高，管內凝固介質的融化速度越快，解堵疏通速率越高。但無論是天然氣管道還是其他介質管道，都需要考慮溫度對管道熱應力、內涂層以及防腐層等的影響，溫度太高會對管道造成極大的傷害，影響管道未來的使用壽命。我國目前長輸管道大部分設計溫度是不高于 70 ℃，故在解堵過程中從管道安全角度考慮，給管道施加的外部溫度與設計溫度之間要留出安全余量。另外，解堵設備一定的條件下，解堵的管段越長，管道阻值越大，則需要輸入巨大電流才能使管壁達到并維持解堵溫度，電力能耗極高，且對發電機、變壓器及電纜等設備要求隨之提高。本文從安全及能耗雙方面考慮假定管道加載的解堵溫度為40 ℃來模擬DN600 mm天然氣管道凍堵工況，分析積水融化傳熱過程及擴散規律，以此判斷電加熱解堵技術對天然氣管道解堵作業的適用性。

根據管內積水固液相變溫度場變化等溫線圖（圖3）和管內積水固液比例變化云圖（圖4）得知，解堵過程中固相冰是由外層向內層逐漸融化，且在固液混合區消散后融化速度加快。原因在于解堵初期（見融化1 h圖）固相冰距離管壁較近，管壁與冰之間通過單一的熱傳導方式進行熱交換，表層冰融化后由表層向內層滲透，形成了融化初期的冰水混合區，對熱量傳遞造成了阻隔作用，最終導致積水融化速度降低。但由于積水凝固和水融的溫度均為0 ℃，所以冰水混合區的形成與消散存在時間較短，故從解堵的中期和后期（第2 h到第6 h）固相融化速度明顯加快。其原因是管道內壁與冰表層間形成了一個環向流場，冰與融化積水之間的熱交換傳熱方式由原來的靜態熱傳導變成了以熱對流為主導的能量交換方式，大大提升了熱量傳遞效率，所以積水融化速度隨之加快。

圖3 管內積水固液相變溫度場變化等溫線圖

圖4 管內積水固液比例變化云圖

2.2 管道施加不同溫度對解堵效率的分析

從圖5管道施加不同溫度積水相變曲線圖中得知，管道施加的溫度越高，積冰融化速率越快，尤其管壁溫度達到 50 ℃以上時，解堵速率出現大幅增大。其原因是管壁溫度越高，固相冰與管道內壁之間的溫差越大，冰所吸收的熱量越多，熱對流的傳熱方式越早出現，最終冰水之間的固液相轉換速度加快。而管壁溫度達到 50 ℃以上時，液相水分子之間的熱運動加強，進一步增加了冰表面對流換熱作用，從而導致解堵速率出現大幅增大。

圖5 不同管道解堵速率曲線圖

但隨著液相比例達到80%以上時，不同管壁溫度解堵速率均呈下降趨勢，且管壁施加溫度越高，下降趨勢越明顯。其原因主要由于固相冰體積隨解堵時間增加而逐漸減小，一方面冰表面對流換熱作用相對放緩，另一方面冰周圍液相流體溫度相對靠近管壁處流體溫度較低，其通過熱傳導作用所吸收的熱量也不多，兩方面綜合作用下導致液相比例達到80%以上時，解堵速率下降。