多起伏湿气集输管线工艺计算方法优选

李玉浩 曹学文 梁法春 张 俊 赵文祥

1．中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院 2．中国石化中原油田普光分公司

在山地丘陵地区的高含硫气田开发过程中，考虑到工艺安全、经济效益以及环境保护等因素，湿气集输工艺得到广泛应用［1－4］。因此，多起伏低持液率天然气集输管线的工艺计算就成为当前亟待解决的问题之一。纵观当前国内外的研究成果，诸多学者以实验为基础提出了多种气液两相流管路工艺计算方法，但这些计算方法大都是在短距离、低压力、小管径的实验条件下得出的，其适用范围具有一定的局限性，需要加以分析研究，选择合适的计算方法准确预测多起伏湿气集输管线的积液和压降，为高含硫湿气集输管线的高效运行和清管方案制订等提供依据［5－10］。鉴于此，笔者以常用多相流管路工艺计算模型程序为基础，将预测结果与现场生产数据进行对比，评估了Beggs ＆Brill相关式、Mukherjee ＆Brill相关式、Xiao ＆Brill模型、Eaton－Flanigan相关式、DuklerⅡ－Flanigan相关式的积液判断和压降预测效果，筛选出了适用于多起伏湿气集输管线现场、精度较好的计算方法。

1 常见工艺计算方法

目前常用的气液两相流管路工艺计算方法主要有以下几种［11］：①Beggs ＆ Brill相关式；②Mukherjee＆Brill相关式；③Xiao＆Brill模型；④Eaton－Flanigan相关式；⑤DuklerⅡ－Flanigan相关式。

Beggs ＆Brill相关式是在动量方程的基础上进行理论推导得出的与管路倾角有关的两相流压降关系式［12］。其中截面含液率和两相水力摩阻系数是通过分析在小型试验系统上测得的584组实验数据而确定的，该小型试验系统由长27．43m、内径分别为25．4 mm和38．1mm的有机玻璃管组成，实验介质为水和空气。

Mukherjee ＆Brill相关式提出了一组以无因次准数表示并且适用于各种管路倾角的流型转换方程［13］。管路压降由重力压降、加速压降、摩阻压降3部分组成，各部分压降计算式根据不同流型的流动机理给出。截面含液率是在实验数据的基础上应用非线性方程回归确定的。实验数据是在管径为38．1mm、长9．75m、倾角范围为－90°～＋90°的管路系统上测得的，实验介质为煤油和空气。

Xiao ＆Brill模型是关于水平及近水平管中气液两相流动的综合机理模型［14］，其中两相流动流型被分为4种：分层流（包括分层光滑流和分层波浪流）、间歇流（包括气团流和段塞流）、环状流和分散气泡流。此模型提出了流型的判别准则，并通过理论推导，应用必要的经验关系式给出了每种流型下截面含液率和管路压降的计算方法，经大量现场生产数据和实验室数据评估，模型预测效果较好。

Eaton－Flanigan相关式为混合模型工艺计算方法［15］。其中两相流管线的持液率采用Eaton持液率相关式计算得出，在能量平衡方程式基础上推导出的Eaton压降相关式可以计算管路的摩阻压降和加速压降，高程造成的压降损失由Flanigan相关式决定。

DuklerⅡ－Flanigan相关式为另一种常用的混合模型工艺计算方法［16］。两相流管线截面含液率通过DuklerⅡ相关式中截面含液率—体积含液率－两相雷诺数的关系曲线得出。DuklerⅡ相关式和Flanigan相关式分别给出了两相管路摩阻压降和重力压降的计算方法，模型忽略了加速压降的影响。

笔者考虑压降、温降的变化所导致的热物性参数的变化，选择BWRS状态方程进行多组分相平衡计算，采用C语言编制了以上5种常见工艺计算相关式及模型的计算程序。程序中Eaton和DuklerⅡ相关式计算的倾斜管持液率用Beggs ＆Brill相关式进行了修正。

2 工艺计算方法的选取

2．1 多起伏湿气集输管线概况

中国石化普光气田属于典型的高含硫气田，地面集输系统采用了湿气集输工艺，且气田地处地形条件复杂的高山丘陵地区，管线起伏变化频繁，管内积液严重。图1为普光气田P201站至集气末站的管线纵断面图，管线总长5 561．4m，由113个起伏点和112段起伏管路组成，平均管段长度仅为49．66m，而且管段平均起伏角度偏大，其中22．4%的管段倾角绝对值大于20°，管段倾角绝对值大于10°的管段更是超过了50%。管线输送的湿天然气平均分子量为21．15，其中C3＋组分的摩尔分数为零，水是管线内液相的主要成分，其摩尔分数为2．28%。因此，此管线属于典型的多起伏低持液率集输管线。管线其他数据如下：内径为463．6mm；相对粗糙度为0．000 215 7；总传热系数为6．24W／（m2·℃）。

图1 普光气田P201站至集气末站的管线纵断面图

2．2 持液率计算方法的选取

持液率计算是压降计算的基础，在多相流管线的工艺计算中处于重要地位。持液率不但会影响集气末站气液分离器外形和尺寸的设计，而且对于清管周期及清管方案的制订具有决定性作用［17］。因此，筛选并确定适用于多起伏低持液率集输管线的持液率计算方法对于山地丘陵地区湿气集输管线的初步设计和保证管线的高效运行具有重要意义。

多起伏管线是由水平管段、向上倾斜管段、向下倾斜管段组成的复杂管道，受地形起伏影响，不同倾角管段中的气液两相流动流型可能有所不同，而每种流型有其特有的气液分布特征，因此，需要分别为水平管段、向上倾斜管段、向下倾斜管段选取持液率计算方法。在低持液率向下倾斜管段内，气液主要流动型态为分层流，此条件下采用Xiao ＆Brill模型预测管内持液率准确度较好［18－19］。对于水平管段，为了比较各相关式的计算精度，应用超声积液检测装置对P201站至集气末站管线的某水平管段进行了液位监测，获得了气液流动达到基本稳定时的平均持液率，并与各相关式预测值进行了对比（图2）。

从图2可以看出，由Beggs ＆Brill相关式和Xiao＆Brill模型得到的水平管持液率偏大，而DuklerⅡ相关式的预测值偏小，同现场检测结果相比，这3种相关式的计算值误差都很大，这是因为湿天然气含液量少，管线持液率低，比较小的计算偏差就会引起较大误差。通过 Mukherjee ＆Brill相关式计算得到的持液率误差较小，能够满足工程应用要求，但是精度不如Eaton相关式，Eaton相关式的计算结果与现场检测结果十分接近，准确性好，适合用于多起伏低持液率管线水平管段的持液率预测。

图2 水平管段持液率预测结果与实测值的对比图

由于向上倾斜管段中流动比较复杂，因此，本文采用，5种常见工艺计算方法分别对其进行持液率计算，结合向下倾斜管段和水平管段的持液率预测结果，得到P201站至集气末站管线的积液量，与现场生产数据进行对比分析，结果如表1所示。

由表1可以看出，当向上倾斜管段使用Xiao ＆Brill模型计算时得到的管线积液量偏大，采用Mukherjee ＆Brill、Eaton以及DuklerⅡ相关式得出的预测结果偏小，而且这些相关式的预测值误差都很大。当向上倾斜管段采用Beggs ＆Brill相关式、水平管段采用Eaton相关式、向下倾斜管段采用Xiao ＆Brill相关式计算得到的管线积液量误差较小，能够为多起伏低持液率集输系统的设计和运行提供比较准确的结论。

2．3 压降计算方法的选取

压降计算是多起伏低持液率集输管线工艺计算的最终目的。压降预测是管线进口压力设计和中间泵站布置的基础。但是，在多起伏低持液率管线的设计和运行模拟中选择正确合理的压降计算方法存在一定的难度，本文通过对比分析现场运行数据和常用工艺计算方法的计算结果，筛选出适用于多起伏低持液率管线、精度较高的压降计算方法。

表1 不同工况下的积液量预测表

以普光气田P201站至集气末站的集输管线2011年3月12日的运行工况为例，在管线出口压力一定的条件下，用多种工艺计算方法分别计算管线进口及沿线9个阀室的压力，预测出管线的压力变化趋势，与现场运行数据进行对比（图3）。

图3 多起伏低持液率管线压降预测结果与运行数据的对比图

从图3可以看出，Eaton相关式和DuklerⅡ相关式预测的管段压力变化趋势相近，在1 000m后两者的压力曲线更是几乎重合，但是由于忽略了高程压降，导致压降值过小。考虑了多起伏管线高程变化引起压降损失的 Eaton－Flanigan相关式和 DuklerⅡ－Flanigan相关式计算得到的压降值过大，显然，其中的Flanigan相关式过高地估计了低持液率管线中的高程压降损失。Mukherjee ＆Brill相关式和Xiao ＆Brill模型的压降预测值分别偏小和偏大，使用时会产生较大误差。与实际运行压力相比，由Beggs ＆Brill相关式得到的进出口压降值略大，沿线压力变化趋势相近，因此，Beggs ＆Brill相关式计算多起伏低持液率管线的压力变化准确度较高。

应用Beggs＆Brill相关式预测多种运行工况下的管线压降值，与生产数据进行对比（图4）。由图4可知，预测的压降值与实际压降值误差较小，进一步验证了Beggs ＆Brill相关式能够比较准确地预测多起伏低持液率管线的压降值，对于此类管线的设计及运行模拟有较好的指导作用。

图4 Beggs ＆Brill相关式压降值预测结果与运行数据对比图

3 结论

1）与其他常用工艺计算方法相比，Eaton相关式能够比较准确地预测多起伏低持液率管线水平管段的持液率。

2）向上倾斜管段采用Beggs ＆Brill相关式、水平管段采用Eaton相关式、向下倾斜管段采用Xiao ＆Brill相关式计算多起伏低持液率管线的积液量时误差较小。

3）就多起伏低持液率管线而言，Eaton相关式、DuklerⅡ相关式以及Mukherjee ＆Brill相关式预测的压降值偏小，而由Eaton－Flanigan相关式、DuklerⅡ－Flanigan相关式及Xiao ＆Brill相关式计算得到的压降值偏大。Flanigan相关式过高地估计了低持液率管线中的高程压降损失。

4）对比分析及多种运行工况验证表明，由Beggs＆Brill相关式计算得到的压降值与现场管线的实际压降值吻合较好，可以用于多起伏低持液率管线的压降值预测。

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