摘 要：清管作业在天然气管道中应用的越来越广泛。定期清管可以保持管道中的流动通畅，降低管道压降，提高管道的流动效率。综述国内外对单相管流清管模型的研究概况 ,分析清管模型存在的不足 ,对进一步开展清管研究具有一定的借鉴作用。

　　关键词：　　 清管 ; 单相流 ;　 气体管道 ;　 清管器

　　引言

　　清管就是清管器推走管道内的物质，其目的是把管道内的产物清除干净。清管作业在石油和天然气管道中应用的越来越广泛。定期清管可以保持管道中的流动通畅，降低管道压降，提高管道的流动效率。在许多情况下 ,清管还可以对管道进行维护和监测 ,减小下游处理设备的尺寸 ,降低设备费用;因此 ,有必要对清管模型进行认真的分析和研究[1]。

　　1国外单相流气体清管模型研究概况

　　为了描述清管过程中流体的瞬变过程 ,国外从 20 世纪90年代开始研究单相清管过程，提出了各种理论清管模型。模型的研究更有利于操作设计人员准确预测清管的实际运行状态进而改进清管操作的各项规程，促进清管器稳定运行。

　　1.1 Nguyen水平管道模型[2]

　　图1 清管器动力模型

　　Nguyen等人提出了一种迭代算法，应用特征线法和规则矩形网格来估算天然管道中清洁器的动态流动。清管器数学模型(图1)采用双曲线偏微分方程建立气体流动方程和清管器动力方程。气体偏微分瞬态方程结合清管器动力方程联立求解。方程采用矩形网格在合适的初始和边界条件下利用特征线法求解。利用龙格库塔法求解稳态下的初始气体流动值，并利用该值迭代求解清管器的动力方程，获得清管器速度和运动位置坐标。。运算中将管道分为两部分。第一部分为管道入口到清管器尾端，为上游，第二部分为清管器前端到管道出口，为下游。先计算管道入口到清洁器尾端的流态方程，以获得清洁器后端压力。再求解管道出口到清洁器前端的流态方程，获得清洁器前端压力。在距离和时间步长足够小的既定操作工况下，Nguyen模型可有效的估算出清管器位置和运行速度。

　　1.2Nguyen弯管模型[3]

　　此外，Nguyen等人还研究了清管器在90°气体弯管中的运行规律。模型(图2)基于拉格朗日方程，在清管器到达弯管入口，弯管内部，弯管出口位置分别建立耦合方程。同样采用龙哥库塔法求解气流的边界方程及清管器动量方程。弯管内上游和下游的气流特性方程采用特征线法分析求解。模拟结果与天然气弯管中清管器的实际运行大致符合。

　　图2 Nguyen弯管动力模型

　　1.3Hosse模型[4]

　　Hosseinalipour提出了恒温高压管道下清管器有气流旁通的模型，模型利用一元控制体(图3)特性，建立流体动能方程，气体状态方程和清管器运动方程。通过动交错网格的有限差分法对方程进行离散求解。计算还比较了采用理想气体和实际气体清管对模拟结果的影响，经对比证明，二者计算结果相差不大，这为以后模型的简化运算提供了理论基础。

　　图3 一元控制体分析图

　　1.4 Tolma模型[5]

　　Tolmasquim等人基于数值分析中的有限差分法，耦合清管器的相关运动方程，开发出一种PID程序代码来预测清管器的实际运行。程序采用自动控制变量模块来实现有关计算操作，该法经不同的实际工况检验测试后，运算结果与实际清管运行情况基本一致。

　　1.5 Saeid模型[6]

　　Saeidbakhsh等人构建了一种在螺旋上升管道中运行的清管器模型。清管器的运行轨迹和管道的中心线在三维空间内被拟合成一条曲线。清管器的运动微分方程简化为只与空间曲线参数有关的方程。仿真结果表明建立的微分方程可以有效的估算清管器在管道中各点的驱动力，清管速度和清管器运行所在位置。

　　1.6 F.D模型[7]

　　F.D等人提出了一种CFL收敛判断条件下模拟清管运行的计算方法。算法如图4所示：

　　图4 F.D模型求解模式

　　该法可以推算出气体管道中清管器的运行速度，气体最佳推进流速和清洁器到达管道终端的时间。

　　综上所诉。Nguyen等人主要研究的是低压管道下清管器模型，并分别考虑了水平管道和90°弯管的清管运行，且模拟过程采用两类不同的边界条件分析求解。Hosse模型则在前人模型的基础上改进得到的清管器模型，他考虑了高压气体对管道造成的冲刷变形及管道中有无法兰和支流的情况。Tolmasquim等人虽基于有限差分法开发出了PID仿真程序代码，但程序只可预估清管器的平均速度，不能计算清管器流经管道所需的实际压差。Saeidbakhsh等人第一个利用三维空间构造了清管器模型，由于忽略了流场对清管器的运行影响，该模型只适用于微型管道。F.D模型本质和Nguyen模型并无区别，只是在边界条件的设置和求解精度上有所改进。

　　2 国内单相流气体管道模型研究概况

　　国内对清管现象的研究起步较晚 ,而且参与研究的人员和单位较少。北京石油化工学院李汉勇等在稳态清管模型基础上提出了相应的清管球数学模型。根据数学模型和相应的数值计算方法,研制了水试压后输气管道的瞬态模拟分析软件。模拟结果为输气管道清管运行情况的预测和监测提供了一定的理论依据[8]。西南石油大学张琳等建立了油田伴生气管线清管数学模型 ,该模型能较好地预测清管的始发输气压力 ,计算结果符合现场实际 ,具有很强的工程实用性 ,为清管方案的制定提供了可靠依据[9]。

　　< >结论清管作业已经成为石油天然气工业生产中十分重要的环节。日益增多的清管需求使清管器的生产类型也越来越多，但是大多数的清管器都是根据实地现场经验设计的。如要选择合适有效的清管器 ,就必须对清管器速度、 清管器的旁通量等进行必要的预估, 但是预估值给清管器的设计制造带来很大的不确定性，导致清管运行不完善。尽管国内外对单相流气体管道的清管进行了广泛的研究 ,取得了不少研究成果 ,但大多数清管研究都是以稳态和准稳态假设为前提，不能更准确的体现清管真实流程。并且大部分清管模型并没有应用于实际生产 ,与实际清管器存在着较大的差距。因此 ,在今后的研究中 ,要加强对单向流瞬态清管规律的研究 ,结合实际开发研制新型有效的清管器,使理论研究能够更好地应用于实践生产当中。

　　参考文献：

　　[1]徐孝轩,宫敬,邓道明.多相流管道清管模型研究[J].中国海上油气: 2003, 15(4):21-24.

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