真實地形下天然氣管道傾斜角度對氣體流動特性的影響

＊李鳴浩 陳雙慶,2* 官兵,2 林小強 劉天晴 葉霖

（1.東北石油大學石油工程學院 黑龍江 163318 2.大慶油田有限責任公司博士后科研工作站 黑龍江 163453）

引言

天然氣是石油化工領域的重要能源，是國家推進“碳達峰、碳中和”目標而大力推廣的清潔能源[1]，其安全輸運對于工業生產和日常生活都具有重要意義。濕氣輸送工藝是天然氣生產中的重要環節，可以降低地理環境復雜地區天然氣輸送成本，有效提高天然氣生產效率，被廣泛應用于各大氣田[2]。

濕天然氣由于輸送過程中沿線溫度、壓力的變化引發凝析現象，使得濕天然氣的管道輸送實際為氣液混輸[3-4]，故含有水組分的天然氣輸送屬于氣液兩相管流[5]。早期對于濕天然氣輸送的研究多基于水平管路，李玉星[6]等從流體力學的基本模型出發建立了瞬變流數學模型，模擬計算了天然氣輸送過程中各點壓降、持液率等參數的變化情況；韓煒[7]基于各種瞬態流動模型，對于管道氣液兩相流工藝中的壓降、溫降、持液率計算進行了研究和對比。

對于處于山地、丘陵地形的天然氣田，集輸管道沿地表敷設因而往往具有一定傾斜角度，使得其管道內部的天然氣流動狀態與水平管流相差較大[8]，同時管流狀態還受到不同起伏地形下重力的影響，故其流動特性變化情況相較于氣體或者液體的單相管流更加復雜。鄧道明等[9]對長距離、高壓、大直徑、地形起伏條件下天然氣兩相管流計算中的氣液界面模型選取進行了研究，認為平界面模型能夠更準確預測高壓、大直徑兩相流管線的壓降和積液量；李凱[10]針對氣液兩相管流中流型在不同起伏地形下形成機理進行研究，建立針對濕氣管流的流型預測組合模型，對于濕氣管路的截面含液率和壓降的計算模型的預測性能進行了分析與評價；吳成[11]對起伏地形下的管路依據已有模型，以流型、持液率和壓降為中心，研究了氣液兩相流動過程中積液形成的機理、分布情況和影響因素。相關研究中關于傾斜角度對于天然氣管流特性的影響及分析的內容不夠全面。

基于多相管流流動理論，探究了不同管道傾斜角度對于管內濕天然氣流動特性的影響，分別進行了不同管道傾斜角度所對應的管流壓降、溫降、持液率的規律研究。基于OLGA多相流模擬軟件計算得到了相應流動參數并對結果進行了分析，所開展的研究對于明確管道傾斜角度影響濕天然氣流動特性變化機理，對于集輸系統高維空間的設計優化[12-16]，以及保障天然氣管道的安全運行具有積極意義。

1.計算模型建立

OLGA軟件是基于多相流理論研發的大型應用軟件，被廣泛應用于油氣工程的設計及優化運行中[17]，常用于模擬油氣井、油氣設備、管網中的油、氣、水等介質的流動狀態，其模擬結果與多相流實驗數據絕大多數情況下接近，可信度高。軟件中所集成的雙流體模型及解算方法適用于本文所研究的濕天然氣輸送工藝。基于OLGA軟件研究建立了不同天然氣管道傾斜角度下的氣體流動參數計算模型。

(1)傾斜管道走向

為對比不同天然氣管道傾斜角度和傾斜程度下氣體的流動參數，基于OLGA軟件研究建立了2種管道長度（400m，200m）對應3種傾斜角度（15°，60°，75°）的計算模型。

(2)邊界條件及管道參數

以上計算模型的邊界條件和管道參數為：管線起點溫度為35℃，管線出口壓力為80bar。管道埋深為1m，管道所處地的環境溫度為6℃，總傳熱系數為6.5w/(m2·K)，管內流體的質量流速為35.74kg/s，H2O的質量分數為2%，N2為1.1%，CO2為0.33%，C1為81.83%，C2為7.78%。

2.氣體流動特性變化規律分析

(1)壓降結果與分析

將兩種管長（400m，200m）和不同傾斜角度（15°，60°，75°）下天然氣管道沿程的壓力分布模擬計算結果繪制于圖1中以方便對比分析。由圖1可知，在一定的傾斜角度范圍內，隨著管道傾斜角度的增加，單位管長的氣體壓降和沿程總壓降逐漸增大。當傾斜角進一步增加，單位氣體管長的氣體壓降和沿程總壓降減小。

圖1 不同傾斜角度和長度管道壓降對比圖

當管道傾斜角度較小時，相同沿程管道長度的條件下，傾斜角度增加，管道爬升的高程增加，輸送氣體所需要的能量增加；隨著管道內氣體的爬升，由于重力作用，液體流速降低，管道內出現液體滯留現象，對氣體輸送產生一定的阻礙作用，故氣體流動的摩擦損失增大，輸送所需的能量增加，致使管內氣體壓降隨傾斜角度的增加而逐漸增加。即 圖1中傾斜角60°200m工況的壓降范圍大于傾斜角15°200m工況下的壓降范圍。在管道傾斜角度較大（＞75°）時，相同沿程管道長度的條件下，管內氣體持液率顯著減少，管內液體滯留量降低，氣體流動所產生的摩擦損失將減少，導致其水力坡降緩慢，引起了圖1中75°400m工況的壓降范圍小于60°400m工況的壓降范圍。

(2)溫降結果與分析

將不同管道長度（200m，400m）和不同傾斜角（15°，60°，75°）下的沿程溫度分布計算結果繪制于圖2中。從圖2中可以看出，在較小的管道傾斜角度范圍（＜60°），隨著管道傾斜角的增大，管內氣體的單位管長溫降逐漸增大，總溫降也呈現增大趨勢。當管道的傾斜角度繼續增大到一定范圍后，傾斜角對溫降的影響程度降低，與較小的管道傾斜角的情況下對比，單位管長溫降和總溫降降低。

圖2 不同傾斜角度和長度管道溫降對比圖

當管道傾斜角度較小時，相同沿程管道長度的條件下，隨著管道傾斜角度的增加，管內氣體的壓降逐漸增大，在焦耳—湯姆遜效應的作用下，壓降的增大伴隨溫降的增大；管道傾斜角度的增加使得管內液體滯留，液體摩擦生熱也產生一定程度的溫降[15-16]。因而圖2中傾斜角60°200m工況下的溫降大于傾斜角15°200m工況下的溫降。當管道傾斜角度繼續增大至某一范圍后，管內氣體的壓降變化逐漸減小，焦耳—湯姆遜效應引起的溫降逐漸降低；同時隨著管道傾斜角的變化，輸送氣體的持液率降低，液體摩擦產生的溫降減小。因而圖2中傾斜角75°400m工況下的溫降小于傾斜角60°400m工況下的溫降。繼續增大傾斜角對溫降的影響變動不如小傾角范圍時顯著。

(3)持液率結果與分析

不同管道長度（200m，400m）和不同傾斜角（15°，60°，75°）下的氣體持液率的計算結果如圖3所示。從圖3中可以看出，在管道的平緩管段持液率基本保持不變，在傾斜管段的起始位置處持液率開始顯著增加，達到某一穩定值后基本不變化；在管道的下坡段，持液率迅速減小至平緩管段水平。隨著管道傾斜角度的增大，管道內氣體持液率達到的穩定值逐漸減小；即圖3中傾斜角15°200m工況下的達到的持液率大于傾斜角60°200m工況下的持液率。當管道傾斜角度增大到75°時，傾斜管道內氣體持液率與平緩管道內持液率的變化呈現一致趨勢。因此天然氣管道的傾斜角度與氣體持液率總體呈現負相關關系。

圖3 不同傾斜角度和長度管道持液率對比圖

3.結論

針對真實地形下天然氣管道的氣體流動特性開展研究，分析了不同傾斜角度對于管道內氣體溫降、壓降和持液率的影響規律，得到以下結論：

（1）天然氣管道傾斜角度對于濕天然氣的流動參數存在影響，在一定傾角范圍內，管道內氣體壓降及溫降與傾角呈正相關關系，持液率與傾角呈負相關關系。（2）天然氣管道內的氣體持液率對于壓降和溫降有較大影響關系，在持液率減少時，管道的熱能和壓能損失有降低趨勢。