溫井對下游壓力監測影響的數值模擬分析

(中海油能源發展股份有限公司 湛江采油服務文昌分公司,廣東 湛江 524057)

壓力變送器常被安裝于天然氣輸送管道上，用以準確反映其覆蓋范圍內大部分介質的壓力[1]。常規管道儀表定位的設計要求，壓力變送器前需要一定長度的穩流直管段，即要求變送器前介質應處于比較穩定的流態。如壓力變送器前存在影響管線流場的管件或組件時，則會由于局部介質的流態發生變化，導致壓力變送器所測值不能反映管內介質的真實壓力。而在石油化工領域，管道多用于輸送石油、天然氣等危險介質，壓力變送器監測結果不準確，輸油泵或天然氣壓縮機的運行都會受到影響，留下安全隱患。研究管線介質流場變化對壓力檢測的影響對石油化工領域有著十分重要的應用價值。常規設計要求管線上的溫度計應安裝在壓力變送器下游。但在實際工程應用中，尤其在海上石油平臺這類空間有限、管線走線難度大的場所，就可能不得不將溫度計設計安裝在壓力變送器上游。此時，溫井的存在便會引起管內介質的流速、壓力局部發生變化，造成下游壓力變送器檢測值出現波動[2-3]。這時，就需要分析這樣的設計是否會對介質的實際輸送造成影響。為此，利用FLUENT水力學模擬軟件對天然氣輸送管道上溫井下游流場進行數值模擬，分析其對壓力變送器監測結果造成的影響。

1 模擬實驗基礎數據

以南海西部某平臺上一處溫井與壓力變送器的安裝實例，以其設計數據為基礎進行模擬。

1.1 主要管線及組件模擬外形設計參數

1)管線內流體物性數據(部分年份)見圖1。

2)壓力表引壓管尺寸為1/2 in×252 mm，兩表布置間距為193 mm。

3)管線參數：8 in、900LB、SCH120、A106。

4)溫井尺寸直徑32 mm，插入管線內深度為116 mm。

1.2 流場模擬基礎數據

流場模擬所需的工況及基礎數據設計如下(部分見表1)。

1)工況1。氣相流率為40 884.4 m3/d(取管線最大流速18 m/s),此工況為最大流量。

2)工況2。氣相流率為10 551.86 m3/d,此工況為最小流量。

3)工況3。氣相流率為40 884.4 m3/d(取管線最大流速18 m/s)，不含溫井。

4)工況4。氣相流率為40 884.4 m3/d(取管線最大流速18 m/s)，入口添加滑油，滑油流量為0.01 m3/d，直徑為6～10 μm，溫度與氣相流體一致，考慮介質中夾帶的滑油對流場的影響，含溫井。

表1 工況設定及模型參數設定值

2 模型構建及網格劃分

2.1 模型構建

模型構建時，管線尺寸及儀表布置與設計的實際配管保持一致。為了減小入口與出口對測壓點的擾動，使模型穩定容易收斂，將模型計算域向兩端延長，入口位置取溫井向前700 mm，出口位置為壓力表往后取1 000 mm，計算域的延長對模擬結果準確性無任何影響。幾何模型見圖2。

圖2 幾何模型

2.2 網格劃分

為了減少網格數量，將模型幾何分為三部分，中間不規則區域用四面體網格，兩端采用六面體網格，在壁面處劃分邊界層，捕捉邊界層效應。為了減小網格數量與質量對計算結果的影響，首先進行網格無關性測試，確定網格數量。分別取網格數量為17萬、40萬、73萬、100萬網格，對工況1進行測試，監測測壓表與管道中心交匯處壓力值，見圖3。

圖3 網格無關性測試

由圖3可見，當網格數量大于73萬以后，對計算結果影響較小，本次模擬取網格量100萬進行仿真。網格分布見圖4。

圖4 整體網格分布

2.3 模型邊界和參數設定

主管線及壓力表接入管線壁面設定為無滑移壁面。湍流模型選擇對更利于流動分離的RNGk-ε湍流模型；管線內壓降較小，為了和實際工況更貼切，假設介質氣體為理想氣體。

3 模擬結果對比、分析

3.1 模擬結果

1)工況1。由于溫井的存在，流場出現了壓力和速度的波動，在整個管線上，壓力的上下波幅大約為11 638 Pa左右，在溫井下游的一段距離內，壓力會受到影響，到壓力變送器附近基本趨于穩定。

管線內壓力場分布和速度場分布見圖5～7。

圖5 沿測壓表截面壓力場分布

圖6 沿測壓表截面速度場分布

圖7 管道軸線上壓力分布

2)工況2。流場出現了壓力和速度的波動，在整個管線上，壓力的上下波幅約為12 445 Pa，但在壓力變送器附近較穩定。見圖8～10。

圖8 沿測壓表截面壓力場分布

圖9 沿測壓表截面壓力場分布

圖10 管道軸線壓力分布

3)工況3。沒有溫井的存在，整個管線的壓力分布和速度分布都比較均勻，不存在壓力和速度的大幅度波動。壓力沿管道中心緩慢降低。見圖11～13。

圖11 沿測壓表截面壓力場分布

圖12 沿測壓表截面速度場分布

圖13 管道軸線壓力分布

3.2 數據提取及結果分析

通過以上結果可以看出，整個管道中的壓力波動主要發生在溫井前后。對溫井前后在管道中心線的壓力數據進行讀取，見表2。從表2中可以看出，在最大氣速工況1下壓力波動最大，工況3最小，壓力波動只有10.49 Pa。

表2 溫井前后管道中心線壓力數據 Pa

為了測試溫井對測壓點壓力值的影響，將監測點取在測壓表和管道中心交匯處，仿真得到不同工況下其監測點壓力值見表3。

表3 仿真監測點壓力值

根據表3，對比工況1和工況3可知，溫井的存對測壓點的壓力值影響約為22 Pa，在工程應用中，這種影響可忽略。

對比工況1和工況4，檢測的壓力值基本相等，因此滑油的存在對壓力的監測影響可忽略,工況1、2、3的仿真中忽略滑油的假設是可行的。

同時，為了監測滑油的動態影響，采用瞬態算法對工況1和工況4進行計算，同時監測1 s以內兩種工況下壓力隨時間的變化見圖14、15。

圖14 工況1壓力監測

圖15 工況4壓力監測

分別采用兩種油滴極端直徑6和10 μm進行計算，結果，計算所得兩種直徑的流場基本沒有區別，取其中一種結果與工況1進行對比。由圖14、15可見，兩種工況壓力波動基本一致，差值在2 Pa左右，因此滑油的存在可忽略。

從工況1和工況2中，在溫井前后，壓力波動在幾kPa到十幾kPa之間，最大氣相流率工況管線壓力波動幅度約為11.592 kPa，最小氣相流率工況管線壓力波動幅度約為1.302 kPa。溫井下游，沿著管道中心向下，壓力波動逐漸減小，到壓力測試表位置，壓力波動基本消失。

4 結論

數值模擬結果證實了在工程應用中，天然氣輸送管線上溫井的存在對管線內溫井下游的局部流場確有影響，壓力沿著管道中心線會出現大幅度的波動。波動范圍會沿著管道中心向下游逐漸減小。拋開管線材質、介質物性等因素，該流場波動是否會對下游壓力監測結果造成影響，取決于溫井與壓力變送器安裝的距離。因此，如要確保壓力監測的準確性，應盡量將溫井等會影響介質流場的組件設計安裝在壓力變送器下游。如實在無法避免，則應盡量拉開兩者之間的安裝距離。