地形起伏地区管道水联运充水排气过程分析

阮亦根，阮 哲

(1.中国石化浙江石油分公司，浙江杭州 3100002.中海油研究总院工程设计研究院，北京 100000)

0 前言

一般，长输管道根据沿线的地形地貌采用埋地弹性敷设，地形起伏变化剧烈的地方，有时需要使用弯头进行变角处理。

管道建成投产前，通常管内充满空气。管道水联运投产，水头推动置换管内空气，当水头到达管路中间某个高点，上游来水越过高点流向下游低点，并在低点聚集，高点下游管内处于不满流状态[1-4]。随着下游低点积聚的水量增加，如果低点处于相邻两高点之间，低点水位会不断上升，低点和上游高点之间管内空气形成封闭空间。水头到达下游高点之前，气体空间受到压缩体积变小，压力上升，形成带压气团,不断向上游高点靠近。随着低点水位上升，当水头越过下游高点，上游高点附近的带压气团才会在水流作用下向前流动。

带压气团沿管道流动过程中，受不满流扰动的影响，部分气体会被水流带走，气团体积减小；两气团相遇，会聚集增大形成大气团；也会随着所处位置管内压力不同，受到压缩或产生体积膨胀。管内带压气团的存在，会造成投产过程管内流动特性的不稳定；带压气团到达下游泵站，会破坏泵的吸入特性；对某些特殊的地形，带压气团还会造成投产过程困难。

1 地形起伏管段管内空气的置换与被压缩

1.1 线路中间某起伏点位置压力计算

线路中间某起伏点如图1所示。A点和C点为相邻上下游2个高点，B点为中间低点。水头到达A点前，AC点之间管内充满空气，压力为常压，AB间的管内容积为V0。水头到达A点后，上游来水自由流向B点，并在B点聚集，A点下游管内处于不满流状态。

随着B点积聚的水量增加，B点水位会不断上升，B点和A点之间管内的气体空间体积变小，空气受到压缩，气体空间压力上升。

图1 管道线路起伏点示意

假设水流充满AB空间之前，B点水位上升过程中，AB点之间的气体只是向A点方向移动。A点和B点液体表面之间的空气气体空间符合气体状态方程[5]：

PV=mZRaT

(1)

式中，P——带压气体空间内空气的绝对压力，Pa;

V——带压气体空间内空气的容积，m3;

m——带压气体空间内空气的质量，kg;

Z——带压气体空间内空气的压缩系数;

Ra——空气的气体常数，J/(kg·K);

T——带压气体空间内气体的绝对温度，K。

假设充水扫线过程，封闭空间的空气气体压缩为等温压缩，忽略水流下降过程中水中溶解的少量气体和蒸发的少量水蒸气，忽略气体空间压力变化过程空气压缩系数的影响，由式(1)可知，AB间气体的质量为常量，气体空间容积受压变化过程中，气体空间压力和气体空间容积的乘积等于常数。

管道充水前，AB间空气容积为V0，管内压力等于大气压强P0。管道充水过程水头到达并越过A点，假设T时刻，A点下游液位上升至D点，AD点管内容积为V；BC间管内液位上升至E点，此时，AD间气体空间受到压缩，气体空间压力P为：

PV=P0V0

(2)

P=P0V0/V

(3)

A点压力等于P，B点压力等于P加h高液位对应的液柱压力(忽略h1-h高程差的气柱压力)，B点压力

由以上分析可知，AB间气体空间的压缩过程，使得带压气体空间的位置明显滞后于水头位置。带压气体空间的滞后时间差取决与A、B、C三点的相对位置和高程。

假设图1中AB间管道高程差h1=500 m，AB间下降坡度为等角度下降，BC间管道高程差h2=800 m，当D点液位上升至h=400 m位置时，由(3)式计算可知，AD间气体空间容积压缩了80%，气体空间内压力为0.5 MPa(绝对压力)，E点液位上升至440 m。当D点液位上升至485 m时，AD间气体空间压缩了97%，气体空间内压力上升至3.33 MPa(绝对压力)，水流到达C点。

如果管内充满液体，AC间高程差等于300 m,只要A点压力高于3.0 MPa(大气压),水流就可到达C点。投产充水扫线过程，由于带压气体空间的存在，A点压力需要增加0.23 MPa(大气压)，水头才可能到达C点。

水联运过程中，带压气团滞留在AB期间，只要A点管内压力不低于3.33 MPa，水流就能够流过A点，到达C点，继续向下游流动。

实际管道水联运充水排气过程中，AB间的气体，随着气体空间的缩小和气体空间压力的升高，当水头到达C点，A点附近的带压气团会在水流的驱动下移动。随着带压气团向下移动，受气团上游水柱作用，气体空间压力增加，气团受压缩；当带压气团到达B点，气体空间会快速膨胀，B点上游压力会快速下降，BC间水流会加速流动，引起水联运过程管内流动状态的不稳定，并导致带压气体空间位置滞后水头的时间延长。

1.2 翻越点上游邻近高点与翻越点之间管内充水排气过程

翻越点为管内压力需求最大的高点，也是沿线动态压力最低的点。翻越点位置不同，翻越点上游相邻高点间距不同，水联运充水排气过程也会不同。

1.2.1翻越点位于线路中间某个位置

如图1所示，假设C点为翻越点，C点的设计剩余压力有限。当A点气体压力+DB间管内液柱压力≥CB间管内液柱压力，且A点压力<上游管内动水压力，在上游出站压力作用下，A点压力会不断上升，水流就能够流过A点，到达C点，继续向下游流动。

如果当A点气体压力+DB间管内液柱压力≤CB间管内液柱压力，且A点压力≥上游管内最大允许动水压力，带压气团会在AD间形成气阻，水流难以流过C点，水联运充水排气过程会遇到困难。遇到这种情况，需在A点附近开孔排气。随着A点的气体被排空，B点压力≥BC间液柱压力，水联运过程可继续进行。

1.2.2翻越点位于第一站间距内，且翻越点上游邻近高点接近首站的情况

如图2所示，假设C点位于第一站间内，且C点为翻越点，A点接近首站出站，A点与出站压力的压差比较小。当A点气体压力+DB间管内液柱压力≤CB间管内液柱压力时，A点压力上升空间有限，水流难以流过C点，AD间气体空间也会容易形成气阻，使充水排气过程遇到困难。遇到此种情况，也需要在A点附近开孔排气。

1.3 翻越点与下游邻近高点之间管内充水排气过程

如图2所示，假设A点为翻越点，B点位于AC之间，C点高程低于A点。水头到达A点并通过A点后，翻越点后水流处于不满流状态。当水流到达B点后，在B点处聚集，B点水位上升，AB之间的封闭气体空间受到压缩。当B点上游水位到达D点，受D点气体空间压力的作用，B点下游水位到达E点。BC间高程差不同，AD气体空间的气体压力不同。如果A点气体压力大于翻越点设计富裕压力，投产充水扫线就会遇到困难。遇到此种情况，也需要在A点附近开孔排气。

图2 翻越点下游地形起伏示意

2 甬台温管道第一阶段水联运充水排气过程分析

甬台温管道全长405 km，沿线设3座泵站，1座清管站，其管道纵断面见图3。全线高程差不大，最大高程位于179.43 km处,高程为469.64 m；但沿线地形起伏比较剧烈。管道于2018年8月29日按计划进行投产前的充水扫线。

2.1 第一阶段充水扫线过程

甬台温管道8月29日22:00，首站启泵开始充水。30日22：50时，水头到达2#站，31日12:00时，大量气体进入2#站，导致2#站进站泄压阀开启泄压，对泄压罐造成冲击，第一阶段充水扫线工作结束。充水扫线过程，水头到达2#站后，泵参数、操作过程见表1。

表1 甬台温管道第一阶段充水扫线过程泵参数

2.2 2#站低压泄压阀开启泄压，泄压罐受到冲击原因分析

a)分析图3纵断面数据可知，水联运充水扫线过程，第一个站间距内，会形成30余个带压气团，其中距首站出站25 km处的最大气团标准体积可大于980 m3。在该气团被压缩过程中，上游带压气团会陆续到达25 km处，多个气团相遇聚集，形成更大的气团，其标准容积可大于1 470 m3。

由图4可知，管道投产4.9小时，管内注水约3 900 m3，管道注水平均流量约为800 m3/h，水流到达25 km处；水流越过25 km高点流向下游低点并在低点积聚，低点上游带压气团不断受到压缩；当水头到达下游高点时，带压气团要滞后于水头3.9小时左右。当带压气团离开25 km处高点后，带压气团受前方水柱作用，压力不断上升，带压气团继续受到压缩。

图3 甬台温管道线路纵断面图

带压气团在水流作用下向前移动，当与其它气团相遇，还会相互聚集，气团体积还会不断增大，带压气团滞后水头的时间会不断延长。以甬台温第一站间距水联运过程为例，由第一阶段充水过程可知，由于水头到达2#站后，2#站进站压力偏低，带压气团在管内的移动速度远低于水头的平均流速。分析甬台温第一阶段投产注水过程可知，产生于25 km处的带压气团到达2#站的时间要滞后13小时左右。

图4 甬台温管道投产充水首站注水流量、时间变化

b)假设31日12：00时到达2#站的带压气团的标准体积等于1 470 m3，在4.8 MPa进站压力作用下，该气团体积被压缩为30 m3，接近200 m进站管道内充满高压空气。

此时，由于2#站出站压力高于进站压力，2#站断流，相当于2#站出站阀门关闭。2#站断流后，上游管内流体在首站泵压作用下，会继续向着2#站流动，形成对第一站间距管道的充装[6]，致使2#站进站压力快速上升至5.15 MPa，2#站低压泄压阀开启泄压。2#站低压泄压阀开启泄压后，假设泄压罐内气体压力为0.05 MPa，计算可知，瞬间流入泄压罐内的带压气体体积约为980 m3,对500 m3泄压罐造成了严重的冲击。

c)分析甬台温管道充水扫线过程，当水头到达管道179.43 km处的最高点，忽略上游带压气体空间的流动阻力，假设首站出站压力维持8.0 MPa，由计算可知，首站出站流量为580 m3/h，满足首站泵的正常运行。

由图1可知，只要水头越过179.43 km处的最高点，2#站可以满足较长时间的压力越站运行。2#站越站运行，可以提高上游站间压力，尽量缩短上游管内带压气团的滞后时间；避免管内带压气团破坏泵的吸入特性，造成中间泵站频繁启停泵。

如果中间泵站仅一台泵运行工况下的紧急停泵，由于出站压力高于进站压力，会造成中间泵站断流，上游管道憋压，导致进站压力快速上升。

3 结语和建议

a)地形起伏剧烈地区管道水联运充水排气过程，管内会存在多个带压气团，带压气团的初始容积和气团个数取决于沿线地形起伏特性，带压气团沿管道移动过程中，气团容积和气团压力取决于气团所处管内动态压力；带压气团移动速度明显低于水头的平均流速。

b)地形起伏地区管道水联运充水排气过程，如果高点气团压力低于管道允许的最大动水压力，水流可以连续流过该高点。

c)相邻两个高点，当上游高点气团压力+高点与下游邻近低点间的液柱压力，大于下游相邻高点与该低点高程差的液柱压力+两高点间允许的最小动水压力差，水流可以流过下游相邻高点；否则，上游高点需要开孔排气，消除上游高点带压气团，确保管道正常水联运。

d)地形起伏地区管道水联运充水排气初期阶段，建议关闭中间站内低压泄压阀或调整泄压压力，防止高压气团泄压对泄压罐造成冲击。