天然气管道射流清管器旁通率优化

史宏图 孙琳

摘 要：射流清管器可吹散下游液塞降低对设备的冲击，分析旁通率对清管过程的影响可有效提高射流吹散能力。采用OLGA软件建立了射流清管器模型，分析了旁通率对清管器清管特性的影响。结果表明：当旁通率高于22%时，清管器运行速度波动幅度较小，且保持在2～3 m/s，运行稳定，推荐旁通率为22%～34%。当清管器旁通率高于24%时，虽然液量激增阶段变短但变化不大，推荐旁通率为24%～32%。最大终端段塞量随旁通率的增大先降低后升高；旁通率为30%和32%时最大终端段塞量降低至最低点，推荐旁通率为30%～32%。当旁通率高于24%继续增大时，终端液塞最大流量和段塞最大个数降低幅度较小，推荐旁通率为24%～32%。综合考虑以上因素推荐射流清管器最优旁通率为30%～32%。

关键词：天然气；管道；清管；射流；旁通率

中图分类号：TE832

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0124-04

Optimization of bypass rate of jet pig for natural gas pipeline

SHI Hongtu，SUN Lin

（1.JUTI Group （Jiangsu） Safety Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing 211112，China

）

Abstract：The jet pig can blow away the downstream liquid plug to reduce the impact on the equipment，and the analysis of the influence of the bypass rate on the pigging process can effectively improve the jet blowing ability.The jet pig model was established by using OLGA，and the influence of the bypass rate on the pigging characteristics of the pig was analyzed.The results show that when the bypass rate is higher than 22%，the operation speed fluctuation of the pig is small，and remains in the range of 2 m/s to 3 m/s，and the operation is stable.The recommended bypass rate is 22% to 34 %.When the bypass rate of the pig is higher than 24%，although the liquid volume surge phase becomes shorter，the change is not significant，and the recommended bypass rate is 24% to 32%.The maximum terminal slug volume decreases first and then increases with the increase of the bypass rate.The maximum terminal slug volume decreases to the lowest point when the bypass rate is 30% and 32%.The recommended bypass rate is 30% to 32%.When the bypass rate is higher than 24% and continues to increase，the maximum flow rate of the terminal liquid slug and the maximum number of slugs will decrease slightly，and the recommended bypass rate is 24% to 32%.Considering the above factors comprehensively，it is recommended that the optimal bypass rate of the jet pig is 30% to 32%.

Key words：natural gas;pipeline;pigging; jet flow;bypass rate

天然氣管道在运行过程中，低温高压环境促使管道内析出水和液态烃，大量液体积聚在低洼处使天然气流通面积减小，降低输送效率，严重时堵塞管道造成安全事故［1-3］。为保障天然气正常输送，油田公司对管道定期清管［4-5］。传统清管器采用实心结构，依靠前后端压差向前运动，其下游位置慢慢积累越来越多的液体，当运动到管道出口位置时，清管器下游大量液体瞬间进入分离器，远远超出分离器正常工作负荷，造成设备损坏，另一方面大量液体在管道出口喷射进入分离器，强烈的冲击造成设备内部构件损坏［6-8］。为解决传统清管器下游积液严重的问题，国内外学者研发了新型射流清管器，将传统清管器内部实心结构改为中心射流孔形式，天然气从中心孔射流喷射至清管器下游，吹散下游积液，降低积液量，使液体平缓进入分离器［9-11］。中心射流孔的开口大小是射流清管器的重要参数之一，直接影响天然气射流效果和液塞吹散能力，通常采用旁通率表示射流孔开口大小，即射流孔开口面积占射流清管器横截面积的比值［12-16］。目前对管道清管的研究多集中在清管周期和方案的制定方面，对清管过程稳定性和旁通率优化的研究较少［17-20］。本文采用OLGA软件建立了射流清管器模型，以渤海某气田天然气凝析液管道为研究对象，分析了旁通率变化对清管过程的影响，确定了射流清管器的最优旁通率。

1 射流清管模型建立

渤海某气田天然气凝析液管道管径为DN400，流量为84.2 kg/s，压力为6 MPa，温度为30 ℃，海洋水温为0～12 ℃，天然气采出后通过爬坡管道和立管进入浅水平台，管道路由如图1所示。天然气组分中，甲烷质量分数为56.48%，乙烷质量分数为2.75%，丙烷质量分数为3.97%，异丁烷质量分数为2.60%，正丁烷质量分数为1.32%，戊烷质量分数为29.40%，二氧化碳质量分数为2.35%，氮气质量分数为1.14%。

采用OLGA软件建立射流清管器模型，其结构如图2所示，天然气通过钢轴中心的射流孔向下游喷射，射流孔开口面积与射流清管器横截面积之比为旁通率，旁通率的大小直接影响天然气对下游液塞的吹散能力。采用pig-trackslug-comp模型，清管器与管壁间摩擦力设置为1 000 N·s/m，清管器和管壁间液膜速度项摩擦因子为1 000 N·s/m，清管器和管壁间液膜二次速度项摩擦因子为100 N·s/m，清管器质量为140 kg，发射时间设置为300 s时刻，旁通率采用泄漏因数来表示，变化范围为16%至34%，变化梯度为2%，分析不同旁通率下清管器运行速度、终端段塞量、不同位置管道压力和流型的变化规律。

2 射流清管旁通率优化

2.1 旁通率对清管器速度的影响

改变旁通率得到射流清管器运行速度变化趋势，如图3所示。

GB50350-2015《油田油气集输设计规范》规定清管速度应在2～7 m/s，由图3可知，当清管器旁通率为0%时，即传统实心结构的清管器，清管运行速度在7～8 m/s，超出国标规定的最优运行速度区间，速度过快会冲击损坏弯管等零构件，造成内部流体流动不稳定。当旁通率0%清管器到达管道出口时，运行速度急剧升高至18.5 m/s，高速的冲击对终端分离设备产生较大的破坏力。当旁通率升高至16%后，清管器运行速度显著下降至7 m/s以下，满足国标要求，且清管器在管道出口处的喷射速度也大幅降低至7 m/s以下，主要原因是部分天然气通过清管器中心射流孔向下游喷射，降低了清管器两端的压差，清管器推动力降低促使运行速度下降。但旁通率为16%～22%时，清管器运行速度波动较大，波动幅度在4～5 m/s，运行非常不稳定，影响清管效果，威胁管道运行安全，其主要原因：管道路由由斜坡和立管组成，天然气推动清管器向上爬坡，射流孔较小时对清管器下游液塞吹散能力不够，积聚在清管器出口的液塞会使天然气憋压，此时清管器运行速度相对较高，当天然气向外喷射泄压时，清管器运行速度降低，此过程反复循环导致清管器速度大幅波动。当旁通率高于22%时，清管器运行速度波动幅度较小，且保持在2 ～3 m/s，运行稳定，在管道出口处喷射速度也在7 m/s以下，对下游分离器的冲击较小。因此，考虑运行稳定性，推荐射流清管器旁通率为22%～34%。

2.2 旁通率对终端积液量的影响

改变旁通率得到终端液量变化趋势，如图4所示。

由图4可知，终端液量变化分为3个阶段，即液量缓增初始阶段、液量激增阶段和液量缓增结束阶段，其中，在液量激增阶段，终端分离器短时间内需要接收大量液体，运行负荷急剧升高甚至导致设备超负荷运行，时间过长不仅会导致设备处理效率下降，而且会造成产品质量不合格。当旁通率为0%时，大量液塞积聚在清管器下游，清管器运行速度较大，短时间内清管器将大量液塞推动至管道出口，终端液量激增幅度较大，极易导致设备无法正常运行甚至损坏。当旁通率为16%和18%时，终端液量不存在液量激增阶段，但清管器运行速度波动幅度较大，流动不稳定威胁管道安全，故不考虑这两种旁通率。随着清管器旁通率增加至20%以上，清管器运行速度变小，天然气通过射流孔吹散清管器下游液塞，液体量向外流出的时间变长，液量激增阶段逐渐变短且向后推移。当清管器旁通率高于24%时，虽然液量激增阶段变短但变化不大。因此，考虑终端液量变化，推荐射流清管器旁通率为24%～32%。

2.3 旁通率对终端段塞量的影响

改变旁通率得到终端段塞量变化趋势，如图5所示。

由图5可知，当旁通率为0%时，清管器运行至管道出口处时，终端液塞量急剧升高至62.7 m3，主要原因是传统清管器的实心结构导致清管器下游积聚大量的液塞。当旁通率为16%和18%时，虽然液塞量较小，但是清管器速度波动幅度较大运行不稳定，故不考虑这两种旁通率。当旁通率高于20%继续增大时，最大终端段塞量逐渐降低后再次升高，旁通率为30%和32%对应最大终端段塞量降低至最低点，其主要原因是，当旁通率升高时，更多的天然气通过射流孔向清管器下游喷射，对下游段塞的吹散能力升高，液塞量降低，当旁通率过高时，虽然天然气的喷射量增大，但由于射流孔孔径过大，对天然气的压缩射流效果降低，天然气对下游段塞的吹散能力反而降低，液塞量再次升高。因此，考虑终端液塞量变化，推荐射流清管器旁通率为30%～32%。

2.4 旁通率对终端液塞流量的影响

改变旁通率得到终端液塞流量的变化趋势，如图6所示。

由图6可知，当旁通率为0%时，管道出口处终端液塞最大流量高达804.3 kg/s，当旁通率升高至16%时，管道出口处终端液塞最大流量有效降低至93.7 kg/s。随着旁通率的升高，终端液塞最大流量有所降低，其主要原因是天然气将液塞吹散成为平缓、厚度较薄、长度较长的分层流，对终端分离器的冲击明显变小，有效降低分离器的工作负荷。当旁通率高于24%继续增大时，虽然终端液塞最大流量降低但降低幅度较小，主要原因是旁通率增大虽然促使天然气射流量增大，但压缩射流效果变弱，对下游液塞吹散能力有限，终端液塞最大流量变化较小。因此，考虑终端液塞流量变化，推荐射流清管器旁通率为24%～32%。

2.5 旁通率對段塞个数的影响

改變旁通率得到管道沿程段塞个数的变化趋势，如图7所示。

由图7可知，随着旁通率的增加，管道内段塞个数逐渐降低。当旁通率为16%和18%时，管道内段塞最大个数达到1 586个和1 525个。当旁通率由18%继续增至20%时，管道内段塞最大个数大幅降低至553个。当旁通率由20%继续增加至22%时，管道内段塞最大个数大幅降低至261个。当旁通率由22%继续增加至24%时，管道内段塞最大个数降低至86个。当旁通率由24%继续增加时，管道内段塞最大个数降低幅度较小。因此，考虑段塞个数变化，推荐射流清管器旁通率为24%至32%。

2.6 射流清管器旁通率综合确定

综上所述，考虑运行稳定性，推荐射流清管器旁通率为22%至34%。考虑终端液量变化，推荐射流清管器旁通率为24%至32%。考虑终端液塞量变化，推荐射流清管器旁通率为30%至32%。考虑终端液塞流量和段塞个数变化，推荐射流清管器旁通率为24%至32%。因此，综合考虑清管器速度、终端液量、终端液塞量、终端液塞流量和段塞个数变化，推荐射流清管器旁通率为30%至32%。

3 结语

（1）当旁通率高于22%时，清管器运行速度波动幅度较小，且保持在2～3 m/s，运行稳定，对下游分离器的冲击较小，推荐射流清管器旁通率为22%～34%；

（2）当清管器旁通率高于24%时，虽然液量激增阶段变短但变化不大，推荐射流清管器旁通率为24%～32%;

（3）当旁通率高于20%继续增大时，最大终端段塞量逐渐降低后再次升高，旁通率为30%和32%对应最大终端段塞量降低至最低点，推荐射流清管器旁通率为30%～32%；

（4）当旁通率高于24%继续增大时，终端液塞最大流量和段塞最大个数降低幅度较小，推荐射流清管器旁通率为24%～32%；

（5）综合考虑清管器速度、终端液量、终端液塞量、终端液塞流量和段塞个数变化，推荐射流清管器旁通率为30%～32%。

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