天然气管道清管周期

1榆济管道概况

榆林－济南管道始于陕西省榆林市榆阳区，止于山东省德州市齐河县，横贯陕西、山西、河南、山东四省，共经过8个地市、23个县区。管道东西横穿毛乌素沙漠边缘、黄土高原、吕梁山脉、太岳山脉、太行山脉等复杂地段，沿线地形起伏较大（图1），最高海拔1694m，最低海拔20m。榆济管道运行初期较平稳，随着输送过程中温度和压力的变化，沿程析出了部分凝析液，在一定条件下导致水合物的形成[13-14]。为了避免管道因形成水合物而堵塞，向管道中加注了乙二醇、甲醇等抑制剂，但根据注醇量和排污检测情况统计，判断管道底部或低洼处积存了大量抑制剂。气源天然气在油气田虽然进行了净化处理，且管输天然气的水露点满足输送要求，但是由于管道存在节流降温现象，使得天然气中的饱和水蒸气凝析出来，同样积聚在管道底部和低洼处，由此减小了管道的实际流通截面，降低了管道输气效率。同时，管道在排污时排出大量粉尘，由此判断管道内部由于未进行内防腐处理，引起了输气管道的内腐蚀[15-16]。管道腐蚀会使内壁粗糙度增加，导致水力摩阻系数增大，进一步降低管道输气效率。综上分析，榆济管道出现管内积液、污物、粉尘等的原因主要是由于管内水合物的形成、抑制剂的过量添加以及内腐蚀的出现。以系统积液量进行计算时，仅考虑管道内部气液相变并不能反映榆济管道运行的实际情况，需要以一个可综合评价管道内部运行情况的指标，衡量管内污物的累积程度，即以输气效率判断管内情况。然而，输气效率并不是一个直观可监测的指标，这就需要建立一定输量下，输气效率与管道压降的关系，以实时监测到的压降数据衡量管道内部运行情况，确定合理可靠的清管周期。

2清管周期的确定方法

管道需要进行及时的清管来清除管内固体杂质和内部明水，降低全线水露点，保证下游用气质量[7]；还可以清除管道内部泥沙、污液等杂质来降低天然气输送的摩阻损失，提高管道输气效率，减少能耗[8]。同时，施工残渣的清除保证了下游过滤设备的正常运行，并保护计量仪器和调压装置免受损伤。决定清管周期的主要因素[6]包括管道终端捕集器的液体处理能力、管道中气液混合物的最大允许压降和流速、管道的纵断面形状以及液体容易积聚的低谷数量及尺寸等。清管周期的确定必须在分析管道参数的基础上结合安全、经济、社会等因素，对具体管道进行分析，从而确定合理方案。目前，清管相关的规范大多是根据管道腐蚀速率预测、分析管道运行情况、管道公司运行管理的相关制度进行制定。SY/T5922－2003《天然气管道运行规范》[9]建议清管周期应根据天然气气质组分、输气效率和输送压力等因素联合确定，规范要求：当管道输送效率低于95%时，宜实施清管作业。输气效率是反映管道工作状况和管路清洁度的重要参数，是输气管道实际输气量与理论计算输气量的比值，它表明了输气管道实际运行情况偏离理想计算的程度。其计算公式为：rQEQ=（1）式中：E为管道的输气效率；Qr为输气管道的实际输量，属于管道动态运行数据，可通过仪器测量得到，m3/s；Q为输气管道设计输量，可根据管道基础数据选取相关计算公式计算得到，m3/s。同时，清管周期的确定还可以通过分析管道系统压降曲线或系统积液量得到。当管道输量一定时，在输气效率降低的情况下，为了保证输量，管道沿线压降将会增大[10]。通过监测压降曲线的变化可以判断管道内部是否发生泄漏、堵塞等，从而确定相关措施。通过建立积液量计算模型，结合管道沿线水露点数据，可以得到沿程积液量，从而确定清管周期[11-12]。随着计算机技术的发展，OLGA、PipePhase、PipeFlow等软件通过模拟系统内的压力、温度、传热、持液率、流速、流型和压降等参数，结合段塞流捕集器的处理能力，从而可以确定清管周期。

3计算过程与结果

3.1理论基础与输气效率计算模型结合榆济管道实际运行状况，采用输气效率衡量管道运行状况，并以压降作为是否需要清管的指标。在计算中，需考虑沿程高差对管道运行的影响[20]，其流量计算公式为：式中：C为常数，0.0384（m2·s·K/kg）；PQ为管道计算段起点压力，Pa；PZ为管道计算段终点压力，Pa；D为管道内径，m；λ为管道水力摩阻系数；Z为天然气压缩系数；Δ为天然气相对密度；T为天然气平均温度，K；L为管道计算段的长度，m；ΔS为起止点高程差，m；a=2g/(ZRT)。分析式（2）可以看出，当运行数据已知时，对于确定走向和管径的管道，其设计流量Q的计算与气体的压缩因子Z、水力摩阻系数λ有关，故需进行状态方程和流量计算公式的选择。针对榆济管道气源参数，结合榆林首站来气气体组分性质以及实测数据（相对密度0.612），采用SRK方程计算得到在标准状态下该组分的相对密度为0.61168，以PR方程计算得到该组分的相对密度为0.61175。其中，SRK方程和PR方程两方程在计算方面与实测数据均表现出较大的吻合性，但PR方程的吻合度更高。基于PR方程的计算简便性，选用PR方程（公式3）作为榆济管道输气效率计算的状态方程。R为气体常数，8.314kJ/(kmol·K)；p为气体压力，kPa；ρ为气体密度，kmol/m3；T为气体温度，K；V为气体摩尔体积，m3/kmol。以榆济管道运行初期的实测数据为基础，采用不同流量公式进行计算，通过将出口处的计算压力与实际数据进行对比，得到Colebrook-White公式（公式4）作为榆济管道流量计算公式。式中：ε为管道粗糙度，m；Re为雷诺数，ReρvDμ=。结合公式（1）～公式（4），即可对榆济管道的输气效率进行求解。由于压缩因子和摩阻系数均为隐函数的表达形式，需采用迭代法进行求解。3.2输气效率与压降之间的关系根据标准SY/T5922－2003《天然气管道运行规范》的规定：当管道输送效率低于95%时，宜实施清管作业。在工程允许范围内，以输气效率90%作为是否需要清管的依据，由此确定清管周期。联立公式（1）～公式（4），可得输气效率E是关于上下游管道压力平方差的函数，所以管道内部有无积液，是否需要清管的外在表现即管道上下游压差是否发生变化。管道的清管周期是与输送工艺、操作条件、环境状况等诸多因素相关的动态参数，因此应加强管道的实时监测。当管道输气量一定时，每个确定的输气效率对应于一个确定的管道压降，以榆济管道输气量作为已知数据，通过计算可得出输气效率与压降的关系。以2012年生产数据为例，将管道分为榆林－佳县、佳县－方山、方山－汾阳、汾阳－武乡、武乡－黎城、黎城－安阳、安阳－南乐、南乐－聊城、聊城－齐河九大段。在已知各管段起点压力的情况下，通过上述计算模型，以EXCEL软件拟合得到输气效率与压降的关系（表1）。通过分析计算该关系表，根据管道运行数据得到运行期间管段压差，分析得到该压差所对应的输气效率，在输气效率小于90%时宜进行清管作业。在实际生产中，通过监测管段两端压力，在压降高于计算所得的清管必需压降时，即需对该段管段进行清管，由此确定合理的清管周期，从而为实际运行决策提供科学支撑。此外，当管道两端压降较大，输气效率较低时，判断管道内部存在较多凝析液，甚至形成了水合物，进而对管内异常情况进行控制；当管道两端压降较小，输气效率大于100%时，判断该段管段出现泄漏，需要对管道加以控制。

4结论与建议

通过对榆济管道的输气效率和清管周期进行研究，建立了以PR方程、C-W公式为基础的榆济管道输气效率计算模型，得到了输气效率与压降之间的关系。（1）根据输气效率与压降之间的关系表，通过对各管段两端压力进行实时监控，由此确定合理的清管周期，并对管内异常情况进行判断与控制；（2）依据标准SY/T5922－2003《天然气管道运行规范》的要求，以输气效率E的大小作为判断是否需要清管的依据，该方法计算简便，操作性强；（3）干线输气管道的清管周期是与输送工艺、操作条件、环境状况等诸多因素相关的动态参数，因此应加强管道的实时监测；（4）在地形起伏地区，管道输气效率降低的主要原因在于积液的形成，在深入研究中，根据管道内部积液建立地形起伏地区的清管周期计算数学模型，将水合物的形成预测、注醇量和积液量与清管周期进行动态联系，以期指导生产。

作者：谢英 崔梦梦 全恺 袁宗明 贺三 单位：西南石油大学石油工程学院 中石化天然气榆济管道分公司