真实地形下天然气管道倾斜角度对气体流动特性的影响

＊李鸣浩 陈双庆,2* 官兵,2 林小强 刘天晴 叶霖

（1.东北石油大学石油工程学院 黑龙江 163318 2.大庆油田有限责任公司博士后科研工作站 黑龙江 163453）

引言

天然气是石油化工领域的重要能源，是国家推进“碳达峰、碳中和”目标而大力推广的清洁能源[1]，其安全输运对于工业生产和日常生活都具有重要意义。湿气输送工艺是天然气生产中的重要环节，可以降低地理环境复杂地区天然气输送成本，有效提高天然气生产效率，被广泛应用于各大气田[2]。

湿天然气由于输送过程中沿线温度、压力的变化引发凝析现象，使得湿天然气的管道输送实际为气液混输[3-4]，故含有水组分的天然气输送属于气液两相管流[5]。早期对于湿天然气输送的研究多基于水平管路，李玉星[6]等从流体力学的基本模型出发建立了瞬变流数学模型，模拟计算了天然气输送过程中各点压降、持液率等参数的变化情况；韩炜[7]基于各种瞬态流动模型，对于管道气液两相流工艺中的压降、温降、持液率计算进行了研究和对比。

对于处于山地、丘陵地形的天然气田，集输管道沿地表敷设因而往往具有一定倾斜角度，使得其管道内部的天然气流动状态与水平管流相差较大[8]，同时管流状态还受到不同起伏地形下重力的影响，故其流动特性变化情况相较于气体或者液体的单相管流更加复杂。邓道明等[9]对长距离、高压、大直径、地形起伏条件下天然气两相管流计算中的气液界面模型选取进行了研究，认为平界面模型能够更准确预测高压、大直径两相流管线的压降和积液量；李凯[10]针对气液两相管流中流型在不同起伏地形下形成机理进行研究，建立针对湿气管流的流型预测组合模型，对于湿气管路的截面含液率和压降的计算模型的预测性能进行了分析与评价；吴成[11]对起伏地形下的管路依据已有模型，以流型、持液率和压降为中心，研究了气液两相流动过程中积液形成的机理、分布情况和影响因素。相关研究中关于倾斜角度对于天然气管流特性的影响及分析的内容不够全面。

基于多相管流流动理论，探究了不同管道倾斜角度对于管内湿天然气流动特性的影响，分别进行了不同管道倾斜角度所对应的管流压降、温降、持液率的规律研究。基于OLGA多相流模拟软件计算得到了相应流动参数并对结果进行了分析，所开展的研究对于明确管道倾斜角度影响湿天然气流动特性变化机理，对于集输系统高维空间的设计优化[12-16]，以及保障天然气管道的安全运行具有积极意义。

1.计算模型建立

OLGA软件是基于多相流理论研发的大型应用软件，被广泛应用于油气工程的设计及优化运行中[17]，常用于模拟油气井、油气设备、管网中的油、气、水等介质的流动状态，其模拟结果与多相流实验数据绝大多数情况下接近，可信度高。软件中所集成的双流体模型及解算方法适用于本文所研究的湿天然气输送工艺。基于OLGA软件研究建立了不同天然气管道倾斜角度下的气体流动参数计算模型。

(1)倾斜管道走向

为对比不同天然气管道倾斜角度和倾斜程度下气体的流动参数，基于OLGA软件研究建立了2种管道长度（400m，200m）对应3种倾斜角度（15°，60°，75°）的计算模型。

(2)边界条件及管道参数

以上计算模型的边界条件和管道参数为：管线起点温度为35℃，管线出口压力为80bar。管道埋深为1m，管道所处地的环境温度为6℃，总传热系数为6.5w/(m2·K)，管内流体的质量流速为35.74kg/s，H2O的质量分数为2%，N2为1.1%，CO2为0.33%，C1为81.83%，C2为7.78%。

2.气体流动特性变化规律分析

(1)压降结果与分析

将两种管长（400m，200m）和不同倾斜角度（15°，60°，75°）下天然气管道沿程的压力分布模拟计算结果绘制于图1中以方便对比分析。由图1可知，在一定的倾斜角度范围内，随着管道倾斜角度的增加，单位管长的气体压降和沿程总压降逐渐增大。当倾斜角进一步增加，单位气体管长的气体压降和沿程总压降减小。

图1 不同倾斜角度和长度管道压降对比图

当管道倾斜角度较小时，相同沿程管道长度的条件下，倾斜角度增加，管道爬升的高程增加，输送气体所需要的能量增加；随着管道内气体的爬升，由于重力作用，液体流速降低，管道内出现液体滞留现象，对气体输送产生一定的阻碍作用，故气体流动的摩擦损失增大，输送所需的能量增加，致使管内气体压降随倾斜角度的增加而逐渐增加。即 图1中倾斜角60°200m工况的压降范围大于倾斜角15°200m工况下的压降范围。在管道倾斜角度较大（＞75°）时，相同沿程管道长度的条件下，管内气体持液率显著减少，管内液体滞留量降低，气体流动所产生的摩擦损失将减少，导致其水力坡降缓慢，引起了图1中75°400m工况的压降范围小于60°400m工况的压降范围。

(2)温降结果与分析

将不同管道长度（200m，400m）和不同倾斜角（15°，60°，75°）下的沿程温度分布计算结果绘制于图2中。从图2中可以看出，在较小的管道倾斜角度范围（＜60°），随着管道倾斜角的增大，管内气体的单位管长温降逐渐增大，总温降也呈现增大趋势。当管道的倾斜角度继续增大到一定范围后，倾斜角对温降的影响程度降低，与较小的管道倾斜角的情况下对比，单位管长温降和总温降降低。

图2 不同倾斜角度和长度管道温降对比图

当管道倾斜角度较小时，相同沿程管道长度的条件下，随着管道倾斜角度的增加，管内气体的压降逐渐增大，在焦耳—汤姆逊效应的作用下，压降的增大伴随温降的增大；管道倾斜角度的增加使得管内液体滞留，液体摩擦生热也产生一定程度的温降[15-16]。因而图2中倾斜角60°200m工况下的温降大于倾斜角15°200m工况下的温降。当管道倾斜角度继续增大至某一范围后，管内气体的压降变化逐渐减小，焦耳—汤姆逊效应引起的温降逐渐降低；同时随着管道倾斜角的变化，输送气体的持液率降低，液体摩擦产生的温降减小。因而图2中倾斜角75°400m工况下的温降小于倾斜角60°400m工况下的温降。继续增大倾斜角对温降的影响变动不如小倾角范围时显著。

(3)持液率结果与分析

不同管道长度（200m，400m）和不同倾斜角（15°，60°，75°）下的气体持液率的计算结果如图3所示。从图3中可以看出，在管道的平缓管段持液率基本保持不变，在倾斜管段的起始位置处持液率开始显著增加，达到某一稳定值后基本不变化；在管道的下坡段，持液率迅速减小至平缓管段水平。随着管道倾斜角度的增大，管道内气体持液率达到的稳定值逐渐减小；即图3中倾斜角15°200m工况下的达到的持液率大于倾斜角60°200m工况下的持液率。当管道倾斜角度增大到75°时，倾斜管道内气体持液率与平缓管道内持液率的变化呈现一致趋势。因此天然气管道的倾斜角度与气体持液率总体呈现负相关关系。

图3 不同倾斜角度和长度管道持液率对比图

3.结论

针对真实地形下天然气管道的气体流动特性开展研究，分析了不同倾斜角度对于管道内气体温降、压降和持液率的影响规律，得到以下结论：

（1）天然气管道倾斜角度对于湿天然气的流动参数存在影响，在一定倾角范围内，管道内气体压降及温降与倾角呈正相关关系，持液率与倾角呈负相关关系。（2）天然气管道内的气体持液率对于压降和温降有较大影响关系，在持液率减少时，管道的热能和压能损失有降低趋势。