中国石油天然气管道工程有限公司

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380×108m3。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Qt与Qmax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[8-11]。

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）。

定义δi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。

式中δi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。

表1 分析方案汇总表

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%。

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3 异侧进出各备用方案流量分配统计表

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。

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）。

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）[18-20]，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3 黑河首站计量区安装示意图

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。

图4 工况5系统压力分布云图及截面A、B位置示意图

图5 工况5下支路6沿线压力值图

图6 工况5下支路6局部流速分布云图

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。

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。

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

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。