中俄东线天然气管道黑河首站计量系统管汇偏流分析
陆美彤, 毛平平, 赵仕浩, 刘亮, 姜晗
中国石油天然气管道工程有限公司

作者简介:陆美彤,女,1990年生,工程师,硕士;2015年毕业于中国石油大学(北京)并获得硕士学位;主要从事油气长输管道及站场设计方面的研究工作。地址:(065000)河北省廊坊市广阳区和平路146号。ORCID: 0000-0003-2371-9862。E-mail: 840687534@qq.com

摘要

中俄东线天然气管道是目前国内输气量最大的跨国输气管道,黑河首站是该管道在我国境内的首座站场,设有跨国天然气贸易计量比对设施。该设施含有多路计量支路,各计量支路的流量分配不均,有可能影响计量结果的可靠性与准确性。为了避免黑河首站计量系统管汇的偏流问题,采用有限元的方法,对该计量系统进行了流场分析和模拟。研究结果表明:①基于有限元模拟进行计量系统管汇安装方案设计,较之于工程上通过各支路沿程摩阻平衡来避免偏流的设计方法,提升了设计的精细度和可信度;②黑河首站在设计工况下,“同侧进出”安装形式能更有效地避免计量系统管汇偏流现象,刷新了多支路管汇常采用“异侧进出”安装形式避免偏流的认知经验;③不同备用支路选择会对偏流效果产生影响,黑河首站“同侧进出”的安装形式中,第1、2支路备用时,偏流量最小;④基于分析结果确定了黑河首站计量系统的安装形式及推荐运行方案。结论认为,该研究成果有助于确保黑河首站比对计量系统的准确性、保障供需双方的经济利益,还可以为其他跨国天然气贸易计量比对系统管汇偏流问题的解决提供借鉴。

关键词: 中俄东线天然气管道; 黑河首站; 跨国天然气贸易; 计量比对; 流量分配; 管汇偏流; 数值模拟
Analysis on the bias current in the manifold of measurement system at the Heihe initial station of China-Russian Eastern Gas Pipeline
LU Meitong, MAO Pingping, ZHAO Shihao, LIU Liang, JIANG Han
China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang, Hebei 065000, China
Abstract

China-Russian Eastern Gas Pipeline is the transnational gas pipeline whose gas delivery rate is the highest in China, and the Heihe initial station is the first station of the China-Russian Eastern Gas Pipeline in the territory of China, which is equipped with a measurement comparison facility for transnational natural gas trade. This facility has multiple measurement branches and the flow distribution in different branches is not uniform, which may influence the reliability and accuracy of measurement results. In order to avoid the bias current in the manifold of the measurement system at the Heihe initial station, this paper adopted the finite element simulation method to analyze and simulate the flow field in the measurement system. And the following research results were obtained. First, in engineering, bias current is usually avoided by balancing the friction and resistance along each branch. And compared with this design method, the installation scheme design of the manifold of measurement system based on finite element simulation is more precise and reliable. Second, under the designed working conditions at the Heihe initial station, the installation form of "inlet and outlet on the same side" can avoid the bias current in the manifold of the measurement system more effectively, refreshing the cognitive experience that the installation form of "inlet and outlet on the opposite side" is often adopted in multi-branch manifold to avoid the bias current. Third, the selection of different standby branches influences the bias current. Under the installation form of "inlet and outlet on the same side" at the Heihe initial station, the bias current is the least when the first and second branches are selected as the standby. Fourth, based on analysis results, the installation form of the measurement system at the Heihe initial station is determined and the operation scheme is recommended. In conclusion, the research results are conducive to the accuracy guarantee of the measurement comparison system at the Heihe initial station and ensure the economic benefits of the supply and demand sides. What's more, they provide reference for solving the bias current in the manifolds of other measurement comparison systems in transnational natural gas trade.

Keyword: China-Russian Eastern Gas Pipeline; Heihe initial station; Transnational natural gas trade; Measurement comparison; Flow distribution; Bias current in the manifold; Numerical simulation
0 引言

中俄东线天然气管道(以下简称中俄东线)气源地为俄罗斯, 根据2014年5月21日中俄双方签订的《中俄东线管道供气购销协议》, 2024年及以后年进口气量为380×108 m3。中俄东线干线黑河—长岭段共设置工艺站场6座, 其中:黑河首站(具备增压功能)1座、中间压气站3座、分输站2座。黑河首站是中俄东线管道中国境内首座站场, 站内设置比对计量系统[1]。中俄东线天然气管道是目前国内输气量最大的跨国输气管道, 确保黑河首站比对计量系统的准确性, 对于双边贸易结算、保障供需双方的经济利益具有重要的意义[2, 3]。中俄东线黑河首站跨国天然气贸易计量比对设施具有多路计量支路, 各计量支路的流量分配不均, 有可能影响计量结果的可靠性与准确性。为了避免黑河首站天然气计量系统管汇的偏流问题, 笔者采用有限元模拟的方法, 对该计量系统进行了流场分析。

1 站场概况

黑河首站的外输工艺流程如图1所示[4]

图1 黑河首站外输工艺流程示意图

黑河首站计量系统具有计量管路多、管径大、流量大等特点, 共设置8路超声波流量计, 6用2备。中俄东线黑河首站流量计在最大流量(Qmax)与分界流量(Qt, 约为5%Qmax)范围内测量精度优于±0.5%, 在最小流量(Qmin)与最大流量范围内测量精度优于±1%。为了保证流量计测量精度, 需要将工作流量(Qi)控制在QtQmax之间[4]

但是计量系统的入口管汇处, 由于流态、惯性力和重力等因素会导致各流量计入口流量无法均匀分配, 导致管汇“ 偏流” 现象发生[5, 6]。偏流严重时, 个别支路计量系统超过计量范围, 而其他计量系统仍存在较大余量, 导致设备无法在高精度区域进行流量测量。目前国内并没有成熟高效的偏流控制方法, 对偏流机理的理论研究与实验研究尚不充分[7]。而且, 偏流问题研究多集中于油气田地面集输处理系统, 鲜有文献报道气体管道工艺系统的偏流问题。因此, 为了保证黑河首站计量系统的精度, 有必要对该站计量系统的偏流情况进行具体的模拟分析, 在可选安装方案范围内择优选择, 使计量结果更为准确, 满足贸易比对的功能要求[8, 9, 10, 11]

2 工艺安装方案

根据中俄东线黑河首站的总图布置及应力分析配管设计后, 黑河首站计量系统安装可采用“ 异侧进出” 和“ 同侧进出” 两种布置方案(图2)。

图2 黑河首站计量系统两种安装方案示意图

一般多支路管汇的进出口安装形式常采用“ 异侧进出” , 因为此布置形式可以使每一支路通过的距离接近, 沿程摩阻尽可能相等, 进而避免偏流现象。但是, 此方法没有考虑流体内部的实际流动状态, 鉴于贸易比对计量系统的精密性, 为了明确计量系统管汇采用“ 异侧进出” 或“ 同侧进出” 何种安装方式更优, 以及如何进行备用路的选择可以使偏流效果最小, 笔者提出了8种工况方案进行比较分析(表1)。

表1 分析方案汇总表

定义δ i为单路计量支路的偏流系数, 通过计算不同工况下各支路的偏流系数值, 明确不同工况下的偏流情况, 进而确定推荐的安装方案。

$\delta=\frac{Q_{i}-Q_{avg}}{ Q_{avg}}$(1)

式中δ i表示第i支路的偏流系数; Qavg表示各支路平均质量流量, kg/s; Qi表示第i支路的质量流量, kg/s。

3 数值计算步骤

为了求得不同工况的偏流系数, 需要根据既定工况方案进行数值模拟, 应用数值模拟方法来计算管道内部流场, 主要步骤如下:

1)针对研究问题建立物理模型。

2)模型转换, 即将物理模型转换为运算的数学模型。

3)对计算网格进行划分, 设置合适的边界条件并进行控制参数的设定。

4)选取合适的计算方法。

5)模型运算。

6)结果后处理及分析。

4 数值计算模拟
4.1 搭建模型

本文模型搭建及流场模拟计算基于大型有限元软件ANSYS进行, ANSYS可以实现快速的几何建模, 而且具备强大的六面体结构化网格生成功能, 越来越多的工程人员选择ANSYS进行有限元分析模拟[12, 13]

4.2 划分网格

在数值模拟计算前, 首先要进行网格划分, 实现对计算区域的离散化。网格质量决定了数值模拟结果的精度, 低质量的网格易导致数值计算过程发散[14]。采用CFD模式下的网格划分, 通过调整网格的大小及划分方法, 优化网格的质量, 保证网格的平均质量达到0.8以上。

4.3 算法设定

网格划分完成后, 需要对控制方程进行相应的离散, 二阶迎风格式相对于一阶迎风格式提高了一个精度, 在计算非结构网格和复杂流动时更加准确, 因此选用二阶迎风格式的差分格式。

进口俄罗斯天然气主要来自科维克金气田和恰扬金气田, 气质组成如表2所示。

表2 俄罗斯天然气组成表

根据中俄东线的气质组成进行物性定义, 在模拟计算流场时:对于控制单元中心压力变化较平稳时, STANDARD压力插补格式的计算结果比较准确; 数值计算方法通常采用 SIMPLE和 SIMPLEC, 两种算法很相似, 区别在于 SIMPLEC算法在通量计算的方法上有所改进, 对于一些比较复杂的流动, SIMPLEC 算法更有优势, 但对于一般的流动模拟采用 SIMPLE 算法即可[15]

4.4 结果读取

完成参数设置后, 进行模型运算并读取结果。读取“ 异侧进出” 数值模型在不同工况下, 各支路的流量, 并计算流量偏差(表3)。以工况1为例, 工况1下越靠近入口管汇的计量支路通过流量越小, 且各路偏差相对较大, 相邻支路间流量偏差均超过8 kg/s, 距离最远的两支路(支路1和支路6)流量差甚至达到56.59 kg/s。“ 异侧进出” 不同支路备用时, 工况2的偏流系数最大, 为22.81%。

表3 异侧进出各备用方案流量分配统计表

同理, 运行“ 同侧进出” 模型并读取结果。读取“ 同侧进出” 数值模型在不同工况下, 各支路的流量, 并计算流量偏差(表4)。以工况5为例, 工况5下越靠近入口管汇的计量支路通过流量越大, 但各路分配相对较均匀, 相邻两支路间流量差值均小于4 kg/s, 距离最远的两支路(支路1和支路6)流量差为13.09 kg/s。“ 同侧进出” 不同支路备用时, 各支路的偏流系数整体小于异侧进出方案, 工况6的偏流系数最大, 为8.51%。

表4 同侧进出各备用方案流量分配统计表

通过以上总结的数据对比, 可以明确“ 同侧进出” 方案整体较优, 不同备用路选择下的偏流量相对较少, 因此, 确定黑河首站计量区管汇采用“ 同侧进出” 的安装形式, 并且将支路1、2备用时, 计量系统管汇偏流最小, 计量区具体安装示意如图3所示。

图3 黑河首站计量区安装示意图

4.5 偏流分析

对于单相流管汇系统, 研究初期认为各引出管压力分布不均是造成管汇偏流的主要原因, 目前这一机理已从理论上得到验证[16]。然而, 管汇内流量分布情况并不能总是符合压力分布情况, 湍流、惯性力等因素也可能会导致管汇偏流[17]。以工况5为例, 系统压力云图如图4所示, 选取距离入口最近的支路6, 沿着由截面B的方向绘制压力曲线(图5)。

图4 工况5系统压力分布云图及截面AB位置示意图

图5 工况5下支路6沿线压力值图

通过图5可以很明显地看到, 支路6在距入口管汇1 m处压力值小于截面A(距入口管汇2 m处)[18, 19, 20], 导致流体流动受到阻力。但由于支路6距离出口更近, 相同流量下, 从进口到出口的沿程摩阻小于其他支路, 可以较好地平衡, 致使同侧进出的偏流效果较小[21], 支路6的流速分布如图6所示。

图6 工况5下支路6局部流速分布云图

通过图6也可以很明显地看到, 支路6在距入口管汇1 m处流速最高, 扰动剧烈, 导致该截面压力较低, 与压力分析结果一致。

为了进一步比较, 读取相同备用路下“ 异侧进出” (工况1)的数值模拟结果, 系统压力分布云图如图7所示。同样, 选取距离入口最近的支路1, 其局部流速分布云图如图8所示。

图7 工况1系统压力分布云图

图8 工况1下支路1局部流速分布云图

从图8可以明显地看出, 在距离管汇入口更近的支路1由于扰动剧烈, 导致流体流动受到阻力。由于惯性力等的作用, 在相同的流量、流经相同距离的情况下, 使流体更倾向于沿着干管并最终流入支路6。因此加剧了偏流现象。

5 结束语

详细介绍了降低多支路计量系统管汇偏流的设计方法, 针对黑河首站的计量系统进行流场分析, 得到设计工况下“ 同侧进出” 方案整体优于“ 异侧进出” 方案的结论。“ 同侧进出” 的安装形式中, 将支路1、2设为备用路时, 系统的偏流量最小, 实际运行时可考虑选择该两路进行备用。

中俄东线天然气管道工程于2019年12月2日正式投产通气, 鉴于投产初期的气量较少, 目前黑河首站仅开启了1路计量, 流量计运行良好。对于黑河首站计量系统的运行情况, 将进行持续关注, 根据实际运行情况细化数值模拟模型, 明确偏流控制方法, 提高设计水平和精细化程度。

编 辑 何 明

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