天然气管道清理瞬态模型及过程仿真

吴宇雨

（四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川 成都 610299）

天然气是重要的生产和生活能源，确保天然气供给的安全和效率具有十分重要的意义。但是在连续的供给过程中，天然气管道会出现积液和杂质沉淀，从而阻塞管道内径[1]。在阻塞情况不严重的情况下，天然气管道有效截面积会变小，从而降低天然气的供给效率。在阻塞严重的情况下，天然气管道可能被完全堵塞，天然气无法通过、气压不断增高，甚至可能引发爆管等危险事故[2]。该种情况下，必须对天然气管道进行清管处理，以确保天然气的供应安全和供应效率。但是，天然气清管操作会受很多因素的影响，如果天然气供给管道自身落差较大，清管器工作时的冲击会对管道造成更大影响[3]。因此对天然气管道清理过程进行深入细致的分析，构建对应的数学模型，进而对相关因素的影响进行仿真验证，对提升清管效果具有重要的实践价值。

1 天然气管道模型构建

为了建立天然气管道清理模型，需要先设定一个涵盖更多可能实际情况的天然气管道物理模型，进而从数学角度对清管过程建立一个瞬态模型。

1.1 天然气管道的物理模型

涵盖更多可能实际情况的天然气管道的物理模型，如图1 所示。

图1 天然气管道的物理模型

根据图1 可知，管道内部的情况分为4 类区域。

第一区间，是一个气体液体多相流动的区间，也是新旧气液相态转换、新气液相态的再生区间。第一区间的下方是液体积存区域。第一区间的上方是传输的天然气混合气体。2 个区域之间存在一个边界，边界是动态变化的。随着管道内、外条件的变化，气态物质中会析出液态物质，液态物质中也可能析出部分气态物质，气、液2 种物质不断地动态演化，并在动态过程中达成平衡。

第二区间，是一个纯气体流动的区间。该区间中没有液体积存，是单纯的天然气混合气体。

第三区间，是液体积存阻塞区间，也是清管要处理的重点区间。在该个区间中，液体积存面积大，形成了较严重的阻塞，上方气体区间变窄。在清管过程中，清管球一般放置在第二区间和第三区间的衔接处，在清管球的作用下，液体流动速度较大。

第四区间，是液体积存消除渐进区间。经过第三区间的清管处理，积存液体不断减少，管道内部空间逐渐加大，天然气自由流动空间加大。

1.2 天然气管道清理的瞬态模型

描述天然气清管过程的数学模型很多，如MD 稳态模型、BA 稳态模型、KH 瞬态模型和MA 瞬态模型等。其中，MD 模型和BA 模型忽略了天然气管道中的气态和液态之间的相变转化，并且只考虑了气、液稳态、流动时的情况，这2 种模型描述的清管过程相对简单，和实际情况存在较大偏差。KH 模型、MA 模型考虑了天然气管道中的气态和液态之间的相变转化，并以瞬态管道截面的关键参数作为分析依据，但边界跟踪处理等方面仍然和实际情况存在一定差异。基于上述情况，该文提出一种新的天然气管道清理瞬态描述数学模型，如公式（1）所示。

式中：t代表天然气管道清理过程中清管球在管道内运行的时间，s；Ls代表天然气管道内发生液体阻塞的长度，m；H1s代表天然气管道内阻塞液体的持液比例，该量没有单位；Hl代表天然气管道第四区间上的持液比例，也没有单位；wt代表天然气管道内阻塞液体前锋的移动速度，m/s；wl代表天然气管道内没有发生阻塞时液体流动的速度，m/s；wp代表天然气管道内清管球运动的速度，m/s；E代表了清管效率系数，如果清管球的直径和天然气管道内径比值超过0.95，可以将其设定为1；1-E代表清管处理后天然气管道内的含液率，是一个和清管效率系数有关的函数。

2 天然气管道清理施工流程

根据上述模型可知，天然气管道的清理与清管球有密切关系，清管球的大小设计、发射与接收是清管工作围绕的核心所在。除了清管球和清管器的合理运用，还需要做好清管前的准备工作和清管后的善后工作。

天然气管道清理前的准备工作包括1）对天然气管道正常工作时的基本参数进行采集，包括天然气管道的内径、天然气管道的管壁厚薄、天然气管道使用的管材和承受的环境压力等。第二，对天然气管道的工作条件参数进行采集，包括管道运行空间上的高程差、天然气管道的走向及经过的站场。第三，天然气管道前期所经历的清管作业数据，进行汇总记录。

经过前期准备以后，要制定合理的管道清理方案，方案中涉及的内容包括参与天然气管道清理工作的人员（分为清管球的发送人员、清管球的接收人员和清管过程的监督管理人员），清管过程中需要使用到的器材、工具和物资等。清管球发射器的工作原理如图2 所示。

图2 清管球发射器工作原理

从图2 可以看出，清管球发射器的结构相对复杂，除了主体发射腔以外，还有2 个压力表、5 个阀门相配合。其中，2 号阀门与主体发射腔相连，2 个压力表则分别测试主体发射腔内压力和发射路径压力。

在清管球发射器的作用下，清管球发射的流程如图3所示。

图3 清管球发射流程图

从图3 可以看出，清管球的发射主要依靠5 个阀门和主体发射腔的协调配和，其间要不断观察2 个压力表的变化，确保气压数值的合理。

第一步，将清管器发送回路上的1 号阀门关闭、4 号阀门关闭，确保发射腔气压持续增强。

第二步，将清管器放空回路上的3 号阀门打开、5 号阀门打开，确保放空回路气压降至最低值，形成发射回路和放空回路的有效压差。

第三步，打开清管器主体发射腔的尾部挡板，将清管球放入主体发射腔内，并利用气压将其运送到腔颈处。

第四步，打开2 号阀门，同时关闭3 号阀门和5 号阀门。打开1 号阀门和4 号阀门，利用气压压差变化推动清管球从清管器内发射出去。

3 天然气清管过程仿真分析

在上述工作中，该文针对天然气管道的清理过程进行了物理建模、瞬态数学建模，给出了管道清理的方法、流程和器具。接下来将针对天然气清管过程进行仿真研究，以验证该文所做的各项工作的有效性。实验地天然气管道随里程延伸而产生的高程变化的数据见表1。

表1 实验地天然气管道随着里程延伸而产生的高程变化

为了直观地展示随着里程延伸，天然气管道高程上的起伏变化，将表1 中的数据绘制成曲线结果，如图4所示。

图4 表1 中数据的曲线结果

在图4 中，横坐标代表40 组里程数据，是一个无量纲单位；纵坐标代表高程数据，即天然气管道的平均架设高度，单位是m。结合表1 和图4 可以看出，在该段近40km的天然气管道试验区域内，天然气管道的架设高度相对比较平稳，起伏变化范围基本为500m～1300m。在前10km 的长度上，天然气管道高程数据非常稳定，变化范围基本为750m～900m，最大落差没有超过150m；在10km～20km 的长度上，天然气管道有了一定起伏，最大高程为1200m，最小高程为680m，最大落差为520m；在20km～30km 的长度上，天然气管道出现了最大起伏，最大高程为1250m，最小高程为500m，最大落差为750m，是整个里程中的最大落差值；在30km～40km 的长度上，天然气管道有一定起伏，最大高程为1040m，最小高程为550m，最大落差为490m。

随着里程的延伸，天然气管道高程的起伏变化对管道清理具有一定影响。根据该文的清管方法和清管流程，执行清管作业后得到的管道内的持液比例数据见表2。

表2 全部里程中执行清管作业后得到的管道内的持液比例数据

为了直观地展示随着里程延伸，天然气管道清理后的持液比例变化，将表2 中的数据绘制成柱状图结果，如图5 所示。

图5 表2 中数据的柱状图结果

在图5 中，横坐标代表40 组里程数据，是一个无量纲单位；纵坐标代表清管处理后天然气管道内的持液比例，是一个无量纲单位。结合表2 和图5 可以看出，根据该文方法进行清管处理后，天然气管内的液体积存量大幅度降低，管道内各段持液比例全部在0.07 以下，对管道有效输送内径几乎不构成影响，有效提升了天然气的供给效率。

4 结论

天然气是生产生活的重要能源，天然气的供给安全和供给效率具有非常重要的意义。据此，该文针对天然气管道内的积液清理展进行了研究。首先，给出了天然气管道内可能出现情况的物理模型，进而构建了清管处理的瞬态数学模型。其次，确立了清管施工流程，并通过清管球发射对清管器的工作过程进行了阐述。最后，在试验验证环节对天然气管道高程变化及清管处理的效果进行了验证，证实了该文方法的有效性。