天然气凝析液管道射流清管器清管效果分析.pdf

5 98 石 油与 天 然 气 化工 CHEMI CAL E NGI NE ERI NG OF OI L ＆ GAS 2 O 1 3 天然气凝析液管道射流清管器清管效果分析 朱海 山 罗小明 姚 海元 何 立 民 李清平 中海油研 究 总院 摘要 采用传统清管器进行天然气凝析液管道的清管作业 时存在 着液塞量大、 清管速度控 制难度 大等问题 ， 射流清管技术因其可以有效减少清管段 塞， 实现缓蚀剂等的布设， 成为近年来研 究的热点。在文献调研的基础上 ， 采用多相流动态模拟软件 OL GA建立海底 管道清管模型 ， 进行 了管道参数、 工况参数以及海底环境参数等射流清管过程模拟分析 ， 通过清管速度 、 压力、 液塞流量 变化等 因素对比分析 了射流清管器与传统清管器的清管效果 ， 得到 了射流清管效果 随旁通率的变 化 关 系， 为 实际应 用提供 了指 导 。 关键词 射流清管器 旁通率 速度 压力 液塞流量 中图分 类号 T E 8 3 2 ． 3 ’ 。 6 文献标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 1 0 Ap pl i c a t i o n a n a l y s i s o f b y p a s s pi g g i n g f o r g a s 。 c o nd e n s e d pi p e l i ne Zh u Ha i s h a n，Lu o Xi a o mi n g ，Ya o Ha i y u a n，He Li mi n， Li Qi n g p i n g OH Re s e a r c h I n s t i t u t e C h i n a Na t i o n a l O f f s h o r e O i l C o mp a n y， B e i j i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e r e a r e s o me p r o b l e ms s u c h a s a l a r g e a mo u n t o f l i q u i d s l u g e x i s t i n g a n d t h e d i f f i c u hy o f p i g s s p e e d c o n t r o l wh e n t h e p i p e l i n e p i g g i n g o p e r a t i o n s a r e c o n d u c t e d b y t r a d i t i o n a l p i g ． Re c e nt l y，by pa s s pi g gi n g i s be c om i ng t he k e y i nno v a t i on t e c hno l o g y be c a u s e i t c a n e f f e c t i ve l y r e du c e l i q ui d s l ug a n d r e al i z e r e d i s t r i but i on o f t h e c he m i c a l s s u c h a s c o r r o s i on i n hi b i t o r s ．I n t hi s pa pe r ，on t h e b a s i s o f t he b y pa s s a na l ys e s t e c hno l o g y，t h e g a s c on de n s e d s ub m a r i n e p i pe l i ne p i g gi n g m o de l i s s e t up b y u s i ng t he m uhi ph as e f l o w d yn a m i c s i m ul a t i o n s o f t wa r e OLGA ，a n d t h e e f f e c t s of t he p i p e l i ne p a r a m e t e r s，o pe r a t i ng c o nd i t i o ns ， a nd t h e s e a be d e nv i r o nm e nt t o t he by p a s s pi g g i ng a r e s i m ul a t e d ． On t h i s ba s e，t he c o m p a r i s o ns be t we e n t he t r a d i t i o n a l p i g gi n g a nd t h e by p a s s p i g gi ng ha ve b e e n do ne t hr ou gh t h e c h a ng e s o f p i gg i ng ve l oc i t y，p r e s s u r e ，a nd l i q ui d s l u g e t c ．Me a n wh i l e t h e o p t i mu m b y p a s s r a t e i s o b t a i n e d wh i c h p r o v i d e s g u i d a n c e f o r t h e p r a c t i c a l a p pl i c a t i on s o f by pa s s p i gg i n g． Ke y wo r d sby p a s s e d pi g，by pa s s r a t e，v e l oc i t y，p r e s s ur e，l i q ui d s l ug f l o w 海上气 田运行中后期 ， 海底管道 内积液逐渐增 多。凝析液易在海底管道 内积聚 ， 从而降低管道流 通面积， 造成不必要 的能量损失 ； 并且在低温高压等 特定情况下 ， 可能会有水合物生成 ， 造成管道堵塞等 事故 。对于这种情况 ， 在现场一般通过清管 的方式 进行解决 。对用于海底湿天然气管道清管的传 基金项 目 国家科技重大专项课题 “ 深水流动安全保障 与水合物 风险控制 技术” 编 号 2 0 1 I Z X 0 5 0 2 6 0 0 4 。 作者简 介 朱海山 ， 1 9 8 8年毕业 于中国石 油大学储 运专业 ， 现为 中海油研 究总 院工程专 家、 教 授级 高工 ， 主要从事 海上 工 艺系统 的设计和新技术研发 ， 主持或参加了几十个海上油气 田的前期研究 、 设计 ， 以及海 外油气 田收购评估 、 工程 方案研究 和 设计工作 ， 曾获省部级科 技 进步 奖 8项 。地 址 1 0 0 0 2 7 北京 市 东城 区 东直 门外 小 街 6号 。电话 0 1 0 8 4 5 2 2 6 9 7 。E ma i l z h u h s h c n o o c ． c o rn． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 6期 朱 海山 等 天然气凝析液管道射 流清管器清管效果分析 统 清管 器 ， 一般 是通 过皮 碗 或球体 对 管道进 行 密封 ， 使管道 内背压增高 ， 依靠清管器前后压差推 动其在 管道中运动 ， 进而进行清管作业。由于前后密闭， 清 管过程中没有气体 的前后流通 ， 会造成清管的一 系 列问题 清管器运行速度过快 ， 导致清管器上下游发 生严重的窜漏， 使清管效率 降低， 液体不能被完全清 除 ； 管道 内壁有减 阻或防腐涂层_ 3 ] ， 高速运动的清管 器带动机械杂质 砂粒 与管道 内壁产生强 烈的摩 擦 ， 破坏涂层 ， 缩短管道 寿命 ； 尤其是对于大管径管 线的清管 ， 成 吨重 的清管器在管道内高速运行 ， 产生 巨大 的动量 ， 对弯头 、 通球指示仪 、 收球筒等产生 巨 大 的冲 击 ， 可 能撞 坏 设 备 、 清 管 器 ， 甚 至导 致 管 线 泄 漏， 从而引发事故 ； 清管器在到达管线终端时 ， 会将 整个 管线 的大量 积液 在较 短 的时 间 内快 速地 输送 到 段塞 捕集 器 中 ， 液 塞流 量极 大 ， 极 易 造成 捕集 器 的过 载事故 。 射流清管器的基本原理是清管过程中有效地控 制部分液体回流 ， 从而减少液塞量。射流清管器最 早应用于输油管道的除垢 。在输油管道 的除垢 中， 随着清管器运行 的推进 ， 在其前端会逐渐积累大量 污垢 ， 极易造成清管器的卡堵 。为解决卡堵事故 ， 研 发了 自动解堵射流清管器l_ 4 ] 。根据输油管道 中除垢 应用的自动解堵射流清管器 的原理 ， 提出了应用 于 湿天然气管道的射流清管器。为得到射流清管器应 用于天然气凝析液管道的清管效果 ， 利用 OL GA软 件建立了管道模型 ， 并进行了模拟工作 。 1 模型建 立 通过 OL G A软件建立了如下管道模型_ ] ， 合理 输入进出口压力、 流量等边 界条件 以及海底管道的 传热条件等。如图 1 所示 ， 该管线总长 1 0 k m， 包括 了水平管段、 起伏管段和立管管段 ， 其中立管高度为 2 00 m 框 管长／ k m 图1 管道路由 F i g 1 Pipe l i n e r o u t i n g 2 模 拟分析结果 2 ． 1 速 度变 化 利用旁通率分别为 0 、 3 、 6 、 9 的射流清 管器进行 了模拟 。图 2为旁通率分别 为 0 、 3 、 6 、 9 射流清管器清管期 间速度 随时间的变化关 系。由图 2可以得到 ， 随旁通率变化 ， 清管时间分别 为 3 1 8 8 S 、 3 9 5 0 S 、 4 8 8 8 S 、 6 4 4 0 S ， 水平管路清管 器速 度分 别为 3 ． 2 m／ s 、 2 ． 6 m／ s 、 2 ． 0 m／ s 、 1 ． 6 m／ S ， 立管处速度波 动分别为 3 ． 5 m／ s 、 2 ． 1 m／ s 、 0 ． 8 m／ s 、 0 ． 7 m／ s 。随旁通率增加 ， 清管器运行 时间增 长 ， 速度降低 ； 在两段起伏管路和立管处 ， 随旁通率 的增 加 ， 速度 波动 明显 降低 。 时间／ S 图2 不同旁通率清管器清管速度曲线 Fig． 2 Cha ng e o f p i g ve l o cit y wi t h dif f e r e n t b y p a s s r at es 在起伏管路处清管器速度有明显波动， 而在立 管管段处速度波动更 大， 而且 随旁通率的增加速度 变化量呈降低 的趋势。由于液体密度大于气体 ， 则 在重力作用下在上倾管底部积聚一定量液体 ， 清管 器运动到上倾管底部 时， 清管器扫 出积液和原有积 液一同聚积于此。大量液体积聚在清管器上游 ， 形 成 了较 高 的液 柱静 压 差 ， 并 且 清 管 器 在 流 动方 向 的 重力分力也对其运行形成阻碍作用 ， 导致 清管器阻 力增加 ， 清管器减速运行 ， 速度降低 。在减速运行过 程 中清 管 器下游 逐 渐 积 聚压 力 ， 形 成 的前 后 压 差 能 足以克服所有阻力 时， 逐渐通过上倾管路 。射流清 管器首先能通过旁通气流的剪切携带作用 ， 在运行 过程中将一部分积液带离上倾管段 ； 其次， 由旁通孔 射出的高速气流能对清管器上游液塞充气 ， 在高速 气流的吹动下 ， 液塞分布到更长的管段上使液塞的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 0 石 油 与天 然 气 化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 量减小 ， 对清管器运行 的阻力减小 ， 从而使清管器的 运动速度变化量减小 。当清管器运行到立管底部积 液时 ， 整个管线沉积液体集聚于此 ， 所形成的静液柱 压差是非常大的， 这就要求当清管器运动到此处时， 要有较长的时间积聚压力， 速度得到较大程度 的降 低甚至是清管器停止运行， 压力足以克服所有阻力 时清管器迅速通过立管 ， 清管器速度变化极大 ； 而当 旁通率较高时， 能够通过旁通及时地降低 清管器前 后压差 ， 使清管器在通过立管时速度得到降低 ， 使清 管 器速 度变化 不 大 。 2 ． 2压 力变 化 图 3所表示的是立管底部和立管顶部压力随清 管时间的变化关系。由图 3可 以看出， 在旁通率分 别为 0 、 3 、 6 、 9 时 ， 立管底部压力波动值分 别 为 2 8 5 k P a 、 1 7 0 k P a 、 9 0 k P a 、 6 0 k P a ， 立管 顶部 压 力波动值 分别 为 8 8 0 k P a 、 5 8 0 k P a 、 3 2 0 k P a 、 1 4 0 k P a 。随着旁通率 的增加 ， 清管器通过立管 的压 力 波动值 明显 降低 。 7 8 5 0 7 8 0 0 7 7 5 0 7 7 0 0 嗵 7 6 5 0 7 6 00 。 3 ％ 时 间／S b 立管顶部 图3 不同旁通率清管器清管压力曲线 Fig。3 Cha n ge o f p r e s s ur e wit h diffe r en t b y pa s s r a t e s 对于海底天然气凝析液管道 的清管， 整个管线 的积液最终都会通过清管器推送 到立管处 ， 所 以清 管过程中此处无论速度还是压力都是变化最剧烈的 部分 。在立管底部集 中了整个管线的积液 ， 静液柱 压 差很 高 ， 因此清 管 器会 减 速运 行 甚 至 是停 止运 行 进行背压的积聚 。当背压升高到一定值并足以克服 极高的静液柱压差、 清管器 自重 、 清管器所受摩阻等 阻力 ， 清管器开始运行 ， 在运动过程 中立管底部压力 很高、 顶端压力很低 。当清管器通过立管顶端后 ， 立 管处大部分积液被清管器清出， 立管底部压力减小， 顶部压力增加 ， 压差随之减小 。当清管器存在旁通 率时 ， 旁通气流量随旁通率的增加而增大， 对清管器 前的液塞的剪切携带作用也就增强 。通过对液塞 的 带离作用以及对液塞充气作 用， 使得清管器下游的 静液柱压差降低， 清管器所受阻力降低 ， 清管器运行 所需压差降低 ， 压力波动降低 。 2 ． 3液体 流 量变 化 如图 4所示 ， 旁通率 分别为 0 、 3 、 6 、 9 时 ， 射流清管器清管期间， 液塞流出时间分别为 2 9 0 S 、 5 2 0 S 、 8 4 0 S 、 1 6 9 0 S ， 最高流量分别为 5 9 7 k g ／ s 、 2 2 3 k g ／ s 、 8 6 k g ／ s 、 3 9 k g ／ s ， 显然旁通通道的存在明 显地减小了终端液塞的流量。 0 ％ 3 ％ 6 ％ 9 ％ ‘ ＼ ／／1 一 对于海底天然气凝析液管道的清管 ， 在立管底 部集中了整个管线的积液 ， 静液柱压差很高。因此 ， 清管器会 减速运行甚至停 止运行 来进行背压 的积 聚。只有背压升高到一定值 足以克服清管器阻力， 清管器才开始运行 ； 运行一段时问后 ， 由于背压处空 间膨胀后压力下降不足 以克服所有 阻力 ， 清管器减 速甚至是停止运行 ， 再进行新一轮的压力积聚过程。 利用这种“ 走走停停” 的动态平衡方式 ， 清管器在立 管中缓慢运行 。当液塞顶端通过立管顶部后 ， 这种 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷 第 6期 朱海 山 等 天然气凝析液管道射流 清管 器清管效果分析 动态平衡被打破 ， 清管器阻力突然降低 ， 造成清管器 动力远大于阻力 ， 如果在没有旁通的情况下， 必然加 快了清管器的运动 ； 而清管器加快 运动后更多 的液 塞通 过立 管 ， 清管 器 阻力 更 小 、 速 度 更 快 ， 形 成 了清 管器速度的递增循环 。最终液塞以极高的速度迅速 通过 立管 到达 终端 的液塞捕 集 器 ， 液 塞 流量极 大 、 极 易造成终端处理设备的过载 ， 如 图 5 a 所示。如果 清管器存在旁通 ， 如图 5 b 所示 。 a 普通清管器 b 射流清管器 图5 射流清管器立管清管过程 Fig． 5 By pa s s piggi n g p r o c es s i n r i s er 当液塞首段通过立管顶部清管器阻力突然降低 时 ， 清管器能通过旁通及时地泄压 ， 使这种过剩的压 能转化为旁通气流的喷射动能， 一方面喷射而 出的 气流能对前方液塞产生极大地 冲击 ， 在气 流的剪切 携带作用下液体段 塞被冲破 ， 部分液体 随着气流流 向终端 ； 另一方面及时 的泄压能防止清管器前后 的 压差转化为清管器速度， 起到降低清管器速度 的作 用。通过这两方面作用 ， 旁通清管器 能有效延长液 塞集中到达终端的时间， 减小 了传统清管在清管将 近结束期间液塞高流量 、 高速度到达终端 的效果 ， 有 效地 降低 了液 塞 流 量 ， 防止 终 端 分 离 器 的过 载 。 由 于旁通率越大 ， 这种泄压效果越 及时、 效果越好 ， 所 以随旁通率的增加 ， 终端液塞流量也就越小。 3 结 论 通过以上分析可得到以下结论 1 射流清管器能够降低清管器在清管过程中 的速度 ， 减少 由于清管器速度过快而导致 的液体 窜 漏， 提高清管效率 ； 降低 了由于携带机械杂质 ， 而对 管道 中涂层的破坏 的风 险； 使管道 内的设备和仪器 的损毁程度降低。 2 射 流清管器能 够有效 降低清管器 压力 波 动 ， 实现平稳清管 ， 减少 了清管过程 中的震动 ， 降低 了清管器 自身的破坏和对管线的冲击 。 3 射流能有效延长清管器下游液塞集 中到达 液塞捕集器的时间， 积液能够在较长 的时间内陆续 到达终端的捕集器 ， 达到液塞流量减小的 目的， 有效 地防止捕集器的过载事故。 由此可见 ， 射流清管器对天然气凝析液管道 的 清管效果是非常理想 的。射流清管器如何能更好地 应用于现场 的天然气管道中， 后期 还需要进行大量 的模拟研究工作 ， 并从射流清管器 旁通率 的优选 以 及水合物的预防等方面不断地优化射流清管器的实 际应 用 。 参 考 文 献 [ 1 ]Mi n a mi K．P i g g i n g d y n a mi c s i n t WO p h a s e f l o w p i p e l i n e s e x p e r i me n t a n d mo d e l i n g E J ] ．S P E p r o d u c t i o n f a c i l i t y ，1 9 9 5 ，1 0 4 2 2 5 2 31 ． E 2 ]Kl e mp S ，Me l a n d B，Hu s t v e d t E，e t a 1 ．Op e r a t i o n a l e x p e r i e n c e s f r o m mu l t i p h a s e t r a n s f e r a t Tr o l l A] ．I n Mu h i p h a s e 9 7 f r o n t i e r t e c h n o l o g y c o me s o f a g e [ M] ．C a n n e s ，F r a n c e B HR Gr o u p L i mi t e d，1 9 9 7 4 7 7 4 9 6 ． [ 3 ]黎洪珍 ， 刘正雄 ， 谢黎饧 ， 等． 湿气管道内涂缓蚀 剂防腐效果评价 探 讨[ J ] ． 石油与天然气化工 ， 2 0 1 2 ， 4 1 2 2 0 0 2 0 3 ． [ 4 ]冯书俭 ， 庞广明 ， 张金成．自动解堵 型圆盘清 管器 的研 制与应用 I- J ] ． 石油工程建设 ， 2 0 0 0 ， 5 1 0 4 2 4 3 ． [ 5 ]Ma n d k e J S，Ha r r y S h e n ，J o h n R o s c o e ．S i n g l e t r i p p i g g i n g o f g a s l i n e s d u r i n g l a t e f i e l d l i f e [ c ] ／ ／Of f s h o r e Te c h n o l o g y C o n f e t e n e e 。H o us t o n，Te x a s ，OTC 1 4 1 8 4， 6 - 9 M a y，2 0 0 2 ． 收稿 日 期 2 0 1 3 0 9 1 6 ； 编 辑 康莉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m