投产时温度对气液两相流管道输送的影响

高雪利，邸俊杰，王 帅，季长华，汪 敏，张明思，郭小强

(1．中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000;

2．北京东方华智石油工程有限公司，北京 100012)

0 引言

目前，国内对陆地气液两相流长输管道［1］研究相对较少，两相流输送常见于海底采油［2］、输油管道及油气田集输管道。中东地区油气含量丰富，采出的天然气中往往含有大量重组分［3］。组分中含有重烃的天然气，经压缩机加压、脱水后进入埋地外输管道，在管道内输送时一般呈现为气液两相流［4］。随着输送过程中管道内流体与管壁及土壤间的热交换，管道内流体温度逐渐降低，最终与大地温度场［5－8］达到热力平衡。输送压力也因克服摩阻而降低，输送过程中油气两相之间不断发生相变［9］。管道出口液相与气相的体积流量决定了末端段塞流捕集器［10］的选型，通过仿真模拟，得出管道投产初期任意时刻管道内压力、温度、末端气液两相的体积流量、管道内总积液量的实时变化情况，对于末端分离设备选型［11］、输送计划的编制、紧急预案制定具有指导作用。

1 问题描述

中东地区某油气管道外输项目，外输管道外径610 mm，全长100 km，沿线需要穿越5 条河流，河流宽度均为3 km，河流穿越段最大穿越深度为－25 m。管道最大埋深1．5 m，夏季土壤温度30℃，冬季土壤温度10℃，该地区极端最低温度－5℃。土壤密度1 600 kg/m3，土壤比热容84 J/kg·℃，土壤导热系数0． 8 W/m·℃。管道最小输量7 ×104m3/h，最大输量16．5 ×104m3/h，管道出口压力4．0 MPa。输送过程假定管道内起始状态管道内无流体。流体所含组分见表1，由该组分得到的相包络图见图1，计算过程框图见图2。

2 入口流体温度对管道输送的影响

气液两相流外输管道在冬季土壤温度10℃，最大输量为16．5 ×104m3/h 时投产。分别研究了此时管道入口处流体温度为60℃、50℃及30℃对气液两相流管道输送的影响［12］。得到不同流体温度下投产150 h 后全线的压力分布情况，以及管道内总的积液量、温度变化、气液两相各自的体积流量，详见图3 ～图6。

表1 流体所含组分

图1 相包络图

图2 计算过程框图

图3 管道沿线温度变化

图4 管道沿线压力变化

管道投产初期，管道埋深1．5 m 处土壤温度为10℃，管道入口流体温度分别为60℃、50℃、30℃时，流体经与管壁及土壤间传热，运行150 h 以后管道出口处流体温度分别为18．8℃、17．5℃、14．3℃。管道出口因流体温度不同，导致段塞流捕集器分离出的液体流量分别为16．7 m3/h、20．1 m3/h、28．4 m3/h。不同的输送温度对管道内流体压力变化影响较小。运行150 h 以后管道内总积液量先增大后减小，待土壤温度与管道内流体温度热传导达到平衡以后，管道入口流体温度为60℃、50℃、30℃时管道内总积液量分别为288 m3、387 m3、705 m3。由以上结果可知，流体输送温度对气液两相流管道投产后的输送影响很大，在相同输送条件下流体温度越低管道末端分离出的液相体积流量越大，管道内的总积液量也越大。

图5 管道出口气相及液相体积流量变化

图6 管道内总积液量

3 不同土壤温度对管道输送的影响

气液两相流外输管道在最大输量16． 5 ×104m3/h 下投产，管道入口处流体初始温度为60℃。研究了土壤温度分别为30℃、10℃、－5℃对气液两相流管道输送的影响。得到不同土壤温度下投产150 h 时全线的压力分布情况，以及管道内总的积液量、温度变化、气液两相各自的体积流量［13］，见图7 ～图10。

图7 管道沿线压力变化

图8 管道沿线温度变化

图9 管道出口气相及液相体积流量变化

图10 管道内总积液量

管道投产初期，管道入口流体温度为60℃，不同季节管道埋深1．5 m 处土壤温度分别为30℃、10℃、－5℃时，流体经与土壤间传热，运行150 h 以后管道出口流体温度分别为31． 0℃、18． 8℃、10.6℃。管道出口因流体温度不同，段塞流捕集器分离出的液体流量分别为0、16．7 m3/h、38．7 m3/h。不同的输送温度对管道压力变化影响较小。运行150 h 以后管道内总积液量先增大后减小，待土壤温度与管道内流体温度热传导达到平衡以后，土壤温度为30℃、10℃、－5℃时管道内总积液量分别为0、289 m3、603 m3。由以上结果可知，土壤温度对气液两相流管道投产后的输送影响很大，在相同输送条件下流体温度越低管道末端分离出的液相体积流量越大，管道内的总积液量也越大。随着流体温度的升高，管道末端分离出的液量逐渐减少，当流体温度升高到一定值管道内液相的流量会减为零。

4 结论

流体温度、土壤温度对气液两相流管道投产初期的输送影响很大，在相同输送条件下流体温度越低管道末端分离出的液相体积流量越大，管道内的总积液量也越大;相反，随着流体温度的升高，管道末端分离出的液量逐渐减少，管道内的总积液量也减少。投产初期对温度差异导致的管道内压力、总积液量、气液两相体积流量变化进行的定量分析，为管道末端段塞流捕集器选型提供了数据支持，为管道放空、启停输等动态工况的研究提供了理论依据。

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