天然氣管道清理瞬態模型及過程仿真

吳宇雨

（四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610299）

天然氣是重要的生產和生活能源，確保天然氣供給的安全和效率具有十分重要的意義。但是在連續的供給過程中，天然氣管道會出現積液和雜質沉淀，從而阻塞管道內徑[1]。在阻塞情況不嚴重的情況下，天然氣管道有效截面積會變小，從而降低天然氣的供給效率。在阻塞嚴重的情況下，天然氣管道可能被完全堵塞，天然氣無法通過、氣壓不斷增高，甚至可能引發爆管等危險事故[2]。該種情況下，必須對天然氣管道進行清管處理，以確保天然氣的供應安全和供應效率。但是，天然氣清管操作會受很多因素的影響，如果天然氣供給管道自身落差較大，清管器工作時的沖擊會對管道造成更大影響[3]。因此對天然氣管道清理過程進行深入細致的分析，構建對應的數學模型，進而對相關因素的影響進行仿真驗證，對提升清管效果具有重要的實踐價值。

1 天然氣管道模型構建

為了建立天然氣管道清理模型，需要先設定一個涵蓋更多可能實際情況的天然氣管道物理模型，進而從數學角度對清管過程建立一個瞬態模型。

1.1 天然氣管道的物理模型

涵蓋更多可能實際情況的天然氣管道的物理模型，如圖1 所示。

圖1 天然氣管道的物理模型

根據圖1 可知，管道內部的情況分為4 類區域。

第一區間，是一個氣體液體多相流動的區間，也是新舊氣液相態轉換、新氣液相態的再生區間。第一區間的下方是液體積存區域。第一區間的上方是傳輸的天然氣混合氣體。2 個區域之間存在一個邊界，邊界是動態變化的。隨著管道內、外條件的變化，氣態物質中會析出液態物質，液態物質中也可能析出部分氣態物質，氣、液2 種物質不斷地動態演化，并在動態過程中達成平衡。

第二區間，是一個純氣體流動的區間。該區間中沒有液體積存，是單純的天然氣混合氣體。

第三區間，是液體積存阻塞區間，也是清管要處理的重點區間。在該個區間中，液體積存面積大，形成了較嚴重的阻塞，上方氣體區間變窄。在清管過程中，清管球一般放置在第二區間和第三區間的銜接處，在清管球的作用下，液體流動速度較大。

第四區間，是液體積存消除漸進區間。經過第三區間的清管處理，積存液體不斷減少，管道內部空間逐漸加大，天然氣自由流動空間加大。

1.2 天然氣管道清理的瞬態模型

描述天然氣清管過程的數學模型很多，如MD 穩態模型、BA 穩態模型、KH 瞬態模型和MA 瞬態模型等。其中，MD 模型和BA 模型忽略了天然氣管道中的氣態和液態之間的相變轉化，并且只考慮了氣、液穩態、流動時的情況，這2 種模型描述的清管過程相對簡單，和實際情況存在較大偏差。KH 模型、MA 模型考慮了天然氣管道中的氣態和液態之間的相變轉化，并以瞬態管道截面的關鍵參數作為分析依據，但邊界跟蹤處理等方面仍然和實際情況存在一定差異。基于上述情況，該文提出一種新的天然氣管道清理瞬態描述數學模型，如公式（1）所示。

式中：t代表天然氣管道清理過程中清管球在管道內運行的時間，s；Ls代表天然氣管道內發生液體阻塞的長度，m；H1s代表天然氣管道內阻塞液體的持液比例，該量沒有單位；Hl代表天然氣管道第四區間上的持液比例，也沒有單位；wt代表天然氣管道內阻塞液體前鋒的移動速度，m/s；wl代表天然氣管道內沒有發生阻塞時液體流動的速度，m/s；wp代表天然氣管道內清管球運動的速度，m/s；E代表了清管效率系數，如果清管球的直徑和天然氣管道內徑比值超過0.95，可以將其設定為1；1-E代表清管處理后天然氣管道內的含液率，是一個和清管效率系數有關的函數。

2 天然氣管道清理施工流程

根據上述模型可知，天然氣管道的清理與清管球有密切關系，清管球的大小設計、發射與接收是清管工作圍繞的核心所在。除了清管球和清管器的合理運用，還需要做好清管前的準備工作和清管后的善后工作。

天然氣管道清理前的準備工作包括1）對天然氣管道正常工作時的基本參數進行采集，包括天然氣管道的內徑、天然氣管道的管壁厚薄、天然氣管道使用的管材和承受的環境壓力等。第二，對天然氣管道的工作條件參數進行采集，包括管道運行空間上的高程差、天然氣管道的走向及經過的站場。第三，天然氣管道前期所經歷的清管作業數據，進行匯總記錄。

經過前期準備以后，要制定合理的管道清理方案，方案中涉及的內容包括參與天然氣管道清理工作的人員（分為清管球的發送人員、清管球的接收人員和清管過程的監督管理人員），清管過程中需要使用到的器材、工具和物資等。清管球發射器的工作原理如圖2 所示。

圖2 清管球發射器工作原理

從圖2 可以看出，清管球發射器的結構相對復雜，除了主體發射腔以外，還有2 個壓力表、5 個閥門相配合。其中，2 號閥門與主體發射腔相連，2 個壓力表則分別測試主體發射腔內壓力和發射路徑壓力。

在清管球發射器的作用下，清管球發射的流程如圖3所示。

圖3 清管球發射流程圖

從圖3 可以看出，清管球的發射主要依靠5 個閥門和主體發射腔的協調配和，其間要不斷觀察2 個壓力表的變化，確保氣壓數值的合理。

第一步，將清管器發送回路上的1 號閥門關閉、4 號閥門關閉，確保發射腔氣壓持續增強。

第二步，將清管器放空回路上的3 號閥門打開、5 號閥門打開，確保放空回路氣壓降至最低值，形成發射回路和放空回路的有效壓差。

第三步，打開清管器主體發射腔的尾部擋板，將清管球放入主體發射腔內，并利用氣壓將其運送到腔頸處。

第四步，打開2 號閥門，同時關閉3 號閥門和5 號閥門。打開1 號閥門和4 號閥門，利用氣壓壓差變化推動清管球從清管器內發射出去。

3 天然氣清管過程仿真分析

在上述工作中，該文針對天然氣管道的清理過程進行了物理建模、瞬態數學建模，給出了管道清理的方法、流程和器具。接下來將針對天然氣清管過程進行仿真研究，以驗證該文所做的各項工作的有效性。實驗地天然氣管道隨里程延伸而產生的高程變化的數據見表1。

表1 實驗地天然氣管道隨著里程延伸而產生的高程變化

為了直觀地展示隨著里程延伸，天然氣管道高程上的起伏變化，將表1 中的數據繪制成曲線結果，如圖4所示。

圖4 表1 中數據的曲線結果

在圖4 中，橫坐標代表40 組里程數據，是一個無量綱單位；縱坐標代表高程數據，即天然氣管道的平均架設高度，單位是m。結合表1 和圖4 可以看出，在該段近40km的天然氣管道試驗區域內，天然氣管道的架設高度相對比較平穩，起伏變化范圍基本為500m～1300m。在前10km 的長度上，天然氣管道高程數據非常穩定，變化范圍基本為750m～900m，最大落差沒有超過150m；在10km～20km 的長度上，天然氣管道有了一定起伏，最大高程為1200m，最小高程為680m，最大落差為520m；在20km～30km 的長度上，天然氣管道出現了最大起伏，最大高程為1250m，最小高程為500m，最大落差為750m，是整個里程中的最大落差值；在30km～40km 的長度上，天然氣管道有一定起伏，最大高程為1040m，最小高程為550m，最大落差為490m。

隨著里程的延伸，天然氣管道高程的起伏變化對管道清理具有一定影響。根據該文的清管方法和清管流程，執行清管作業后得到的管道內的持液比例數據見表2。

表2 全部里程中執行清管作業后得到的管道內的持液比例數據

為了直觀地展示隨著里程延伸，天然氣管道清理后的持液比例變化，將表2 中的數據繪制成柱狀圖結果，如圖5 所示。

圖5 表2 中數據的柱狀圖結果

在圖5 中，橫坐標代表40 組里程數據，是一個無量綱單位；縱坐標代表清管處理后天然氣管道內的持液比例，是一個無量綱單位。結合表2 和圖5 可以看出，根據該文方法進行清管處理后，天然氣管內的液體積存量大幅度降低，管道內各段持液比例全部在0.07 以下，對管道有效輸送內徑幾乎不構成影響，有效提升了天然氣的供給效率。

4 結論

天然氣是生產生活的重要能源，天然氣的供給安全和供給效率具有非常重要的意義。據此，該文針對天然氣管道內的積液清理展進行了研究。首先，給出了天然氣管道內可能出現情況的物理模型，進而構建了清管處理的瞬態數學模型。其次，確立了清管施工流程，并通過清管球發射對清管器的工作過程進行了闡述。最后，在試驗驗證環節對天然氣管道高程變化及清管處理的效果進行了驗證，證實了該文方法的有效性。