深水管汇温压一体变送器安装方式优化.pdf

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1、化工自动化及仪表第42卷深水管汇温压一体变送器安装方式优化闫嘉钰(中海油研究总院深水工程重点实验室，北京100028)摘要针对深水管汇关键工艺参数的采集问题，采用Fluent流体仿真软件对管道内多场耦合问题开展研究。基于我国首台深水管汇样机的温压一体变送器及其安装方式，结合深海环境参数和实际生产工况，分别在3种安装方式下，对南海某深水气田最大产气年配产数据进行仿真。通过仿真结果对比分析，提出传感器优化安装的方案和建议，以便改善测量精度，延长使用寿命，提高可靠性。关键词深水管汇温压一体变送器安装优化中图分类号

2、TH863文献标识码B文章编号1000．3932(2015)12．1374-04目前陆上常规油气资源出现持续性衰竭和新探明储量不足的趋势，因此海洋油气资源开发成为世界各国的投资重点。全球海洋油气资源分布不均，70％以上蕴藏在深水、超深水海域。深水油气资源可通过水下井口、水下采油树、水下跨接管、水下管汇及海底管道等关键设备构成的水下生产系统实现远距离输送。作为深水、超深水油气田开发的重要模式，水下生产系统已广泛应用在墨西哥湾、巴西及西非等区域的众多工程项目⋯。随着回接距离的增加，水下生产系统管道的流动安全风险

3、大幅增加。由流动安全问题导致的管道堵塞及断裂等事故所引起的停产损失、维修和治理环境污染代价极高。因此提高水下生产系统的可靠性，保障其长时间免维护无故障运行，保证系统的完整性，确保环境安全成为水下生产系统关键设备设计的重中之重。流动安全问题的解决依赖于准确获得水下生产系统管道关键位置处的工艺参数，如温度和压力。目前陆上和海洋平台管道上传感器的主要安装方式有套管式旧J、非接触式"1和埋地探针式H]3种，受限于水下生产系统所处海洋环境和系统清管要求，均无法使用。因此水下生产系统传感器同管道采用管座一法兰式安装，管

4、座、法兰构成的支管同主管道轴线垂直，传感器法兰通过螺栓与支管法兰连接。安装方式对管道内流场、压力和温度场的影响，能直接影响测量精度和传感器寿命，并最终影响整个水下生产系统的安全可靠运行。目前水下设备设计过程均未对该问题进行深入研究。结合“十一五”国家科技重大专项完成的国内首台自主建造的深水管汇样机，对水下温压一体变送器(PressureandTemperatureTrans—mitter，PTT)的安装方式进行建模分析和优化，为水下设备产品设计提供参考。1问题分析和简化根据帕斯卡定律，流场基本稳定时，局部连

5、通区域内任意位置液体压力在各方向上均相等。因此仅针对温度测量进行研究。水下管汇测量用支管和主管的安装方式，内轮廓形状对流道流场具有影响。流场对传热产生影响，最终影响流道温度场分布。流体温度变化反过来影响流体物性，并进一步影响流道内流场。因此温度测量需要对流道内流体流动、温度耦合场进行分析。该问题的主要影响因素关系框图如图1所示。图1仿真影响因素关系框图对多场耦合问题进行理论推导难度过大，且无法获得管汇样机内部流场每一时刻各点的实际收稿日期：2015—10-21(修改稿)基金项目：“十二五”国家科技重大专项“

6、水下生产技术”课题(2011ZX05026-003)第12期闫嘉钰．深水管汇温压一体变送器安装方式优化参数。为便于研究，选用流体专用计算软件Flu-ent进行仿真研究。2建模假设深水管汇样机针对南海某大型深水气田设计。为保证仿真结果的真实性和可靠性，各项参数采用该深水气田实际数据。根据该气田多相产物组分和气田配产情况，通过hysys仿真计算得到井口温度、压力、流速、密度及热导率等参数。为突出主要影响因素，在保证所需仿真精度的前提下，作如下简化：a．仅针对管道对称面进行二维仿真；b．管汇出口温度测量点距井口距

7、离较近，忽略产物输送过程中的物性变化；c．海水环境温度取管汇所处水深常年温度均值3．00C，视海水环境为恒温热库；d．忽略管道附近海水热对流和管道向外热辐射，仅考虑管道热传导；e．管道、管座、法兰材料为均质碳钢，忽略焊缝影响；f．为避免管道长度影响，以支管中轴线为界，主管入口方向取大于10倍法兰内径，出口方向取大于5倍法兰内径；g．湍流模拟采用目前使用最为广泛的k-8模型。仿真模型如图2所示，管道、管座和法兰壁定义为固体区域，限制流体流动。其内部区域定义为流体区域。管道、管座和法兰内壁定义为热传导边界。法兰

8、表面、管道4个侧壁(红线部分)定义为绝热边界。管道、管座和法兰外表面定义为恒温边界，主管内流体的温度经固体区域传导后在该边界同外界海水进行热交换。主管左侧人口定义为速度入口，规定流体流速；主管右侧出口定义为普通出口，不进行限制。入图2仿真模型简图3仿真和结果分析分别对管汇样机实际方式、支管向来流方向倾斜45。、向去流方向倾斜45o这3种安装方式进行仿真，对结果进行汇总分析。为统一计算参数，使仿真结果具有可比性，采