大移位管道水联运水力学模型研究

大移位管道水联运水力学模型研究

近十年来，中国的石油管道迅速发展，先后建成了兰府、兰房昌、洛阳郑、西南等大型油挤出管道。随着国民经济的发展,我国仍将建设大批成品油管道目前,针对油气管道投产的相关研究大多集中于对投产过程中工程现场所遇到的问题进行分析,或基于SPS软件对某对象管道的投产过程进行仿真分析。王文彦等综上所述,现有研究均未给出一种通用的管道投产过程关键参数(压力、不满流位置和长度、水头实时位置等)的计算方法,且由于不同管道周围环境存在差异,水力工况不同,投产过程中出现的问题也不相同,因此,单纯基于已投产管道的工程经验确定的新管道投产方案是不完善的,有必要针对投产过程建立相应的数学模型,提前计算关键参数,如不满流段分布、关键节点压力变化、油水混合物体积变化预测及油水置换过程油水界面的追踪等,由此制定更为完善的大落差输油管道投产方案。1高连接设计1.1水联运投油阶段国内外成品油管道投产方式主要有3种:水联运投产、空管投油投产水联运投产过程可以分为充水扫线、水联运、油水置换3个阶段针对空管投油和水隔离段后投油两种投产方式,可分别按照水联运投产中充水扫线及油水置换两个阶段水力参数计算方法进行投产过程预测。因此,以下针对水联运投产方式建立的投产过程各阶段数学模型,亦适用于其他投产方式下管道的工况分析。1.2生产模型1.2.1充水扫线阶段管道摩阻预测模型大落差成品油管道在充水扫线过程中水头翻越高点后,由于水头提供的位能大于管内流体的流动阻力,因此导致管内流体的动能增大、流速加快、流通面积变小,从而出现管内不满流的状态假设管道充水扫线过程中全线温度基本保持不变,水头前部空气处于热力学平衡状态,空气物性只是压力的单值函数。忽略充水扫线过程中水头前清管器在管道中的运行摩阻,根据能量守恒原理可得,充水扫线过程中管道总压降等于不满流管段压降、满流管段压降和水头前空气管段压降之和:式中:Δp为管道充水扫线产生的总压降,Pa;Δp水头前空气段产生的摩阻可采用输气管道摩阻公式预测式中:p对站间管道进行充水扫线时,水头经下游站场经过排水管道进入排水坑,此时,排水管道出口边界条件属于自由出流边界条件,故站间管道出口边界条件设为压力出口边界条件,该点的压力设为下游站场所在地的大气压。针对下坡段产生不满流的站前高点,若在实际投产过程中该点设置有排气阀,则可忽略管道中空气流过排气阀的局部压降,将该点的压力边界设为当地大气压。1.2.2下倾管道内液体体积计算模型不满流段后水头位置的准确定位是充水排气过程中管道入口压力计算的基础。根据多相流理论,在下倾管道中,易出现气液两相分层流动下坡段不满流管段内液体体积计算模型为:式中:V成品油管道投产一般采用站间管段分别充水排气的模式,站间管段的总充水量等于满流管段与不满流管段充水量之和。此时,水头在站间管段位置的计算公式为:式中:V1.2.3水置换阶段成品油管道水联运结束后,一般通过向管道内注入柴油,以油顶水的方式将管道内的水驱替出去,从而完成管道从投产向正常运行过渡。在油水置换阶段,油水混合物体积、油水混合物长度以及油水界面位置是制定油水置换计划的基础参数,油水混合物在顺序输送过程中的发展状况决定了各个站场分输油水混合物的体积。油水顺序输送与成品油管道正常运行期间两种油品的批次输送存在差异大落差成品油管道沿线存在众多分输点和变径点,不同管段内管径和流量不同,使得油水混合物长度发展规律不同,需要逐段计算。管段i的油水混合物长度计算公式为:式中:C2模型解决方案和示例验证2.1充水扫线阶段大落差成品油管道水联运投产过程包括充水扫线阶段、水联运阶段及油水置换阶段。其中,大落差成品油管道投产计算流程(图3)主要包括:计算充水扫线阶段不满流段分布、确定充水启泵方案、确定水联运段启泵方案及油水混合物体积跟踪及预测等。大落差成品油管道投产计算流程各参数求解步骤:(1)首先根据拟投产管道基础参数以及水源状况确定充水扫线流量;(2)计算水头位置,根据水头下游站场的压力边界条件,计算水头处的压力;(3)基于水头处的压力和充水扫线流量,计算充水管段的不满流分布状况,若存在不满流段,确定不满流段起始点的压力;(4)计算水头当前位置对应时刻下,管道起点所需提供的压力,并确定配泵方案;(5)重复步骤(2)~步骤(4),直至水头到达投产管道末端;(6)完成充水扫线阶段,输出充水扫线过程中不满流长度、不满流位置以及充水扫线配泵方案;(7)根据管道沿线各站的实际状况,确定水联运计划;(8)计算各站间管道背压,并确定水联运配泵方案;(9)根据管道沿线各站的油罐信息,确定油水置换计划;(10)根据管道沿线变径点、分输点位置,划分管段N;(11)计算管段i中油水混合物的长度;(12)计算管段i+1的当量长度,并计算油水混合物长度;(13)重复步骤(11)~步骤(12),直到i=N;(14)输出管道油水界面以及油水混合物体积随时间的变化。2.2计算示例验证2.2.1基本参数以某拟投产成品油管道为例,验证模型的有效性。在投产期间,该管道共计包含9个关键节点(表1、表2)。2.2.2计算2.2.2.充水流量影响成品油管道充水扫线一般采用站间管段分段充水方式,根据实际投产工程经验,管道在充水扫线(表3)时,管内流速应大于1m/s,以保证清管器前水头处于聚集状态,达到充水排气的目的。由各管段末点站场见水时,站间管段不满流分布状况(图4)可知,在给定的充水流量下,各管段在末点站场前高点附近发生不满流,在实际投产时,应根据预测的不满流段位置及长度,在相应位置处设置排气阀,及时排气,保证充水扫线安全进行。在充水扫线阶段,一般只开启首站泵,随着水头前行,首站需提供的充水压力越来越大(图5),但在水头翻越高点以后,由于不满流段的存在,首站充水压力保持不变,直至管道内恢复满管流动,水头继续向前流动,消耗的摩阻增大,首站充水压力增大。因此,在充水扫线阶段,管道首站提供的充水扫线压力呈阶梯状升高趋势。根据充水扫线过程配泵方案(图6,其中实线表示不同型号的泵开启时间及运行状态),随着水头前行,扫线所需的压力逐渐增大,首站依次开启给油泵、小扬程泵、大扬程泵。2.2.2.2.水连接阶段根据该成品油管道实际水联运流量,基于该模型,计算得水联运工况(表4)和对应的管道全线压力分布情况(图7)。2.2.2.治理前后项目混合物的发展趋势利用模型计算,得到该成品油管道油水置换计划(表5)和油水混合物体积沿管道发展趋势(图8)。油水混合物的发展趋势与成品油批次输送过程中的混油发展规律相似,油水混合物体积增长速率随着管长逐渐减缓,待油水混合物充分发展后近似呈线性增加。G站(269.9km)后,油水混合物体积增长速率比G站前小,这主要是由于G站后管道内油顶水的速率(1.145m/s)大于G站前管内流速(1.022m/s)。3管道水联运模拟结果针对大落差成品油管道水联运投产全过程,建立不满流位置、长度、油水界面跟踪和油水混合物体积预测等数学模型,给出了成品油管道水联运投产全过程求解算法,在此基础上模拟了实际拟投产成品油管道水联运全过程,得出如下结论:(1)大落差管道站前高点易出现不满流,在实际投