天然氣管輸減阻劑減阻效果評價方法范文

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《西南石油大學學報》2016年第3期

摘要：

減阻劑的合理使用可有效降低天然氣長輸過程中的能耗并提高管道的輸氣能力，天然氣減阻劑減阻效果的科學評價是指導減阻劑在現場合理應用的關鍵所在。目前國內外現有的減阻效果評價方法在管輸現場的使用中存在一定的局限性，不能較好地滿足現場需要。結合減阻劑減阻機理及管輸現場對評價方法的要求，對國內外已用到的3種評價方法進行分析與完善，并提出兩種新的評價方法。運用模糊綜合評價法對5種評價方法進行優選，得出采用輸氣效率系數與流量反演求水力摩阻系數聯合評價法是評價管輸現場減阻劑減阻效果較為合理的方法。根據該評價方法，研發了一套天然氣管輸減阻劑減阻效果評價軟件。在某輸氣管線的應用中，軟件評價分析結果符合現場實際情況，且同時滿足了管輸技術工程人員和生產管理者的需求。軟件操作簡單，使用方便，得到了現場工作人員的好評。

關鍵詞：

天然氣減阻劑；減阻效果；現場評價方法；水力摩阻系數；輸氣效率系數

引言

天然氣作為清潔高效的優質能源，是目前世界各國改善能源結構、環境和促進經濟可持續發展的首選。天然氣的運輸方式主要為管道輸送[12]，近年來，減阻劑減阻技術逐漸成為國內在役管道實現減阻增輸的主要途徑之一[3]。如何科學評價減阻劑在管輸現場的減阻效果是指導減阻劑合理應用的關鍵技術之一。迄今，國內外學者對天然氣減阻劑減阻效果評價方法的研究多是借助室內環道測試裝置，對現場應用情況進行簡化處理和模擬分析[49]，由于管線長度、管線腐蝕情況等客觀條件的限制，室內測試不能真實地反映長輸管道的實際工況。已有的應用在管輸現場的減阻效果評價方法[1012]在使用過程中考慮因素不全面，減阻效果的評價指標相對單一，分析結果存在一定的局限性，不能較為客觀、準確、全面地反映減阻劑的減阻效果。因此，結合減阻劑減阻機理及天然氣管輸現場工況條件，找到一種能適用于中國大部分長輸管道，并能同時滿足現場工程技術人員和生產管理者要求的減阻劑減阻效果評價方法顯得尤為重要。

1天然氣管輸減阻劑減阻機理

天然氣管輸減阻劑減阻機理的研究[1315]始于20世紀50年代，經過幾十年的研究，國內外學者普遍認為減阻劑的減阻機理主要是：減阻劑在管道內壁覆蓋成膜，降低了管道內壁的當量粗糙度，將氣體運動邊界條件由“氣固”界面改為“氣液”界面，改善了管道近壁區氣體流態，減弱了氣體湍流強度，從而減少了天然氣在流動過程中的能量損失，提高了管道的輸氣能力。

2天然氣管輸現場對減阻劑減阻效果評價方法的要求

2.1管輸現場工況條件

（1）管輸現場可提供的運行工況及管段基本參數如表1所示。其中工況運行參數可實現實時采集存儲，人工報表一般每兩小時記錄一次，管段基本參數可從站場工作人員處直接獲取。

（2）中國的部分輸氣管段處于起伏不平地段；

（3）管輸技術工程人員比較關注減阻劑的使用所帶來的實際效果（氣體流態的改善、內壁粗糙度的改善），而生產管理者則更關注減阻劑的使用所帶來的經濟效益（管道增輸率等）。

2.2天然氣管輸現場對評價方法的要求根據天然氣管輸現場的工況條件及相關工作人員對評價方法的需求，中國天然氣減阻劑減阻效果現場評價方法要滿足以下要求：

（1）使用的評價指標可較為真實地反映減阻劑的減阻效果；

（2）評價指標的計算過程要合理可行，且涉及到的參數可從管輸現場獲取或通過查表計算獲得；

（3）能適用于多種地形；

（4）評價結果可作為指導減阻劑在現場合理應用的理論依據；

（5）使用過程盡量簡單便捷，現場工作人員經培訓后可快速掌握。

3評價方法的分析研究

3.1已有評價方法在對國內外相關文獻的搜集、整理、分析的基礎上，總結出目前國內外研究較多的3種評價方法：

（1）壓差評價法；（2）流量反演法求水力摩阻系數評價法；

（3）當量粗糙度評價法。結合天然氣減阻劑的減阻機理、流體力學等基礎理論及中國管輸現場對評價方法的要求，對3種方法從適用范圍、使用特點等角度做了如下分析研究。 

3.1.1壓差評價法壓差評價法是通過計算加劑前后的管段壓降，進而計算出減阻率，以減阻率來評價減阻劑的減阻效果，減阻率越大，減阻效果越好，反之則越差，如式（1） 式中：ηDR減阻率，%；∆p1加減阻劑前管段起點到終點的壓降，MPa；∆p2加減阻劑后起點到終點的壓降，MPa；pQ管段起點壓力，MPa；pZ管段終點壓力，MPa。壓差評價法的評價指標為管段壓差，根據流體力學[1617]知，管段沿程壓差反映的是氣體的沿程能耗，該方法可間接地反映減阻劑的減阻機理。由于地勢起伏會引起氣體勢能變化，進而影響管道氣體壓降，給計算結果帶來一定的誤差，具體論證如下：假設兩條輸氣管線A和B，如圖1所示，A為帶有一定坡度的輸氣管線，B為平坦地區輸氣管線。A管線的壓降表現為沿程阻力損失引起的∆pf與勢能變化引起的∆ph之和，B管線的壓降僅僅表現為沿程阻力損失引起的∆pf。當坡度為正（即管道走向從低到高）時，分母中的符號為正，當坡度為負（即管道走向從高到低）時，分母中的符號為負。B管線的減阻率為對比A、B管線的計算結果可以看出，平坦地區（B管線）計算結果為真實減阻情況，有坡度地區（A管線）的計算結果含有勢能變化情況，不能真實反映加劑前后的減阻率變化情況，因此，壓差評價法用在有坡度地區會有一定的誤差。綜上，壓差評價法涉及參數少，計算簡單便捷，評價指標可以間接反映減阻劑的減阻機理，僅適用于平坦地區的管道。

3.1.2流量反演法求水力摩阻系數評價法流量反演法求水力摩阻系數評價法是通過計算加劑前后的水力摩阻系數，進而計算出減阻率，以減阻率值來評價減阻劑的減阻效果。減阻率越大，表明減阻效果越好，反之則越差。如式（5）λ1加劑前管道水力摩阻系數；λ2加劑后管道水力摩阻系數。由于水力摩阻系數是關于管道內壁相對粗糙度和管道內流體雷諾數的函數，因此該方法的評價指標與減阻機理十分吻合，能夠真實地反映減阻劑所帶來的減阻效果。目前，在減阻劑減阻效果評價方法研究領域，國內外學者主要采用式（6）[18]反演求取加劑前后管道的水力摩阻系數。由于中國輸氣管道所處地形條件各不相同，筆者采用“因地制宜”的手段對該評價方法進行了完善，針對不同地區的管道，采用如下不同的計算公式（1）平坦地區計算公式（管段起點與終點的相對高差∆S200m）L管道計算段的長度，m；D管道內徑，m；Z天然氣壓縮系數，無因次；T天然氣的平均溫度，K，K=273.15+◦C；ρ天然氣相對密度，無因次；R天然氣的氣體常數，m2/（s2·K），R=8.314m2/（s2·K）；Q氣體流量，m3/s。（2）有坡度地區計算公式（管段起點與終點的相對高差∆S>200m）式中：g重力加速度，m/s2，g=9.8m/s2；C常數，大小隨公式中的參數采用的單位而定，如采用國際單位制時，C=0.0384(m2·s·√K/kg)Si每一段起伏地區的高程差，如圖2所示。綜上，改進后的流量反演法求水力摩阻系數評價法考慮因素（如流量、壓力、溫度等）較全面，評價指標可準確反映減阻劑的減阻效果，且改進后的方法能夠適用于多種地形，計算過程相對便捷。

3.1.3當量粗糙度評價法當量粗糙度評價法是通過計算加劑前后管道內壁的當量粗糙度K，進而計算出減阻率。減阻率越大，減阻效果越好，反之則越差，如式（11）式中：Re輸氣管道內氣體的雷諾數；K0加劑前管道內壁當量粗糙度；KDM加劑后管道內壁當量粗糙度。同流量反演法求水力摩阻系數評價法一樣，將λ的計算方法進行完善，根據不同的地形選用不同的計算公式，具體計算公式如式（7）、式（8）、式（9）、式（10）所示。該方法是在流量反演法求水力摩阻系數評價法的基礎上更進一步，通過水力摩阻系數計算出管道內壁粗糙度，以粗糙度的相對變化值來評價減阻劑的減阻效果，方法直觀明了，容易理解，與減阻機理較為符合，且改進后的方法適用于多種地形，計算過程相對復雜。

3.2新提出的評價方法3.2.1能量法求水力摩阻系數評價法能量法求水力摩阻系數評價法也是通過計算加劑前后的水力摩阻系數，進而計算出減阻率，以減阻率來評價減阻劑的減阻效果（如式5所示）。該方法中的水力摩阻系數是通過流體連續性方程、運動方程、能量方程、BWRS方程及氣體焓方程聯立求解的，如式（13）∼式（17）所示流體連續性方程式中：p管段壓強，Pa；M質量流量，kg/s；h焓，J；A管段截面積，m2；k傳熱系數，W/（m2·K）；A0，B0，C0，D0，E0，b，c，d，f，α，γ，參數，需要通過大量實驗獲得；θ坡度。該方法由筆者引用到減阻劑的減阻效果評價中，方程組的建立考慮到了天然氣輸送過程動量、熱量及能量之間的轉換，考慮因素比較全面，公式表達準確，且計算過程中考慮到了坡度的影響因素，方法適用范圍廣，不受地形因素的制約。但是方程組的計算較為復雜。3.2.2輸氣效率系數評價法輸氣效率系數評價法是通過計算加劑前后管道的輸氣效率系數，進而計算出增輸率，通過增輸率的大小評價減阻劑的減阻效果。如式（18）示式中：∆E天然氣的增輸率，無因次；E輸氣管的輸氣效率系數；E1加劑前輸氣管的輸氣效率系數；E2加劑后輸氣管的輸氣效率系數。當管段處于平坦地區時，式（19）中的β按式（20）計算，當管段處于地勢起伏地區時，式（19）中的β按式（21）計算。輸氣效率系數法也是由作者引用到減阻劑的減阻效果評價領域，其中，輸氣效率系數的計算方法參照的是中華人民共和國石油天然氣行業標準[19]，該方法的評價指標為增輸率，結果可方便應用于經濟效益分析，同時，此方法的計算不受管段所處地形因素制約，適用范圍廣，計算過程相對便捷。

4評價方法的優選

減阻劑減阻效果評價方法的研究表明，5種評價方法均有各自的優缺點，應用在管輸現場均有一定的合理性，為評價方法的優選抉擇帶來了困難。為將評價方法的定性分析轉變為定量分析，筆者以模糊數學為理論基礎，對5種評價方法進行了模糊綜合評價。

4.1模糊綜合評價法模糊綜合評價法[20]是一種基于模糊數學的綜合評價方法。該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。它具有結果清晰，系統性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。其具體的步驟如下（1）建立因素集建立影響方案優選的因素集UU={u1,u2,u3,...,un}（2）建立權重集對每種因素進行權重分配，權重的大小代表了該因素所占的重要性，各個因素的權重和為1，建立權重集A：A=(a1,a2,a3,...,an)（3）建立模糊矩陣對各個方案的每個因素進行單因素評價，得到單因素評判矩陣R（4）模糊綜合評判對R作模糊線性變換得到評價集B其中，bj表示綜合考慮各因素情況下方案的綜合評價情況，集合B中數值最大的因素對應的方案為最優方案。

4.2減阻效果評價方法優選根據評價方法的分析研究以及模糊綜合評價理論，開展5種評價方法的優選。首先，結合管輸現場的實際工況及相關工作人員對評價方法的要求，建立因素集U：U={評價指標的科學性，適用性，公式精度，計算精度，實用性，便捷性}在參考管輸現場工作人員及相關專家經驗的基礎上，根據對評價方法的認識，采用層次分析法建立了各個因素對應的權重集A：A={0.22，0.22，0.12，0.12，0.22，0.10}筆者邀請了國內在天然氣管輸及減阻劑研究領域的5位知名專家對5種評價方法進行打分，模糊綜合評價結果如表2示。由表2知，輸氣效率系數評價法和流量反演法求水力摩阻系數法為綜合性能最高的兩種減阻劑減阻效果評價方法。其中，前者主要從減阻率角度評價減阻劑的減阻效果，后者則是從增輸率角度展開評價。將兩種評價方法配合使用，則既能反映減阻劑的使用所帶來的實際效果，又能反映減阻劑的使用所帶來的經濟效益，可同時滿足管輸技術工程人員和生產管理者對評價方法的需求。因此，確定輸氣效率系數和流量反演求水力摩阻系數聯合評價法是評價減阻劑在管輸現場減阻效果較為合理的方法。

5減阻效果評價方法現場應用分析

根據新的減阻效果評價方法——輸氣效率系數和流量反演求水力摩阻系數聯合評價法，研發了一套用于天然氣長輸現場的減阻劑減阻效果評價軟 件。采用該軟件對某減阻劑在2013年現場應用試驗中的減阻效果進行評價，該輸氣管段鋪設于平坦地區，管段終點與起點的高程差可忽略不計。軟件的評價結果如圖3∼圖6所示。圖7為中國石油管道科技研究中心于2009年采用改進前的流量反演法求水力摩阻系數評價法對該減阻劑在同一管段減阻效果的評價結果。鑒于計算管段處于平坦地區，采用改進前的評價方法是可行的，故以下計算結果具有較強的可借鑒性。如表3、圖3和圖7所示，將軟件評價結果與舊評價方法的計算結果進行對比分析，可得：

（1）兩者計算得到的加劑前后管道水力摩阻系數隨時間的變化規律是一致的：加劑后，管道水力摩阻系數明顯降低，且隨加劑后時間的延長，水力摩阻系數逐漸增大，但是在30d的試驗周期內，仍保持良好的減阻效果。此外，考慮到兩次減阻劑現場應用試驗過程中，現場清管強度、減阻劑加劑裝置等不同因素對減阻劑減阻效果的影響，可認為兩者分析結果是較為一致的，說明該評價軟件具有一定的可行性與可靠性。

（2）結合現場實際情況，為方便判斷應用減阻劑后的清管周期，文中加劑前水力摩阻系數選用的是清管后的相關數據，而舊評價方法選用的是清管前的相關數據，因此，兩者計算得出的減阻率和增輸率有一定的出入。

（3）與舊評價方法相比，軟件不僅從加劑前后管道水力摩阻系數及減阻率變化規律角度分析了減阻劑的“減阻”效果，也從管道輸氣效率系數及增輸率的角度分析了減阻劑的“增輸”效果，說明軟件的分析結果更為全面，且增輸率的分析結果可直接應用于減阻劑應用經濟效益的計算，更能滿足現場工作人員對評價方法的要求。

（4）軟件在使用過程中，操作簡單便捷，得到了現場工作人員的好評。

6結論

（1）分析并完善了國內外已有的3種減阻劑減阻效果評價方法。其中壓差評價法僅適用于平坦地區的輸氣管道，而流量反演法求水力摩阻系數評價法和當量粗糙度評價法經“因地制宜”方式完善后，可適用于各種地形條件下的管道。

（2）提出了兩種新的評價方法——輸氣效率系數評價法和能量法求水力摩阻系數評價法，補充和豐富了減阻劑減阻效果評價系統。其中，輸氣效率系數評價法可方便地應用于經濟效益分析，適用范圍廣，計算過程相對便捷，能量法求水力摩阻系數評價法考慮因素全面，公式表達準確，適用范圍廣，但方程組的計算較為復雜。

（3）與當量粗糙度評價法、壓差評價法相比，流量反演法求水力摩阻系數評價法更能科學反映減阻劑減阻機理，更受管輸現場工程技術人員的關注，而且比能量法求水力摩阻系數評價法的使用更為簡單便捷，輸氣效率系數評價法由于可方便地應用于經濟效益計算，更受生產管理者的關注。

（4）對5種評價方法進行模糊綜合評價，確定了采用輸氣效率系數和流量反演求水力摩阻系數聯合評價法是評價減阻劑在管輸現場減阻效果較為合理的方法。

（5）根據新評價方法，研發了一套減阻劑減阻效果評價軟件，評價軟件操作簡單易行，在現場應用中，新評價方法的計算結果符合現場實際工況，得到了現場工作人員的好評。

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作者：黃志強 馬亞超 李琴 王楠 常維純 單位：西南石油大學機電工程學院 中國石油管道科技研究中心