《集输管路上升管系统严重段塞流模拟研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集输管路上升管系统严重段塞流模拟研究（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国一l ：程热物理学会 学术会议论文 多相流 编号：0 5 6 0 7 0 集输管路上升管系统严重段塞流 模拟研究 王鑫，郭烈锦“ 。 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，7 1 0 0 4 9 ，西安 I b 活：0 2 9 8 2 6 6 8 7 6 9E n l a i l ：U g u o 圣m a _ 1 x j 【u e d u c n 蔓i 在严重段寒流实验裴置f 二研究表明，气泡进入上升管底部运动到出u 的过程中，J 二升管中气 泡头部以下流型为弹状流型s l u g n o w ) ，当气泡头部流出上升管后流型可看作块状流型( c h u m n o w ) 。 本文
2、给j U _ 采用漂移流模型简化计算上升管中两相流动，上游管道中气体膨胀满足质置守恒，间时 考虑上升管内液体动量守恒的严重段塞流计算模型。计算值与测量值比较表明，模型可以正确预测 出气体膨胀流动过程，气体流动时间不受入口气液流量影响。另外，模型可以准确计算出流动周期、 液寨长度和下倾管中液拄最大| 丈度等参数。 关t 词t 严熏段塞流；两相流；段塞流 中啊分类母t 5 0 文t 标硼 1 引言 在海洋油气工业中，经常遇到气液同时输送的情况。当海底的集输管路到达海洋 平台或上岸时，需要与上升管连接。在一定条件下，集输管路和上升管组成的系统中 会出现称为严重段塞流的有害流型。这种流型会产生一倍到数
3、倍上升管长度的液塞； 管道中的压力周期性变化；上升管出口的气液间歇流出，而且液塞速度远远高r 集输 管路中液体流速，同时气体会在短时间内高速喷出。因此，严重段塞流给设计和生产 带来不利影响。随着石油开采向深海区发展，这一问题将更加突出。 一些研究者对现场条件下集输管路上升管系统发生的严重段塞流规律做了分析， 如Y b c u m ( 1 9 7 3 ) ；F a 咖a l y ( 1 9 8 7 ) 。另一些研究者在小型实验装置上对这种现象进 行了模拟研究如S c h m j d t 等( 1 9 8 5 ) ：P 0 t s 等( 1 9 8 7 ) ；F a b r e 等( 1 9 8
4、7 ) ；H i l l ( 1 9 9 0 ) ； T 越t e l 等( 1 9 9 0 ) ；T e n g e s d a l ( 2 0 0 2 ) 。S c h m i d t 等( 1 9 8 0 ) 提出了一个简单的严重段塞 流计算模型，该模型中液体回流过程根据实验关系式简化计算。T a i 捌等( 1 9 9 0 ) 给 出了一个考虑液体回流过程的计算模型，模型中气体膨胀过程仅根据连续性方程计算。 本文结合实验研究，认为在气体流出上升管的过程中流型为弹状流和块状流裂变 化，气体的膨胀除应该满足质量守恒外，还必须同时考虑上升管内液体的动餐变化， 本文受国家自然科学基金重点项H
5、( N o5 0 3 2 3 0 0 1 ) 和卣J 二项日( N o 1 0 1 7 2 0 6 9 ) 资助 ”通信联系人 联立求解才能正确计算出气体流速和压力变化过程。 2 计算模型 X m - 陶1 管线上引管系统 多数研究者( S c h m i d t 等1 9 8 5 ：F a b r e 等1 9 8 7 ；1 撕t e l 等l 姻o T e n g e s d a l2 0 0 2 ) 认为，严重段塞流一个周期内的变化过程可以划分为四个阶段。结合本文的实验研究， 严重段塞流四个阶段的特征分别为： 阶段l ：液塞生长。上升管底部被液体堵塞岳，随着上升管液体回流及上游管道 来流
6、。液塞会向上游管道和上升管两个方向生长。管道中压力与上升管中液位都逐渐 增加。当液塞到达上升管顶部时下一阶段开始。 阶段2 ：液塞流出。随着气液流入，由于上升管中静压头已达最大值，上游气体 不再压缩升压，而是推动液塞流l 山。当液塞尾部到达上升管底部时就进入了阶段3 。 阶段3 ：气泡进入上升管阶段，液塞快速流出。当液塞尾到达上升管底部时，气 体会进入上升管并穿入液塞。这个作用以及上升管中液塞流出，会减少上升管中的重 位压头并造成剩余液体加速运动。当气体到达上升管顶时该阶段结束。 阶段4 ：气体喷出。管道中较高压力此时快速减小。初始气体速度很高，但随着 管线压力下降气体速度逐渐减小。当气体速度
7、减少到一定程度时，液体会向下回流并 在底部集聚，开始了新一轮严重段塞流周期。 分析可见，液体主要在第2 、3 、4 阶段中流出：气体主要在第4 阶段中流山。 为简化处理，假设严重段塞流四个阶段均处j 。准稳态变化。管路上升管系统的组 成如图1 所示，分别为：长度b 的水平管段；长度为三，的卜倾管段，与水平面夹角 口( 2 0 0 0 ：C = 0 0 4 6 ，”= 0 2 考察上游水平及F 倾管道内距入口长度z 气体所占空问，在打时间内因气体进入 上升管压力F 降，则造成气体膨胀，截面气体折算速度增大，可以得到关系式； 爿P ( r ) 寺= 一( ，一也) 鲁警+ ( 6 ) 即连续性方程
8、。 同时，上升管中液体在气体喷出过程中做加速运动，应满足动量守恒方程： P 。e P s p J ，g 毫H | d y = 豪毫p L H y ! ? 毋 其中尸k ，。为上升管底部压力，圪为上升管l _ J ：| 液体速度，假设等于上升管底部位置澎合 速度+ ，其中恒定。 当上升管内为弹状流对，方程( 6 ) 、( 7 ) 联立迭代求解； 当上升管内为块状流时，方程( 6 ) 、( 5 ) 联立迭代求解。 2 2 液体画流堵塞上升蕾和下饭管接头过程 严重段塞流第4 阶段当气体膨胀，压力下降剑一定程度后，气体质量不足以维持 进一步的膨胀，压力会增加从而导致气体停L t 膨胀，上升管中液体不再
9、受气体携带从 而出现向一F 回流，回流液体与下倾管中液体一起堵塞上升管底部。然后就开始进入下 一个循环。由上面部分计算过程，当岛。出现极小值后增大时，假设同流在瞬间发生 完毕，计算此时同流液体量： p ，o 2j ：。H L A d k + IH j 爿方 ( 8 ) 同理可以计算出水平及下倾管中气体体积砌屯，研究该体积的气体： 足。踟0 = 啪R 丁 ( 9 ) 当液体同流后压缩气体： 叫烨M h + 羔卜 由于液体回流时间极短，压力上升后压缩气体，可以忽略过程中入口气液流量。 同时由液体连续性： 鳖：y j Lf 】J ) 彳 s i n 口 由方程( 1 0 ) ( 1 1 ) 联立可计
10、算出回流后稳定的少，值。 严重段塞流第l 、2 阶段的计算可以采用相似的方法建立模型。 3 实验系统 实验在油气水严重段塞流实验系统( t 鑫等2 0 0 4 ) 上进行。实验系统包括油气水 输送系统、油气水单相计量系统、实验管道系统、油气水分离系统、仪表测鼙系统和 数据采集处理系统。自来水经多级离心泵加匿后由电磁流量计( 精度0 5 级) 计量； 油品经齿轮油泵加压后由M i c mM o t i o n 质量流量计( 精度O 1 级) 计量；空气由螺轩 压缩机压缩到8 b a r 后进入储气罐，然后经数字式漩涡流量计( 精度1 级) 或孔扳流最 计计量后进入混合器。气液在混合器中混合后进入
11、实验管道，在混合器的出口气液尽 量保持分层流动。两相流体先流过水平和倾斜管道，然后进入垂直上升管，在管道出 口混合物进入气液分离器，分离后空气摊空，油水流入液液分离器，油水分离后分别 流回油箱和水箱循环使用。实验管道为内径D = 5 0 m m 的不锈钢管。上升管前的水平和 倾斜段全长1 3 3 米，倾斜管长约1 9 m ，其与水平面夹角可在- 5 。到O 。之间调整。上升管 的高度随倾斜段角度变化而变化，当倾角时，上升管高1 5 3 m 。本文实验介质为空 气一水，F 倾管道倾角2 。 4 结果分析 图2 是某入口气液流量下实验和模型分别得出的上升管底部压力变化。可以看出， 模型计算的压力变
12、化趋势与测量值基本上一致，尤其是第3 、4 阶段的气体进入上升管 流动的压力F 降过程完全相同。但是实验发现上升管底部压力的极小值远小于计算值， 分析认为这是由丁上升管内液体同流时瞬间自由落体运动引起重位压降消失引起，不 过模型中的准稳态假设忽略了该过程。因此计算的压力极小值较高，但与实验测量的 同流后稳定的压力值相同，说明模型正确预测了气体膨胀流出过释。图中可以看出计 算的周期稍大于实验值。陶3 是下倾管内液面距上升管底部长度计算值的变化，可阻 看出，当气体流出过程结束后，液体网流堵塞上升管底部，下倾管内液柱K 度突然增 加。然而流动进入第1 阶段，此时由rj 二升管内液位上升，管道内封闭气
13、体乐力增火， 气体压缩造成体积减小，可以看：J jr 倾管内液柱长度增人。当液塞流山上升管时，进 入第2 阶段，此时厍力不雨嘎显增人，随着入口气液流八，管内封闭气体的体积增人， 可以看出r 倾管内液牲| 丈度减小。当液柱消火，气体进入上升管底部的时候，就进入 了第3 阶段开始，卜一个循环。 图2 ，j ：升管底部压力的计算和实验值变化 图3 下倾管内液面距上升管底部长度计算值 图4 气泡进入j ：升管运动的头部位置计算值 例5 上升管内渡位高度计算值 图4 是计算的气泡进入上升管厉头 部的气液界面运动过程，可以看出气泡 头部的运动速度快速增大，仅仅经过几 个气弹的流动，在短时间内液柱被推出 管
14、道，当头部运动到上升管出口后，气 液进入短时的剧烈搅动流动，该阶段流 型复杂，但总体上可看作块状流型。当 气体停l r 膨胀后液体同流，圈中参数同 复剑O 。 幽5 是计算的上升管内液何高度变 化情况。当液体同流时，上升管内气液 混合流体快速分离，气体向l 流出，液 位快速卜降。然后进入第l 、2 阶段，随 着气液流入，液位逐渐升高，当液塞流 幽6 卜升管顶部持液：簪实验值 出管道时，液位高度恒定。随着液体流出，下倾管内液位下降，气体进入上升管，随 着气体的快速膨胀流出，液体回流后液位即快速下降。图6 是实验测量的上升管出口 、附近局部持液率变化情况，与图4 、5 的计算值对比表明，模型基本上
15、预测出了上升管 内流动情况。 表r 中给出了多组气液流量下严重段塞流型的实验和计算的参数比较。分析表明， 预测的流动周期f 与实验值的相对误差平均僮为2 ，相对误差绝对值平均为1 1 | 3 。 实验的气体流出时河，j + “平均值为2 0 秒，计算值平均为1 4 8 秒。预测值小于实验值， 但两者都与入口气液流量关系不明显。s c h m i d t 等( 1 9 7 9 ) 也报道了同样的结论，实 验得到的时间约为1 0 秒。实验铡量的液塞长度和和下倾管内液柱长度晟大值与计算值 都非常接近。 表1 严重段塞流实验和模型计算值比较 实验值 计算值 V s 乙V s o o “s e c )l
16、 一“( s )厶( m )z 。一m )| ( s e c )f j + “s )s ( m )z 。甜( m ) O | 0 1 1 63 8 2 3 1 9 93 7 9 61 1 5 5 3 5 31 6 5 73 5 01 0 4 O 1O 1 62 8 3 41 6 62 7 3l O 。52 6 8 1 1 6 - o 2 6 89 2 5 O 1O 2 7 32 2 1 1 6 52 2 7 6】0 4 7 1 9 1 7】5 】1 9 29 O O 1O 4 1 81 8 3 11 9 51 8 4 78 6 51 3 81 4 5 51 3 88 6 0 1 0 7 21 1 0 2 2 21 0 7 1 5 8 59 1 61 4 59 | 6 5 9 5 0 11 O 7 8 92 5 78 1 14 9 77 3 8 1 4 0 7 3 84
