安裝溫井對燃氣管道壓力監測的影響

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(海洋石油工程股份有限公司 特種設備分公司， 天津 300452)

在石油化工行業，壓力監測和溫度監測具有至關重要的作用，是系統工藝調控的關鍵和單個設備及整個系統平穩運行的保障[1-2]。壓力監測點的合理設計是保障正常工業生產的基礎，壓力監測值的準確性和穩定性與與管內物料種類、流速以及溫度取源部件的設置均有關系[3-6]。

GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》[7]規定，壓力取源部件的安裝位置應選在被測物料流速穩定的地方。當壓力取源部件與溫度取源部件在同一管段上時，壓力取源部件應安裝在溫度取源部件的上游，壓力取源部件的端部不應超出設備或管道的內壁。對于壓力取源點與溫度取源點之間的具體距離，GB 50093—2013未規定也未給出推薦值。實際上壓力值的監測不僅與同一管段上溫井和引壓管的上下游位置關系有關，而且與兩者之間的距離有關。當距離非常小時，壓力取源部件即使位于溫度取源部件上游，壓力監測值仍然會受到溫度取源部件的影響。當管段足夠長時，溫度取源部件即使在上游，也不會對壓力監測造成實質性影響。所以當壓力管線上設置有溫井時，應當針對具體情況分析溫井對壓力監測的影響，評估溫井的安裝位置是否滿足壓力監測的精度要求。

計算流體動力學(CFD)數值模擬計算方法近年來迅速發展，各種流動模型及求解方法的開發，使其在許多研究領域發揮了重要作用[8-13]。文中采用RNGk-ε模型[14-15]，選取某項目燃氣系統的某段管線，根據溫井插入深度及壓力表引壓口的設計參數，建立有溫井的幾何模型和無溫井的參照模型，應用 FLUENT軟件進行數值模擬分析，分析在常規設計流速下溫井前后管線流場及取壓值變化情況。

1 管道參數及儀表設置

國內某海洋平臺項目燃氣系統中，某段子系統管線尺寸為203.2 mm, 規格為SCH120。該管線上溫井和引壓管布置見圖1。圖1中，溫井直徑為25 mm，伸入管線內部長度116 mm。引壓管直徑為12.7 mm,規格為SCH160。 溫井與引壓管中心距為193 mm，且在管線橫截面上成45°夾角。

圖1 管線上溫井和引壓管布置

2 研究內容和研究方法

采用CFD方法研究圖1管線上溫井安裝位置及其對管線壓力監測穩定性和準確性的影響，應用FLUENT軟件對管線及管線上溫井和壓力計建模并進行數值模擬。數值模擬過程中使用的管線工況設置為，①工況1：設計流速(18 m/s)。②工況2：最小氣量年(4.65 m/s)。③工況3：無溫井。

3 溫井對管線壓力監測的影響研究

3.1 建模

3.1.1幾何模型

按照圖1建立研究模型并進行網格劃分，見圖2。考慮到在FLUENT模擬過程中，設置的入口位置與流場擾動位置距離過近將會造成模型不易收斂，特別將入口直管段計算域延長了500 mm。這種處理只是基于軟件計算本身的考慮，能使模型穩定容易收斂但對模擬結果準確性無實質性影響。

圖2 管線、溫井、壓力計模型及網格

為減少網格數量，將幾何模型分為計算域延長段、中間不規則段、溫井和引壓管4部分。其中，計算域延長段流態穩定，采用大尺寸四面體網格；中間不規則區域流態不穩定，用小尺寸四面體網格；溫井和引壓管本身尺寸較小，采用最小的四面體網格。

3.1.2數學模型

考慮到管段較短，且有保溫伴熱，模擬時忽略管段內流體的傳熱，即模型不考慮能量方程?？紤]到管段內流體在溫井邊壁等位置會存在較大程度的流線彎曲，采用RNGk-ε模型求解流動問題[10]。模擬過程應用如下的數學模型方程：

其中

μeff=μ+μt

η=(2EijEij)1/2k/ε

式中，ρ為流體密度，kg/m3；k為湍動能，J；u為流速m/s；μ為流體動力黏度，Pa·s；xi、xj為方向矢量，m；ε為耗散率；η0=4.377，β=0.012，C1ε=1.42，C2ε=1.68，αk=αε=1.39，Cμ=0.084 5。

3.1.3模型假設及邊界條件

模擬時，對計算流體作如下假設：①忽略質量力以及外部力，流體為輸入燃氣。②流體物性滿足Peng-Robinson方程。③流體的流動形式為紊流流態。

邊界條件設置為，燃氣入口選用速度入口，流體出口選用壓力出口。主管線及引壓管壁面均設定為無滑移壁面，Roughness Height 設定為0 m，Roughness Constant 設定為0.5。對工況1、工況2，設定溫井插入部分為無滑移壁面。對工況3，設定溫井插入部分為interior。由于管線內壓降較小，假設天然氣為理想氣體，即密度選項為ideal-gas。3種工況下管線操作與介質物性參數見表1。

表1 3種工況下管線操作與介質物性參數

計算收斂標準為，energy殘差小于10-6，其他量的殘差小于10-3。

3.2 模擬及結果分析

3.2.1溫井安裝位置對壓力監測的影響

在工況1條件下模擬0.1 s時刻管線在溫井軸向截面和管線在溫井軸向45°夾角截面的流體速度分布并進行對比，見圖3。從圖3可得出，流體流經溫井時擾動較大，速度場發生了一定變化，最高速度高達29.8 m/s。流體經過溫井時需要繞流，在溫井流動方向的側方位形成高速區，在溫井流動方向的后方形成低速區。溫井插入對其下游軸向截面的流態影響較大，而對其他截面影響較小。在工程設計時，引壓管的方位布置宜與溫井插入的軸向截面成一定夾角。為了方便操作和觀測，建議引壓管與溫井插入軸向截面的設計夾角取45°。

圖3 0.1 s時刻管線不同截面流體速度分布

3.2.2溫井對監測值穩定性的影響

在工況1條件下模擬管線內的流體流動，管線在溫井軸向45°夾角截面0.05 s、0.08 s、0.1 s時刻的流體速度分布及對比見圖4。

圖4 不同時刻45°管線截面流體速度分布

從圖4可知，各時刻流態穩定，取壓口位置速度約為18 m/s，取壓管內流速為0 m/s,管內沒有形成漩渦等復雜流態。這表明在采用18 m/s的工程設計流速下，壓力監測值是相對穩定的。

在工況1條件下模擬0.05 s、0.08 s、0.1 s時刻管線在溫井軸向45°夾角截面的流體壓力分布，見圖5。對管線內的壓力進行實時監測，見圖6。

從圖5可知，流體流經溫井時壓力場發生了明顯變化。在溫井流動方向的側方位形成高壓區，在溫井流動方向的后方形成低壓區，但由此造成的壓力場擾動作用有限，傳播到引壓管時已非常小。

圖5 不同時刻45°管線截面流體壓力分布

圖6 各時間段管線壓力監測圖

從圖6可知，流型穩定后壓力波動僅為25 Pa，遠小于壓力監測設備的精度，可以認為溫井對壓力監測穩定性無影響。

模擬0.1 s時刻工況1條件下和工況2條件下管線內各點壓力分布，分別見圖7和圖8。圖7和圖8中水平軸刻度0.111 m處為溫井中心線所在截面的位置，而水平軸刻度0.303 m處為引壓管所在截面的位置。

從圖7和圖8可知，引壓管處壓力監測值穩定，溫井內伸位置的壓力監測值波動較大，波動影響范圍包括上游50 mm以內和下游100 mm以內，波動段后管線流型穩定，說明在本工程實例的設計操作范圍內，溫井對下游壓力監測穩定性均無影響。

圖7 0.1 s時刻工況1下管線內各點壓力分布情況

圖8 0.1 s時刻工況2下管線內各點壓力分布情況

3.2.3溫井對壓力監測值準確性的影響

0.1 s時刻工況3條件下管線內各點壓力值分布情況見圖9。從圖9可知，無溫井時管線內流場穩定，整個管段的壓降小于500 Pa，引壓管內壓力場較為穩定。

圖9 0.1 s時刻工況3下管線內各點壓力分布情況

0.1 s時刻3種工況下模擬的管線內最大壓力值、最小壓力值和監測到的管線壓力值見表2。

表2 各工況壓力值對比

從表2可以知道，在工業常規管道設計流速下(18 m/s)，溫井前后壓力波動不超過30 kPa。對比表2中工況1和工況3的壓力監測值可知，有溫井時的壓力監測值僅比無溫井時的小23 Pa，差值遠小于工業常規壓力表監測精度，在工程設計允許范圍內。

4 結語

基于實際管線結構及管線上溫井和引壓管的布置，采用CFD方法研究了溫井對管線壓力監測穩定性和準確性的影響情況。研究結果表明，①溫井對管線內流場有影響。壓力沿著管道中心線出現了大幅波動，在工業常規管道設計流速下，溫井前后的壓力波動在30 kPa以下。②溫井造成的流體波動影響范圍集中于上游50 mm以內和下游100 mm以內。③溫井與壓力取源點成45°錯位安裝有利于壓力監測值穩定。建議在無外界條件限制時，壓力取源點設置在溫度取源點上游，且距離大于50 mm。若受空間或操作限制，壓力取源點位于溫度取源點下游時，壓力取源點應距溫度取源點應大于100 mm，以避免紊流造成壓力監測波動較大且不準確。