輸氣管道清管器運行速度研究*

楊宏偉 劉方

中海石油氣電集團有限責任公司

管道輸送天然氣是目前業內達成共識的最為經濟高效和安全的輸送方式。為確保輸氣管道的安全、穩定、高效運行，定期對管道進行清污、除垢和檢測等清管維護作業已成為必要的作業流程。決定管道清管作業成功與否的關鍵要素之一是清管器的運行速度，在滿足規范且穩定運行的速度下，清管器清管效率最高，過高或過低的速度都不利于清管作業，甚至存在嚴重的安全隱患[1]。

清管器的驅動力來自管道輸送介質前后壓差的推動力，受管道內部雜質狀態、管道沿線高程變化、管道自身運行壓力及流量波動的影響，清管器的運行速度很難趨于穩定。對于長輸天然氣管道來說，若無法掌握、調節清管器運行速度，則必須采取相應措施才可進行清管作業，由此造成巨大的經濟投入[2-3]。因此，清管器速度的提前預判與跟蹤對于管道的清管維護作業尤為重要。

1 清管器運行速度研究進展

清管作業是指利用清管器對輸氣管道進行定期清管，是天然氣管道投產和運行中的一項重要工作，分為常規清管和智能清管兩種。常規清管通過發射清管器清除管道中的液態水、泥沙、污液、腐蝕產物和泡沫清管器碎片等，避免管道堵塞，降低摩阻損失，減少設備磨蝕。智能清管是指在常規清管的基礎上利用變形檢測器和漏磁腐蝕檢測器全面了解管道內部情況，掌握管道內外金屬缺失、變形情況，評價管線腐蝕狀況[4-5]。

清管作業的質量取決于清管器的類型、控制運行的速度和推動介質的壓力。通常，若想獲得較好的清管效果，清管器在管道中應以接近恒定的速度運行[6]，速度太快或太慢都不利于清管作業。目前，清管器樣式很多，對清管器的性能、運行速度及所需的驅動壓力的研究往往憑借經驗，具有一定的不確定性[7]。國內對于天然氣管道清管器的相關研究還處于發展階段，業內采用的清管器運行速度計算方法主要有SY/T 5922—2012《天然氣管道運行規范》（以下簡稱規范）推薦的公式估算、經驗數值求解及模擬仿真三類。

1.1 標準規范推薦公式求解

清管器的速度采用以下公式估算[8]：

根據規范要求，普通清管作業清管器的運行速度宜控制在3.5～5 m/s。

1.2 建立模型數值求解

根據清管器在輸氣管道中運行過程的受力情況進行受力分析，列出清管器運行過程的守恒方程，通過邊界條件的設置進行建模數值求解。由于這類方法對清管器的運行狀態進行了簡化，部分邊界條件進行了理想化處理，因此計算結果的精確度與模型的復雜程度密切相關，且模型的適用性受限較大。部分研究學者結合工程實際提出了基于清管過程各影響因素的數值求解方法[9-16]，但這些方法的普適性有待進一步的工程驗證。

1.3 水力學軟件仿真

采用成熟的具備清管器運行仿真模塊的水力仿真軟件對清管器運行過程進行全程仿真模擬[17-20]，可以同時對清管器進行穩態及動態模擬，實現了清管器運行狀態全過程仿真，使計算精度及效率大大提高。但該類方法需要提前對清管狀態的運行工況進行輸入，前期所需輸入數據較為復雜，一旦模擬工況與實際工況不符，計算結果會與實際運行狀態產生偏差。

2 清管器運行速度計算

鑒于清管器運行速度對清管效果的重要意義，根據規范推薦的清管器運行速度公式對某輸氣管線清管器運行速度進行估算，同時采用SPS 軟件對相同運行工況下的清管器運行速度進行模擬仿真，最后結合現場清管監測數據對公式估算結果及仿真結果進行校核，校核結果可為現場清管作業提供指導。

2.1 規范推薦的公式估算

根據規范推薦的清管器運行速度估算公式（公式1）對某在役天然氣外輸管線清管過程中的清管器運行速度進行估算。

以某輸氣管道清管過程為例（圖1）進行研究，該輸氣管道全長約98.02 km，沿線地勢平坦，忽略高程差影響，外徑406 mm，壁厚8.7 mm，管壁粗糙度0.03 mm，沿線設8 座閥室，發球站出站壓力1.57 MPa，末站壓力1.44 MPa，管線設計壓力4 MPa，采用皮碗清管器（過盈量2%）進行清管作業。

圖1 清管器清管路線示意圖Fig.1 Schematic diagram of pigging route

通過將相關管道運行參數代入上述計算公式得到對應工況下不同管段清管器運行速度（表1），由于清管期間GD3 下游分輸閥室及GD7 下游相應分輸閥室有較為明顯的不可中斷用戶氣量下載，故GD2、GD3 與GD4～GD7 及GD8、GD9 清管器運行速度發生較大變化。

表1 各管段清管器平均運行速度估算Tab.1 Estimated average operating speed of pig in each pipe section m/s

2.2 SPS 仿真

2.2.1 清管器運行速度模擬工況簡介

本文選取規范推薦公式就天然氣外輸管線相同運行工況進行清管器運行速度仿真計算。本算例氣源氣質組分見表2。

表2 氣源氣質組分Tab.2 Gas source components 摩爾分數/%

2.2.2 仿真模擬分析

通過參數設置、建模采用SPS 軟件對該天然氣外輸管線清管器運行速度進行仿真計算，其運行速度仿真結果如表3 所示。

表3 各管段清管器運行速度軟件仿真結果Tab.3 Software simulation results of pig operating speed in each pipe section m/s

由表3 可以看出，清管器在輸氣管道內的運行速度最大為4.5 m/s，穩定運行速度維持在1.5～3.0 m/s左右。

2.3 清管器運行速度現場監測

在輸氣管道清管作業現場對清管器運行速度進行監測，首先需要根據前期管道調研數據設置監測作業監聽點，第一個監聽點設置在發球站，最末一個監聽點設置在收球站，在管線沿線的閥室、分輸站點分別設置監聽點，然后在相應監聽點位置安裝檢測儀（磁感應指示器）。清管過程中，清管器發出后記錄相應時間，根據管道運行情況，提前預判清管器理論到達各監聽點的時間，監聽點人員根據預判時間提前到位監聽，在清管器通過監聽點時記錄清管器通過時間、地點等信息，然后結合管道基礎數據計算輸氣管線各管段（以閥室、分輸站點為界）清管器運行的平均速度，計算結果見表4。

表4 各管段清管器平均運行速度現場監測結果Tab.4 On-site monitoring results of pig average operation speed in each pipe section m/s

2.4 結果對比分析

將不同方式計算得到的清管器運行速度與現場實際監測得到的結果進行對比匯總，結果見表5。

表5 不同方式計算得到的清管器運行速度Tab.5 Pig operating speed calculated by different methods

通過對上述計算結果進行橫向對比分析發現，相同工況下，軟件仿真計算得到的清管器運行速度都較規范推薦公式估算的速度更接近實際監測運行速度，SPS 軟件仿真結果更為精確，且能夠提供實時清管器的運行速度，規范推薦的清管器運行速度估算公式的結果僅可用于初步估算某段管線內清管器的平均運行速度，與實際運行速度偏差較大。實時掌握清管器的運行狀態最為可靠的做法即在清管器內部安裝信號發射器，通過實時定位清管器的位置掌握清管器的運行狀態，提前為前方發出預警，做好清管器的收球及清污準備工作。

3 結論及建議

針對相同工況下的輸氣管線清管過程，對規范推薦公式估算法及SPS 軟件模擬仿真法的清管器運行速度的計算及結果進行了對比分析。結果表明，SPS 軟件仿真計算得到的清管器運行速度均較規范推薦公式估算結果更接近清管器實際監測運行速度，且SPS 軟件的仿真結果能夠提供清管器的實時運行速度，其結果與實際監測結果誤差均在10%以內，滿足現場工程需要。規范推薦公式估算結果僅可粗略預判輸氣管線內清管器的平均運行速度，工程實際參考意義不大，建議規范推薦估算公式僅在判斷清管作業可行性的準備階段使用，在制定詳細清管作業方案過程中推薦采用軟件仿真結果作為參考依據。上述方法對于清管器運行速度的計算僅是基于一種較為理想狀態下的計算，旨在為清管作業提供參考。