大落差液體管道投產(chǎn)過程水力分析研究

2024-01-01 00:00:00公茂柱郭靖宋金鳳葉昆

化工機械 2024年6期

摘 "要""大落差液體管道投產(chǎn)過程中管道內(nèi)存氣對投產(chǎn)期間流量、壓力的控制影響顯著，必需在投產(chǎn)之前有效預測管內(nèi)存氣的影響，并提前采取措施。以具有較大起伏落差的某航煤管道為例，對“空管投油”過程進行仿真研究，對比分析了隔離球放置對管道排氣的影響。

關鍵詞""大落差管道 "投產(chǎn) "隔離球 "管道存氣" " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406013

中圖分類號""TQ055.8+1"""""""""""""""文獻標志碼""A""""""""""""""""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

我國西部成品油管道、蘭成渝成品油管道、蘭鄭長（甘肅段）成品油管道、蘭成原油管道、中緬原油管道、西南成品油管道（貴渝支線）、三塘湖原油外輸管道等都屬于典型的長距離大落差管道，敷設路線有時會不可避免地選擇在山區(qū)。國外加拿大穿山管道、玻利維亞Santa至智利Arica管道、伊朗Ahwaz至Tehran管道、沙特阿拉伯卜凱克至延布管道、哥倫比亞Orito至Tumaco管道、巴西Osrio管道等都屬于典型的大落差管道[1]。雖然大部分管道在投產(chǎn)時采用各種措施來減少管內(nèi)存氣，但在管道投產(chǎn)過程中管段存氣現(xiàn)象是很難避免的。在向管內(nèi)充液的過程中，管內(nèi)的氣體會因重力等原因滯留在管道內(nèi)，尤其是在地形起伏較大的管道中，翻越點后可能會以不滿流的形態(tài)自流至管段低洼處形成積液。此時，下坡段中的氣體會被低洼處產(chǎn)生的積液密封在高處，形成大段的氣-液共存區(qū)[2]。如果管內(nèi)氣體不能及時排出，可能在投產(chǎn)時發(fā)生超壓危險。

大落差管道投產(chǎn)過程實際上是液-氣置換的不穩(wěn)定流動過程，投產(chǎn)中可能出現(xiàn)泡狀流、團狀流、分層流、段塞流等流型，水力工況復雜。目前已經(jīng)有部分學者對大落差液體管道的投產(chǎn)過程開展了研究[3～12]。張楠等針對大落差對西部成品油管道注水階段的影響及管內(nèi)存氣對投產(chǎn)的影響開展分析[3]。王琪來等對起伏管段采用模擬方法分析了含滯止氣段的充液流動過程和水力參數(shù)變化特點[4]。張盛楠等針對起伏管道投產(chǎn)過程，將處于液氣置換過程中的管道分為積氣段、氣泡段和轉彎段3部分，并提出了對應的壓降計算方法[5]。筆者基于空管投油的投產(chǎn)方式對大落差管道投產(chǎn)過程開展模擬分析，進一步掌握管內(nèi)壓力、含氣率特征，以期為大落差管道的投產(chǎn)提供技術支撐。

1 "模型理論

OLGA多相瞬態(tài)模擬軟件采用擴展的雙流體模型[13]，即氣相、液相和氣相中夾帶的液滴。

連續(xù)性方程：

式中""——管內(nèi)橫截面積；

G——各相的質量源；

V——各相體積分數(shù)；

v——各相流速；

ρ——各相密度；

ψe——液滴夾帶速率；

ψd——液滴沉積速率；

ψg——氣液相間質量傳遞速率。

下標 "D——液滴；

g——氣相；

L——液相。

動量方程：

式中""g——重力加速度；

p——壓力；

S——各相界面的濕周；

vr——相對速度；

α——管道傾角；

下標""i——氣液之間的界面。

2 "管道投產(chǎn)過程分析

為了降低或抑制投產(chǎn)過程中的管道含氣，筆者將重點討論投產(chǎn)中添加隔離球產(chǎn)生的影響。選取具有較大起伏的某航煤管道為例開展分析，航煤管道總長63.5"km，管內(nèi)徑為206"mm，設計輸量為100×104"t/a，管道末端壓力為0.2"MPa，不考慮溫度變化的影響。對未加隔離球和不同時間放置隔離球的投產(chǎn)工況開展仿真模擬。

2.1""油頂?shù)獨馕醇痈綦x球

考察油頂?shù)獨馕醇痈綦x球（工況1）投產(chǎn)完成時的管道沿線持液率、壓力分布情況，具體如圖1、2所示。由圖可知，沿線持液率在管道高點處均小于100%，說明投產(chǎn)后管道中會存在滯留的氣體。含氣率較高的位置出現(xiàn)在26.4、40.3、61.6、62.5"km處，上述位置的含氣率分別為69%、65%、79%、80%，同時計算得到的管道入口壓力6.9"MPa。

2.2""油頂?shù)獨?0 h后（939 m3油）加隔離球

對油頂?shù)獨?0 h后加隔離球（工況2）投產(chǎn)工況開展仿真模擬。投產(chǎn)5"h時管道沿線的持液率分布如圖3所示。在油品進入管道5"h過程中（此時還未加隔離球），管道內(nèi)流動情況與工況1相似，油流已到達的管道沿線高點持液率均小于100%，表明油品并不能完全置換氮氣，且氣體主要積聚在管道中的高點和下坡段。此時含氣率較高的位置在9.9、13.7、14.5"km處，上述位置的含氣率分別為64.0%、73.3%、83.0%。

自10"h添加隔離球至投產(chǎn)完成后，管道沿線持液率、壓力分布如圖4、5所示。此時管道沿線持液率均達到100%，表明添加隔離球投產(chǎn)后，管道中的氣體已排盡。計算得到的管道入口壓力為5.15"MPa，明顯低于管道中仍然存氣的工況1入口壓力。

2.3""油頂?shù)獨? h后（207 m3油）加隔離球

對油頂?shù)獨? h后（207 m3油）加隔離球（工況3）投產(chǎn)工況開展仿真模擬。投產(chǎn)5"h后（已加隔離球2"h）的管道沿線的持液率分布如圖6所示。油流已到達的管道沿線高點持液率均低100%，這表明油品并不能完全置換氮氣，但含氣率已低于工況1、工況2。含氣率較高的位置在9.9、13.7、14.5"km處，上述位置的含氣率分別為32.5%、65.0%、85.0%。

自3"h添加隔離球至投產(chǎn)完成后，管道沿線持液率、壓力分布情況如圖7、8所示。此時管道沿線持液率均達到100%，表明添加隔離球投產(chǎn)后，管道中的氣體已排盡。計算得到的管道入口壓力為5.13"MPa，略低于油頂?shù)獨?0"h后投球的工況2入口壓力，明顯低于管道中仍存氣的工況1入口壓力。

由不同工況模擬結果與實際投產(chǎn)過程中測試的首站壓力對比結果（圖9）可知，仿真結果能夠較好描述投產(chǎn)過程，體現(xiàn)出加隔離球對管道沿線含氣率的影響，但對投產(chǎn)過程的壓力計算結果仍與實際投產(chǎn)壓力存在偏差。加設隔離球的工況首站壓力明顯低于不加隔離球的工況，且隨著加設隔離球時間的縮減，壓力下降越明顯。例如在33"km處，不加隔離球和10"h后加隔離球投產(chǎn)的首站壓力為5.2"MPa、5"h后加隔離球首站壓力為4.93"MPa、3"h后加隔離球首站壓力為4.28"MPa。

3 "結束語

對某大落差航油管道放置隔離球不同條件的投產(chǎn)工況進行模擬并對比，再現(xiàn)了現(xiàn)場實際的投產(chǎn)過程。根據(jù)模擬結果，建議在工程實際投產(chǎn)時應盡早投隔離球，有助于降低投產(chǎn)壓力。

大落差管道投產(chǎn)期間的排氣工作是管道能否順利投產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。建議在大落差液體管道適當位置考慮設置高點放空閥室，并設置好臨時排氣點，保證數(shù)量滿足排氣要求。要充分考慮上游泵站提供壓能的富裕度，增大低點地段的承壓等級，以克服管道投產(chǎn)過程中水和空氣、油和空氣形成多相流產(chǎn)生的摩阻，以及油頂水過程中，大落差U形彎處密度差所帶來的能量差。氣阻發(fā)生后，假如情況不嚴重，在確保管道不超壓、設備仍能運行的前提下可通過提高上游出站壓力的方式來解決。水聯(lián)運期間多次發(fā)送清管器逐步掃除管內(nèi)氣體。充水掃線初期大部分高點處都會存在氣阻，但隨著氣體不斷被水流或者清管器帶出管道，氣阻的影響會逐漸減少直至消失，管道流量和壓力逐步恢復正常。

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