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集输管线中段塞流计算徐学飞（中石化石油工程设计有限公司，北京102200)
摘要：气田采出气往往含有较多的水，在集输管网中积聚，影响管线输送效率。本文使用PIPEpHASE软件计算管网中两相流流态、液塞大小以及清管液塞长度。同时对清管过程中形成的液塞静压力进行计算，以保证管线环向应力在规范要求的范围内。
关键词：集输管线；两相流；段塞流：液塞：壁厚
天然气需求量日益增加，已经成为生产、生活中的重要能源。在气田生产中湿气集输工艺由于具有流程简单、投资低周期短等优点，因而在国内外气田中应用广泛。段塞流是湿气集输中十分常见的两相流流型，在集输管线受地理高程影响起伏不定的情况下易形成段塞流。而且在停输、清管以及流量的变化等情况下都会有段塞流的产生。
段塞流形成机理比较一致的是界面波的K-H不稳定性。段寒流可以分为水力段塞流、起伏段塞流、瞬态段塞流、严重段塞流四种。段塞流形成过程如下：在管道中气液流量很小时表现为分层流型。当液体流量增大时形成波浪。由于伯诺利效应，气体流速增大将使波浪顶峰处的压力降低，在波峰周围压力下，波浪有增大趋势。另一方面，液体所受的重力将使波浪减小。如前者的影响大于后者，则波浪增大直至管顶，形成段塞。从上述过程可以看出：
(1)起伏段塞流、瞬态段塞流的形成机理是类同的与水力段塞流有所区别：
(2)管愈高(或地形起伏愈大)形成的强烈段塞流愈严重；(3)形成强烈段塞流时管道出口的气液流量极不均匀：(4)气液流量较小时才能形成强烈段塞流。
段塞流不仅会降低管输效率、加剧腐蚀，而且造成管道中含气率和压力的显著变化，使得管道承受间段性的冲击应力。因而分析计算集输管网中的两相流，对于地处复杂地形的气田
集输系统的设计及安全、高效运行具有重要意义。 1集输管线段塞流
国内外现有的管道多相模拟软件很多，PEPITE、PIPE pHASE、TWOpHASE，OLGA，TACITE等，本文建立典型起伏地段天然气集输管线模型，采用PIPEpHASE模拟软件分析计算集输管线中两相流流及其对管线的影响。
管线中天然气气质组分见表1
表1气源组分表
组分含量 mol/%
co, 1.2
N 0.3
方货数糖” 06
CHCH
ICH.
86.6
2.7
2015年12月
1.9
IC4 0.5
NC. 0.3
IC 0.2
NC,H,O 1.3
5.0
天然气输送管道公称直径为DN100，长度为6.60km，起点压力为5.5MPa，输送量为30万方/d，管道高程变化如下：
1200 1100 1000
800
85033433353263
品#迎务店图1管线沿线高程变化情况
根据上述数据使用PIPEpHASE软件建立管线输送模型，分别计算含水和无水条件下管线末点状态，详见表2。
表2天然气含水和无水条件下计算结果
状态含水无水
末点压力 MPa 2.43 4.05
单位管长压降 KPa/km
466 220
起点流速/s 6.18 6.50
末点流速 m/s 15.37 9.72
末点温度 a 16 20
从上表可以看出由于天然气中含有水，导致末点压力降低约1.6MPa，单位管长压降增大近1倍，末点流速升高约67%。因而集输管网中的水对天然气输送有较大影响。
在含水条件下，管线计算结果显示已经出现段塞流，其中大部分管段为环状流、少部分为段塞流。因而使用PIPEpHASE 软件中linkslugreport功能考察管线中的段塞流情况。使用不同公式BRILL、NORRIS、SCOTT公式计算段塞流大小及其发展。
表3不同公式计算的段塞长度及液塞传递时间
段赛长度/m
计算公式 BRILL NORRIS SCOTT
99.86%可
能性 73.6 51.6 77.3
99.99%可能性 105.9 74.3 111.3
液塞传避时间/s
99.86%可能性 4.45 3.12 4.67
99.99%可能性 6.40 4.49 6.73
严重段塞流
无无无
从表中可以看出，NORRIS公式计算结果较其他两种方法小，而BRILL、SCOTT计算结果接近，BRILL计算结果略小。原因可能是BRILL公式段塞大小是由流体流速和管径计算得到，而NORRIS公式段塞大小仅由管径计算得到。上述方法只对于管线倾角±5°范围内的自然段塞流适用效果较好，在该管线绝大部分管段均是适用的。对于地势起伏较大的地区只能采用 TACITE瞬态段塞软件分析计算。