海底天然气凝析液管道旁通清管模拟研究

曹学文 曹恒广 杜 翰 赵湘阳 杨凯然 杨亚吉

(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院)

0 引 言

随着海上天然气资源的大量开采，海底天然气管道的作用越来越大[1]。其中天然气凝析液管道常面临管内积液严重、摩阻增大及输送效率降低等问题[2-6]，严重影响海上油气田的正常生产作业。通常采用定期投放清管器清管的方法来减少管内积液聚集并提高管道输送效率[7-11]。随着深水油气田开采的进行，海底管道所处的高压低温环境以及复杂多变的地形使得凝析液易在天然气管道内聚积，这对清管提出了更高的要求[12]。然而常规清管器在清管作业过程中运行速度较快，积液在清管器前端不断堆积并在管内形成较长的段塞，大量段塞抵达海底管道出口导致终端段塞捕集器高液位报警[13-15]，同时清管段塞量过大会显著降低海底管道对下游生产单位的供气量，严重影响下游用户正常的生产运行[16-19]。

工程上常通过在清管器球体上开设旁通孔的方式来解决海底天然气凝析液管道常规清管器在清管时存在的问题，从而降低清管器的运行速度，提高清管过程中管道的输气量，抑制清管器前端段塞流的形成，减小管道终端捕集器的压力波动以及对下游用户正常生产的影响[19-20]。旁通清管器进行清管作业时，内部流场十分复杂，采用传统的试验方法无法准确获取其流动状态的各项参数。目前，M.H.W.HENDRIX等[21]利用Fluent软件对3种不同结构旁通清管器的压降系数进行数值模拟，模拟结果与压力损失理论模型贴合较好。田宏军等[22]采用Fluent软件对管道清管器旁通流场进行三维数值模拟分析，发现高速流体通过旁路后会对管壁产生强剪切作用，并在清管器下游形成涡流区。因此可以采用数值模拟的方法来研究旁通清管器在清管过程中的运行规律。

笔者针对不同开孔结构导致的旁通特性差异，基于计算流体动力学理论，采用流体体积模型以及二维瞬态动网格计算方法，对中间开孔或周边开孔旁通清管器的清管过程进行模拟与分析，并对旁通清管器的结构进行优化设计，以期为海底天然气凝析液管道清管方案的制定提供相关依据。

第一，关于《盘山志》编写的讨论。 《盘山志》的搜集讨论、考订校对工作主要由王阮亭与朱竹垞完成，序言部分也是王士祯、高士奇、张朝综等文人写就，共八篇。 为此，经常有相关的书信往来，有关于书目的考证补充，有参与作序的谦敬之辞，或表现出考据家的严谨，或表现对智朴和尚的景仰，或表达借智朴《盘山志》之重以名垂千古的功利心态等。 如下：

1 旁通清管器清管模型建立

1.1 模型假设

旁通清管器在天然气凝析液管道中抑制清管段塞的模拟过程中，假设条件为：①天然气凝析液管道水平，忽略地形起伏；②模拟过程忽略热交换的影响，流体温度恒定。

粒子群算法是模仿鸟类的觅食行为，从随机解出发，通过迭代寻找最优解，通过适应度来评价解的品质，具有较好的健壮性和收敛性[8]。利用粒子群算法对LED阵列优化的步骤如下[9]：

1.2 数值模拟控制方程

1.2.1 欧拉-欧拉流体体积模型

目前，处理多相流动过程有欧拉-欧拉和欧拉-拉格朗日2种数值计算方法。在欧拉-欧拉方法中，不同相被处理成相互贯穿的连续介质，一相占有的体积不能被另一相占有，计算域内不同相的分布通过体积分数来描述。体积分数是关于时间和空间的连续函数，不同相的体积分数之和为1。欧拉-欧拉流体体积(VOF)模型采用在固定欧拉网格下的自由表面跟踪方法，可以实现对多种互不相融流体间交界面的追踪。对于分层流和段塞流，最直接的研究方法就是选择VOF模型。采用VOF模型对液相和气相的自由表面进行追踪，其连续性方程、动量方程和能量方程[23]如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

沉箱海测及陆侧抛石棱体范围计划采用1艘8方挖泥船进行开挖，抓斗船平行码头方向布设，与码头预留约2米的安全距离。8方抓斗船吊臂长度大于27米，抓斗更换为4～6方的小斗，放低吊臂从侧面伸入码头后方进行清挖，吊臂与水平面的角度约55°～60°，抓斗可开挖距离大于13米，可满足清挖要求。泥驳靠泊在挖斗船外侧，为了便于抓斗放渣，泥驳靠在抓斗船船尾。一次驻船可同时清挖码头海侧和陆侧区域，海侧和陆侧区域错位距离约12米，为保证沉箱安全，先清挖陆侧区域再清挖海侧区域，且内外标高落差不得大于2米。

1.2.2 湍流模型

式中：ø为通用变量；V为控制体体积，m3；∂V为控制体积V的边界；A为控制面面积，m2；ug为动网格的移动速度，m/s；Γ为广义扩散系数；Sø为ø的广义源项。

(4)

(5)

式中：k为湍流动能，J；xi为i方向上的坐标位置，m；xj为j方向上的坐标位置，m；ui为i方问上的速度，m/s；ε为湍流耗散率；Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能，J；Gb为浮力产生的湍流动能，J；YM为在可压缩流动中脉动膨胀的扩散损耗；μt为湍流黏性系数；σk为湍流动能k的湍流普朗特数，σk=1；σε为耗散率ε的湍流普朗特数，σε=1.3；C1ε、C2ε、C3ε为常数，C1ε=1.44、C2ε=1.82、C3ε=0.09；SK、Sε均为自定义参量，J。

1.3 网格划分与动网格设置

根据实验室管路建立网格，设置管道模型内径101.60 mm，管道长度3 700.00 mm。通过模拟旁通孔处的流场来研究旁通特性，以中间开孔清管器为例，每个测试网格中的单元数分别为109 787、156 172、228 948和323 830。轴线处的流量分布如图1所示。228 948个单元和323 830个单元的模拟结果差别较小，因此采用228 948个网格系统进行数值模拟。同样，用于周边开孔旁通清管器的单元数为192 174。清管器及其周边有限区域的有限元模型如图2所示。

图1 网格独立性验证Fig.1 Verification of grid independence

图2 清管器及其周边有限区域的有限元模型Fig.2 Finite element model of pig and its surrounding area

管道的入口边界条件设置为速度入口，出口边界条件设置为压力出口，出入口边界条件的具体数值根据模拟工况而定；管道内壁及旁通清管器球体轮廓均设置为不可渗透壁面，满足无滑移条件。

(1)统一认证原理。一般而言，只有认证中心接受用户的用户名密码信息进行验证，其他子系统的登录入口都跳转到统一认证中心，授受认证中心的间接授权，间接授权通过令牌实现，认证中心验证用户信息通过后，创建授权令牌，授权令牌作为参数发送给子系统，子系统拿到令牌，再与认证中心校验，后对用户授权。中南大学图书馆采用的是基于安全断言标记语言的统一认证系统，基于这一原理实现，无线认证系统可作为中心下辖子系统，使用中心的间接授权。

根据模拟清管器运动的时间选择瞬态动网格计算方法。动网格计算模型主要模拟流域由于边界运动引起其形状随时间变化的流动情况，故流动过程需符合动网格守恒方程，如式(6)所示。

(6)

湍流模型采用标准k-ε湍流模型，湍流动能方程和扩散方程如式(4)和式(5)所示[24]。

动网格计算模型选择弹簧光顺模型，弹簧常数因子为0.5，边界点松弛因子为0.4。由于以三角形网格方式离散整个流动区域，所以重划网格部分，选择局部网格及局部面重构方法，通过profile文件定义清管器运动过程，清管器由管道左侧运动至右侧。

2 模拟结果分析

根据数值模拟结果，本文分析中间开孔与周边开孔2种旁通清管器的流场变化及相分布特性。过大的旁通率会使清管器前后方的驱动压差减小，并导致清管器运行速度过低，因此数值模拟主要研究旁通率φ为1%、3%和5%的清管器。

2.1 周边开孔旁通清管器

从行业角度看，作为PCB行业老大，深南电路显然是受益的。从公司的角度看，公司的亮点也颇多：1）技术领先提升盈利能力。深南电路拥有印制电路板、封装基板及电子装联三项业务，其中印刷电路板产品丰富，具有较强的竞争力，尤其是在高精密度和高多层PCB板产品方面具有显著优势，可实现最高100层、板厚径比20∶1等产品；封装基板打破国外垄断，成为全球先进半导体封测厂商合格供应商；电子装联可为PCB优质客户提供一站式服务。由于公司产品主要针对中高端市场，因此价格也高于行业平均水平，公司PCB均价为2800元/平米，而同行仅为800-1000元/平方米。

图3 管道整体相分布Fig.3 Overall phase distribution of pipeline

图4 流场速度矢量图Fig.4 Vector diagram of flow field

为了验证所建数值模型的有效性，搭建了如图14所示的试验环道，使用空气-水为试验介质进行了旁通清管器清管试验，得到不同开孔形式试验工况下的清管器在不同旁通率下的排液速率。

2.2 中间开孔旁通清管器

综合来看，河北等地个别大厂仍处停产检修阶段，而陕西等地多数工厂暂时进入停产阶段，结合当前企业拥有较多待发订单，市场现货供应不足，价格推涨在所难免。

图5 旁通流体相分布云图Fig.5 Phase distribution cloud chart of bypass fluid

图6 气相速度对含气体积分数沿轴向分布的影响Fig.6 Influence of gas flow rate on the axial distribution of gas content

图7 旁通率对含气体积分数沿轴向分布的影响Fig.7 Influence of bypass ratio on axial distribution of gas content

图8 管内流体速度矢量图Fig.8 Vector diagram of flow field

从图6可见，相同旁通率下气相速度越大，出现拐点的位置越远，即旁通清管器对提高清管段塞含气体积分数的效果越明显。入口气相速度为6 m/s时，不同旁通率下含气体积分数沿轴向的变化情况如图7所示。从图7可见，旁通孔流量增加，出现拐点的位置越远，对提高清管段塞含气体积分数的效果越明显。

清管器旁通率为3%、气相流速为6 m/s时管内流体速度矢量分布情况如图8所示。从图8可见，气相经过旁通孔时，在旁通孔前出现速度分层，经旁通孔后速度迅速升高，在旁通孔气相的上、下两侧产生涡流，扩散至段塞处后速度降低。

旁通流速随旁通率的变化曲线如图9所示。由图9可知，旁通发展稳定后，中间开孔旁通清管器旁通流速随入口气相速度增加而增大，在相同入口气相速度下，旁通率越小，旁通孔对气相节流效果越强，旁通流速越大。

中间开孔旁通清管器(旁通率为3%)运行时，旁通流体相分布云图如图5所示，其中红色部分代表气相，蓝色部分代表液相。旁通气相经由旁通孔对清管段塞的分散主要位于以管中心为对称轴的半球形空间内。旁通初始阶段，仅有部分旁通气相分散清管段塞。随着清管器的运动，旁通过程发展趋于稳定，当旁通充分发展后旁通气相与清管段塞的接触面积达到最大。在旁通率为3%时，不同气相流速ug下含气体积分数沿轴向变化情况如图6所示。

式中：aq为第q相体积分数；ρq为第q相密度，kg/m3；u为流体流速矢量，m/s；uq为第q相的速度，m/s；ρ为混合相密度，kg/m3；p为压力，Pa；μ为湍流黏度和分子混合黏度总和，(N·s)/m2；g为自由落体加速度，m/s2；F为外部作用力，N；E为能量，J；keff为有效热导率，W/(m·K)；T为温度，K；Sh为源项，包括辐射以及其他体积热源；t为时间,s。

图9 旁通流速随旁通率的变化曲线Fig.9 Change of bypass flow rate with bypass ratio

3 中间开孔旁通清管器结构优化

根据不同开孔形式的旁通清管器抑制段塞的模拟结果，通过在清管器球体上开设旁通孔的方式可以使后方气相通过旁通孔进入清管器前端，利用射流气相可以推动液塞向前移动，延长清管器前端液相分布长度，从而降低单位时间内进入管道终端捕集器的液量，使段塞捕集器的处理载荷降低。

天然气管道在实际清管过程中，清管器的磨损不可避免。随着清管器运行距离的增加，清管器与管壁接触表面各位置处的磨损深度不断增加，磨损区域的宽度在不断增加，且接触表面的轮廓逐渐趋近于水平[25]。因此，周边开孔的旁通清管器在实际使用过程中旁通孔结构受磨损影响较大，其清管效果不能够得到有效保证。旁通清管器在发球筒中的启动压力随旁通率的增大而增加[12]，针对高旁通率中间开孔清管器发球难度大的情况，拟在旁通孔前固定导流板，增加清管器的驱动力，从而解决发球困难问题。清管器结构如图10所示。改进后的旁通清管器(见图10)通过导流板增加清管器的驱动力，因此有必要对导流板带来的流动特性变化进行分析。

以旁通率3%、气相速度6 m/s的模拟结果为例，旁通清管器清管时管内相分布如图11所示，其中红色部分为气相，蓝色部分为液相。带导流板的中间开孔清管器发生旁通时，流体流场的发展与中间开孔旁通清管器基本一致，旁通气相都是经由旁通孔对清管段塞进行分散。当气相经旁通孔向导流板扩散，由于导流板的存在，当扩散半径大于导流板半径时，气相逐渐沿管道轴向运动。气相流速为6 m/s、旁通率为3%时，带导流板中间开孔旁通清管器清管时管内流体速度矢量分布情况如图12所示。从图12可见，导流板前流场的发展变化与中间开孔清管器的基本一致，当气相经过旁通孔时，在旁通孔前出现速度分层，气相经旁通孔后速度迅速升高。增加导流板后，旁通气相沿导流板环空侧绕过导流板逐渐向清管段塞扩散。

以旁通率3%的模拟结果为例进行分析，清管器以5 m/s的速度运行约0.14 s，清管器后端气相速度为6 m/s，管道整体相分布如图3所示，其中相分布云图中的红色部分为气相，蓝色部分为液相。旁通率为3%，液相速度为0.03 m/s，气相速度为6 m/s时管内流体速度矢量分布情况如图4所示。

1—骨架；2—密封板；3—导向板；4—导流板。

图11 清管时管内相分布云图Fig.11 Phase distribution cloud chart of bypass fluid

图12 管内流体速度矢量分布情况Fig.12 Vector diagram of flow field variation

旁通气相经过旁通孔后的速度越大，其对清管段塞的分散效果越好。而在旁通孔前固定导流板后，阻力增大使得旁通气相流速降低。为研究导流板与旁通孔间距离L以及导流板直径d对清管器旁通气相绕流速度的影响，模拟计算了在不同旁通孔与导流板间距离L以及导流板直径d的条件下，旁通气相经过导流板后的绕流速度，如图13所示。

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图13 导流板结构参数对清管器旁通流速的影响Fig.13 Influence of diversion plate structure parameters on bypass flow rate

由图13可知，旁通流速随导流板直径d和导流板与旁通孔间距L先增加后减小，分别在d=0.55D和L=0.05D时旁通流速最大，D代表管道内径。导流板直径过大时，旁通气相会在导流板与旁通孔之间产生涡流，使旁通流速迅速降低。在导流板与旁通孔间距较小时，旁通气相从旁通孔流出后，高速冲击导流板，旁通气相的能量损耗严重；导流板直径较大或导流板与旁通孔间距离较小时，旁通气相形成的射流离开导流板与旁通孔之间的绕行区后，首先撞击导流板，然后沿导流板和管壁向下运动，在射流和清管器之间形成一个涡流区域[26]。

4 数值模型的试验验证

4.1 清管试验

由图3和图4可知，当入口气相速度为6 m/s，高于清管器运动速度5 m/s时，部分气相经清管器旁通孔运动至清管器前方并扩散。由于气相流经旁通孔时流通截面减小，导致旁通孔内气相速度急剧增加，当流体流过清管器之后，高速气相从清管器表面分离出来，使清管器头部与管壁间旁通附近出现速度分层，在清管器头部形成涡流区，出现涡流。由于受到壁面和低速流体的剪切作用，管中流体速度会逐渐减小，最终将会达到稳定状态。

图14 两相清管环道Fig.14 Two phase pigging loop

本次试验设计并采用的中间开孔与周边开孔旁通清管器如图15所示。

新形势下计划指标使用管理的几点思考（姜钦杰） ........................................................................................1-42

图15 旁通清管器实物图Fig.15 Pictures of bypass pigs

试验步骤：①设备调试完毕后，启动环道调节管道内液量和气量达到试验工况；②打开收球端出油阀和发球端主阀，同时关闭管壁收球端主阀和发球端进油阀；③打开排污阀和放气阀，排水停止后关闭排污阀和放气阀；④在收球端排污阀下放置一个积液收集桶接收来液，测试清管器排液能力；⑤开启快开盲板，旁通清管器推入发送装置喉部，以便球成功发出；⑥关闭快开盲板，打开进油阀以及发球阀，清管器开始运行；⑦关发球端主阀并关掉出口主阀，同时开启收球筒排污阀接收来液；⑧收球端压力表指针跳动后，开启收球端主阀同时关闭电动球阀；⑨排水停止后关闭排污阀和放气阀，计算排液时间并测出排出液质量；⑩改变工况，重复上述步骤，试验结束后，关闭电源。

在介入PPP项目前，应对项目的合法、合规性进行充分的识别，关注政策动态变化，规避合规风险。现阶段至少应保证以下方面的合规性：

4.2 试验结果与模型验证

对上述试验结果进行整理，得到如表1所示的试验数据。由表1可以看出，旁通清管器在发球时，部分流体发生旁通，所需启动压力增大，在试验范围内启动压力随旁通率的增大而增加。

表1 试验数据Table 1 Experimental data

为了验证所建数值模型的有效性，将相同工况下旁通清管试验的排液速率与FLUENT数值计算模型出口液相流速的计算结果进行对比，如表2所示。由表2可知，试验所得数据与FLUENT模拟结果之间的误差在3%左右，误差在允许范围内。这说明数值模拟能够较好地反映清管试验结果，模拟结果可为旁通清管器在天然气凝析液管道中的使用提供理论指导。

表2 试验与数值结果对比Table 2 Comparison between experiment and simulation results

5 结 论

(1)气相流经清管器旁通孔时流通截面减小，导致旁通孔内气相速度急剧增加，且旁通率越小时旁通流速越大。对于周边开孔的清管器，当流体流过清管器之后，高速气相从清管器表面分离出来，使清管器头部与管壁间旁通附近出现速度分层，在清管器头部形成涡流区；对于中间开孔旁通清管器，旁通气相对清管段塞的分散效果主要产生于以管中心为对称轴的半球形空间内。

(2)通过在清管器球体上开设旁通孔的方式，可使后方气相通过旁通孔进入清管器前端，气相可以推动段塞向前移动，延长清管器前端液相分布的长度，降低单位时间内进入管道终端捕集器的液量。

(3)针对高旁通率中间开孔清管器发球难度大的情况，可在旁通孔前固定导流板，增加清管器的驱动力。增加导流板后，气相离开旁通孔后沿管道径向扩散，当扩散半径大于导流板半径时，沿轴向空间分散段塞。

实践证明，在生动活泼、师生互动的课堂里、在丰富有趣的活动中，三年级学生的知识、能力会喜获“双赢”，他们的情感会得到升华，语文学科的魅力才足以得到展现。

(4)对导流板的结构参数进行了优化，导流板与旁通孔间距为0.05D、导流板直径为0.55D时，旁通流速最大。