天然氣管道射流清管器旁通率優化

史宏圖 孫琳

摘 要：射流清管器可吹散下游液塞降低對設備的沖擊，分析旁通率對清管過程的影響可有效提高射流吹散能力。采用OLGA軟件建立了射流清管器模型，分析了旁通率對清管器清管特性的影響。結果表明：當旁通率高于22%時，清管器運行速度波動幅度較小，且保持在2～3 m/s，運行穩定，推薦旁通率為22%～34%。當清管器旁通率高于24%時，雖然液量激增階段變短但變化不大，推薦旁通率為24%～32%。最大終端段塞量隨旁通率的增大先降低后升高；旁通率為30%和32%時最大終端段塞量降低至最低點，推薦旁通率為30%～32%。當旁通率高于24%繼續增大時，終端液塞最大流量和段塞最大個數降低幅度較小，推薦旁通率為24%～32%。綜合考慮以上因素推薦射流清管器最優旁通率為30%～32%。

關鍵詞：天然氣；管道；清管；射流；旁通率

中圖分類號：TE832

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0124-04

Optimization of bypass rate of jet pig for natural gas pipeline

SHI Hongtu，SUN Lin

（1.JUTI Group （Jiangsu） Safety Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing 211112，China

）

Abstract：The jet pig can blow away the downstream liquid plug to reduce the impact on the equipment，and the analysis of the influence of the bypass rate on the pigging process can effectively improve the jet blowing ability.The jet pig model was established by using OLGA，and the influence of the bypass rate on the pigging characteristics of the pig was analyzed.The results show that when the bypass rate is higher than 22%，the operation speed fluctuation of the pig is small，and remains in the range of 2 m/s to 3 m/s，and the operation is stable.The recommended bypass rate is 22% to 34 %.When the bypass rate of the pig is higher than 24%，although the liquid volume surge phase becomes shorter，the change is not significant，and the recommended bypass rate is 24% to 32%.The maximum terminal slug volume decreases first and then increases with the increase of the bypass rate.The maximum terminal slug volume decreases to the lowest point when the bypass rate is 30% and 32%.The recommended bypass rate is 30% to 32%.When the bypass rate is higher than 24% and continues to increase，the maximum flow rate of the terminal liquid slug and the maximum number of slugs will decrease slightly，and the recommended bypass rate is 24% to 32%.Considering the above factors comprehensively，it is recommended that the optimal bypass rate of the jet pig is 30% to 32%.

Key words：natural gas;pipeline;pigging; jet flow;bypass rate

天然氣管道在運行過程中，低溫高壓環境促使管道內析出水和液態烴，大量液體積聚在低洼處使天然氣流通面積減小，降低輸送效率，嚴重時堵塞管道造成安全事故［1-3］。為保障天然氣正常輸送，油田公司對管道定期清管［4-5］。傳統清管器采用實心結構，依靠前后端壓差向前運動，其下游位置慢慢積累越來越多的液體，當運動到管道出口位置時，清管器下游大量液體瞬間進入分離器，遠遠超出分離器正常工作負荷，造成設備損壞，另一方面大量液體在管道出口噴射進入分離器，強烈的沖擊造成設備內部構件損壞［6-8］。為解決傳統清管器下游積液嚴重的問題，國內外學者研發了新型射流清管器，將傳統清管器內部實心結構改為中心射流孔形式，天然氣從中心孔射流噴射至清管器下游，吹散下游積液，降低積液量，使液體平緩進入分離器［9-11］。中心射流孔的開口大小是射流清管器的重要參數之一，直接影響天然氣射流效果和液塞吹散能力，通常采用旁通率表示射流孔開口大小，即射流孔開口面積占射流清管器橫截面積的比值［12-16］。目前對管道清管的研究多集中在清管周期和方案的制定方面，對清管過程穩定性和旁通率優化的研究較少［17-20］。本文采用OLGA軟件建立了射流清管器模型，以渤海某氣田天然氣凝析液管道為研究對象，分析了旁通率變化對清管過程的影響，確定了射流清管器的最優旁通率。

1 射流清管模型建立

渤海某氣田天然氣凝析液管道管徑為DN400，流量為84.2 kg/s，壓力為6 MPa，溫度為30 ℃，海洋水溫為0～12 ℃，天然氣采出后通過爬坡管道和立管進入淺水平臺，管道路由如圖1所示。天然氣組分中，甲烷質量分數為56.48%，乙烷質量分數為2.75%，丙烷質量分數為3.97%，異丁烷質量分數為2.60%，正丁烷質量分數為1.32%，戊烷質量分數為29.40%，二氧化碳質量分數為2.35%，氮氣質量分數為1.14%。

采用OLGA軟件建立射流清管器模型，其結構如圖2所示，天然氣通過鋼軸中心的射流孔向下游噴射，射流孔開口面積與射流清管器橫截面積之比為旁通率，旁通率的大小直接影響天然氣對下游液塞的吹散能力。采用pig-trackslug-comp模型，清管器與管壁間摩擦力設置為1 000 N·s/m，清管器和管壁間液膜速度項摩擦因子為1 000 N·s/m，清管器和管壁間液膜二次速度項摩擦因子為100 N·s/m，清管器質量為140 kg，發射時間設置為300 s時刻，旁通率采用泄漏因數來表示，變化范圍為16%至34%，變化梯度為2%，分析不同旁通率下清管器運行速度、終端段塞量、不同位置管道壓力和流型的變化規律。

2 射流清管旁通率優化

2.1 旁通率對清管器速度的影響

改變旁通率得到射流清管器運行速度變化趨勢，如圖3所示。

GB50350-2015《油田油氣集輸設計規范》規定清管速度應在2～7 m/s，由圖3可知，當清管器旁通率為0%時，即傳統實心結構的清管器，清管運行速度在7～8 m/s，超出國標規定的最優運行速度區間，速度過快會沖擊損壞彎管等零構件，造成內部流體流動不穩定。當旁通率0%清管器到達管道出口時，運行速度急劇升高至18.5 m/s，高速的沖擊對終端分離設備產生較大的破壞力。當旁通率升高至16%后，清管器運行速度顯著下降至7 m/s以下，滿足國標要求，且清管器在管道出口處的噴射速度也大幅降低至7 m/s以下，主要原因是部分天然氣通過清管器中心射流孔向下游噴射，降低了清管器兩端的壓差，清管器推動力降低促使運行速度下降。但旁通率為16%～22%時，清管器運行速度波動較大，波動幅度在4～5 m/s，運行非常不穩定，影響清管效果，威脅管道運行安全，其主要原因：管道路由由斜坡和立管組成，天然氣推動清管器向上爬坡，射流孔較小時對清管器下游液塞吹散能力不夠，積聚在清管器出口的液塞會使天然氣憋壓，此時清管器運行速度相對較高，當天然氣向外噴射泄壓時，清管器運行速度降低，此過程反復循環導致清管器速度大幅波動。當旁通率高于22%時，清管器運行速度波動幅度較小，且保持在2 ～3 m/s，運行穩定，在管道出口處噴射速度也在7 m/s以下，對下游分離器的沖擊較小。因此，考慮運行穩定性，推薦射流清管器旁通率為22%～34%。

2.2 旁通率對終端積液量的影響

改變旁通率得到終端液量變化趨勢，如圖4所示。

由圖4可知，終端液量變化分為3個階段，即液量緩增初始階段、液量激增階段和液量緩增結束階段，其中，在液量激增階段，終端分離器短時間內需要接收大量液體，運行負荷急劇升高甚至導致設備超負荷運行，時間過長不僅會導致設備處理效率下降，而且會造成產品質量不合格。當旁通率為0%時，大量液塞積聚在清管器下游，清管器運行速度較大，短時間內清管器將大量液塞推動至管道出口，終端液量激增幅度較大，極易導致設備無法正常運行甚至損壞。當旁通率為16%和18%時，終端液量不存在液量激增階段，但清管器運行速度波動幅度較大，流動不穩定威脅管道安全，故不考慮這兩種旁通率。隨著清管器旁通率增加至20%以上，清管器運行速度變小，天然氣通過射流孔吹散清管器下游液塞，液體量向外流出的時間變長，液量激增階段逐漸變短且向后推移。當清管器旁通率高于24%時，雖然液量激增階段變短但變化不大。因此，考慮終端液量變化，推薦射流清管器旁通率為24%～32%。

2.3 旁通率對終端段塞量的影響

改變旁通率得到終端段塞量變化趨勢，如圖5所示。

由圖5可知，當旁通率為0%時，清管器運行至管道出口處時，終端液塞量急劇升高至62.7 m3，主要原因是傳統清管器的實心結構導致清管器下游積聚大量的液塞。當旁通率為16%和18%時，雖然液塞量較小，但是清管器速度波動幅度較大運行不穩定，故不考慮這兩種旁通率。當旁通率高于20%繼續增大時，最大終端段塞量逐漸降低后再次升高，旁通率為30%和32%對應最大終端段塞量降低至最低點，其主要原因是，當旁通率升高時，更多的天然氣通過射流孔向清管器下游噴射，對下游段塞的吹散能力升高，液塞量降低，當旁通率過高時，雖然天然氣的噴射量增大，但由于射流孔孔徑過大，對天然氣的壓縮射流效果降低，天然氣對下游段塞的吹散能力反而降低，液塞量再次升高。因此，考慮終端液塞量變化，推薦射流清管器旁通率為30%～32%。

2.4 旁通率對終端液塞流量的影響

改變旁通率得到終端液塞流量的變化趨勢，如圖6所示。

由圖6可知，當旁通率為0%時，管道出口處終端液塞最大流量高達804.3 kg/s，當旁通率升高至16%時，管道出口處終端液塞最大流量有效降低至93.7 kg/s。隨著旁通率的升高，終端液塞最大流量有所降低，其主要原因是天然氣將液塞吹散成為平緩、厚度較薄、長度較長的分層流，對終端分離器的沖擊明顯變小，有效降低分離器的工作負荷。當旁通率高于24%繼續增大時，雖然終端液塞最大流量降低但降低幅度較小，主要原因是旁通率增大雖然促使天然氣射流量增大，但壓縮射流效果變弱，對下游液塞吹散能力有限，終端液塞最大流量變化較小。因此，考慮終端液塞流量變化，推薦射流清管器旁通率為24%～32%。

2.5 旁通率對段塞個數的影響

改變旁通率得到管道沿程段塞個數的變化趨勢，如圖7所示。

由圖7可知，隨著旁通率的增加，管道內段塞個數逐漸降低。當旁通率為16%和18%時，管道內段塞最大個數達到1 586個和1 525個。當旁通率由18%繼續增至20%時，管道內段塞最大個數大幅降低至553個。當旁通率由20%繼續增加至22%時，管道內段塞最大個數大幅降低至261個。當旁通率由22%繼續增加至24%時，管道內段塞最大個數降低至86個。當旁通率由24%繼續增加時，管道內段塞最大個數降低幅度較小。因此，考慮段塞個數變化，推薦射流清管器旁通率為24%至32%。

2.6 射流清管器旁通率綜合確定

綜上所述，考慮運行穩定性，推薦射流清管器旁通率為22%至34%。考慮終端液量變化，推薦射流清管器旁通率為24%至32%。考慮終端液塞量變化，推薦射流清管器旁通率為30%至32%。考慮終端液塞流量和段塞個數變化，推薦射流清管器旁通率為24%至32%。因此，綜合考慮清管器速度、終端液量、終端液塞量、終端液塞流量和段塞個數變化，推薦射流清管器旁通率為30%至32%。

3 結語

（1）當旁通率高于22%時，清管器運行速度波動幅度較小，且保持在2～3 m/s，運行穩定，對下游分離器的沖擊較小，推薦射流清管器旁通率為22%～34%；

（2）當清管器旁通率高于24%時，雖然液量激增階段變短但變化不大，推薦射流清管器旁通率為24%～32%;

（3）當旁通率高于20%繼續增大時，最大終端段塞量逐漸降低后再次升高，旁通率為30%和32%對應最大終端段塞量降低至最低點，推薦射流清管器旁通率為30%～32%；

（4）當旁通率高于24%繼續增大時，終端液塞最大流量和段塞最大個數降低幅度較小，推薦射流清管器旁通率為24%～32%；

（5）綜合考慮清管器速度、終端液量、終端液塞量、終端液塞流量和段塞個數變化，推薦射流清管器旁通率為30%～32%。

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