（油气储运工程专业论文）复杂地表条件下天然气集输管线积液规律研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn a t u r a lg a si n d u s t r y , m o r ea n dm o r eg a sp i p e l i n e sw e r e a p p l i e d ，a tt h es a m et i m e ，t h el i q u i dl o a d i n gi np i p e l i n eg e t sm o r ea t t e n t i o n 。t ou n c o v e rt h e h y p o s t a s i so ft w o - p h a s eg a s - - l i q u i df l o wa n dt ok n o wt h er u l eo fl i q u i da c c u m u l a t i o ni ng a s p i p e l i n e ，w es h o u l ds t u d yt h et h e o r e t i c so f t h em u l t i p h a s ef l o w ，a n de x p l o r et h em e c h a n i s mo f t w o - p h a s eg a s - l i q u i df l o w j u d g i n gt h ef l o wp a r e mi sa ni n d i s p e n s a b l ep r o b l e mf o rs t u d y i n gm u l t i p h a s e b a s e do n t h ej u d g m e n tf o r m u l a so ff l o wp a t t e r no fb a k e r ，m a n d h a n e ，b r i l l ，w e i s m a n ，t a i t e l ，u s et h e l l i g hp o w e ri n t e r p r o l a t i o np o l y n o m i a lt or e g r e s st h ec u r vi nt h ef l o wp a t t e mc h a r t i no r d e rt o u s et h ef l o wp a r e mi nc o m p u t e r b ya n a l y z i n gt h eg a so rl i q u i dv e l o c i t y ，v i s c i d i t yo fl i q u i d ， d e n s i t yo fg a s ，p i p e l i n ed i a m e t e ra n do b l i q u i t yo fp i p e l i n ee t c ，w ec a ng o tt h ee f f e c t i n g b e h a v i o ro fe a c hf a c t o rt ot h ef l o wp a t t e m i nt h ep a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ef l o wp a r e r nm e c h a n i s mo fs t r a t i f i e d ，s l u ga n d a n n u l a rf l o w e s t a b l i s h e dm o d e lf o rc a l c u l a t i n gl i q u i dl o a d i n g ，a n db r o u g h tf o r w a r ds o l v i n g m e t h o d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e xh i l l y - t e r r a i np i p e l i n e ，c l a s s i f i e dt h ec o m p l e x h i l l y t e r r a i np i p e l i n e ，a n ds u m m a r i z e ds e v e r a lk i n d so fs i m p l eh i l l y - t e r r a i np i p e l i n e s u mu p t h er u l eo fl i q u i dh o l d u pi ns i m p l eh i l l y t e r r a i np i p e l i n e ，b yp i p e p h a s ea n dt h em o d e lf o r c a l c u l a t i n gl i q u i dh o l d u pr e s p e c t i v e l y f r o ma b o v e ，k n o wt h a tt h ea n g l eo fp i p e l i n eh a sv e r y l i t t l ee f f e c tt ot h ea v e r a g el i q u i dh o l d u p ，b u tv e r yd i f f e r e n tf r o mt h eh e i g h td i f f e r e n c eb e t w e e n t h eh i g h e s tp o i n ta n dt h el o w e s tp o i n ti np i p e l i n e ，w h i c hh a sm o r ee f f e c t i o no nt h ea v e r a g e l i q u i dh o l d u p a c c o r d i n gt ot h er u l eo fl i q u i dh o l d u pi ns i m p l eh i l l y - t e r r a i np i p e l i n e ，d e v e l o p e da m e t h e dt op r e d i g e s tc o m p l e xh i l l y t e r r a i np i p e l i n ef o rc m c u l a t i n gt h el i q u i dl o a d i n g b y s i m u l a t i o n ，w ec a np r o v et h a tt h i sm e t h o dh a sv e r yl i t t l ee f f e c to nt h ec a l c u l a t i n gi q u i dl o a d i n g o faw h o l ep i p e l i n e i t se r r o rw a sa c c e p t e db yp e o p l ei np r o j e c t ，a n di tw a st h es a m ew i t hs o m e o t h e rm o d e l sf o rc a l c u l a t i n gl i q u i dl o a d i n g t h a tm e t h o dw a sp r o v e dt h a ts t i l lh a sv e r y e x t e n s i v ea p p l i c a b i l i t yi np i p ed i a m e t e r , q u a n t i t yo fc u r r e n t ，a n dl i q u i d g a sr a t i oe r e k e yw o r d s ： f l o wp a t t e r nt h er u l eo f l i q u i dl o a d i n g f l o wm e c h a n i s m l i q u i dh o l d u pc a l c u l a t i o n p i p e l i n ep r e d i g e s t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所早交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文 中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人 已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的 学位或学历证书而使用过的材料。与我一同上作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了 明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：! 垫垦堕 日期：少矽，年矽月四日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电 子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论 文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：翌垦堕 指导教师签名：二尊r 名结 日期： 日期： 册 碲 幸其哩b 纱月哆日 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 课题研究的意义 第1 章前言 气田集输系统是由井口至处理厂之间的气田内部集气管网、井场、集气站等组成， 该系统通过集气管网将井口天然气收集起来，经过预处理后送给其后的气体处理厂。气 田集气工艺中主要分干式和湿式两种，国外气田通常采用湿气输送工艺，这类做法在国 外一些气田已成功应用了数十年。由于在矿场条件下，利用一根管线对油气进行混合输 送在经济上要显著优于利用两条管线来分别输送气相和液相，湿式集气工艺的应用越来 越广泛。在海洋石油开采中，采用气液混输技术可以大大减小海洋平台的面积和建造、 操作等费用，具有显著的经济性。在长输管道中，采用多相流技术可以简化流程、缩短 集输工程设计和施工时间、降低投资、提高油气田丌发的经济效益。 四川普光气田是我国迄今为止规模最大、丰度最高的特大型整装海相气田，为目前 我国第二大气田。普光气田的开发和川气东送天然气管道工程的建设，对于缓解我国天 然气供求矛盾，完善天然气管道布局，具有十分重要的意义。但是，由于普光气田地处 青藏高原与四川盆地的过渡地带，受地质结构和岩性的控制与影响，地貌差异明显，地 形复杂多样，山、丘、坝皆有，给井场集输系统的建设和运作带来很大的麻烦。其中， 管线积液是集输系统里面临的最严重的问题。 此外，在沙漠地区由于地貌特点，油气输送管道起伏变化较多，而一些海底及陆地 上的长距离油气输送管线，由于所跨越的地理位置较广，受地理高程的影响，管路沿线 起伏不定。地形起伏对多相管路的流动特性参数、流型和流型转换、持液率以及压降等 会产生很大的影响i i i 。油气混输管线进过地形起伏地区时，管内液相极易在管线低洼处 积聚，引发诸多问题，影响管线的正常运行。 多相混输管线运行过程中，突出的问题是管线积液和内腐蚀。管内积液的存在可能 会引发以下问题： ( 1 ) 液体聚积在管线的低点处，降低了气体的有效输送截面积，导致管输效率降 低； ( 2 ) 管线过流面积减小，输送阻力增加，导致单位长度管线压降增大，增加了动 第i 章前言 力消耗； ( 3 ) 在一定温度条件下会形成水合物，造成冰堵事故； ( 4 )由于积液的存在，起伏管路的末端还会形成段塞流，当液塞体积超过下游处 理设备的容量时，给正常生产带来了困难，严重时会导致停产。段塞流的产 生还会引起管线中较大的压力和流量波动，对管线造成冲击和振动，引起管 线破坏。 ( 5 ) 输送天然气的管道中积液的产生还会导致管线腐蚀加剧，降低管道的使用寿 命。尤其是高含硫和二氧化碳的气体，积液的存在会加速管线的电化学腐蚀， 易造成管线穿孔，给管道的正常运行带来极大的危险。 目前，国内外对于复杂地表条件下的天然气集输管路的积液规律还没系统开展研 究，而普光气田的开发正好面临这样的问题。因此，开展天然气集输管路积液规律研究， 探索复杂地表条件下的管内积液变化规律，寻求合理的积液防控措施，对于地处复杂地 形的气田集输系统的设计及安全、高效运行具有重要意义。 1 2 国内外起伏管持液率研究和发展现状 1 2 1 管内气液两相流流型研究技术现状 起伏油气水多相管流的工艺计算主要包括流型预测、持液率和压降计算，其中流型 预测是计算持液率和压降的基础，因为管内流型的变化是管内气液相分布和变化状况最 直观的表现，并且关系到气相、液相和管道三者之间的相互作用和影响问题，与气液两 相流动压降和持液率的计算密切相关。因此，研究管内气液两相流首先考虑的问题便是 管内流型的判断问题。 根据气液相分布特点可以将流型分为：分离流、间歇流、分散流，而按照气液界面 结构情况又可以将流型划分为分层流、波浪流、气泡流、气团流、段塞流、环状流、分 散气泡流、弥散流。显然，后者的流型划分更详细，更有利于理论上深入研究多相流问 题。 对于流型判断的研究，b a k e r 最早于5 0 年代提出了- - n 通用于各种介质的水平流型 图，后来为了在计算机上进行方便判断，李占力( 1 9 9 4 ) 等人对b a k e r 流型图作了详细 研究，并用圆锥曲线和直线对各流型分界线进行了回归，得到了各流型的分界线，并且 2 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 提出了划分流型的算法i2 。g o v i e r ( 1 9 7 2 ) 根据在2 6 m m 管内空气一水系统上所得的实 验数据得出流型图，并且对于其它的气相和液相物质，可以通过g o v i e r 提供的气液流速 校正公式校正后来查阅g o v i e r 流型图。m a n d h a n e 则在自己的11 7 8 个空气一水的实验数 据基础上，参考其它作者的约4 8 0 0 个数据，绘制出了流型图，但是m a n d h a n e 流型图仅 对较小管径内流型的判定成功率较高。 以上是通过以实验数据为基础获得的流型图来判断流型，另外，为了更加准确的分 析和判断各种多相流参数与流型变化之间的关系，一些研究者们提出了用数学模型来判 别流型的方法。t a i t e l 认为以实验观察为基础的流型分解图缺乏理论依据，且没有全面 的考虑气液物性、管径、管路倾角等因素对流型转化的影响，应用时就可能产生较大的 误差，因此，他从流型转变的机理入手导出了流型转变的物理模型和计算公式，并绘出 了气液两相水平管通用流型图。另外，还有很多人在这方面做出杰出的贡献，如： b e g g s b r i l l 、c r a w f o r d & w e i b e r g e r 、m c q u i l l n a & w h a l l y e 、b a r n e a 、x i a o & b r i l l 等。x i a o & b r i l l 提出了适合于倾角为1 5 。范围内的流型判别方法，而b a m e a t 3 1 模型则能适合于任何倾 角下的流型判别。 1 2 2 气液两相流动中持液率的研究技术现状 两相流管道内的持液率计算是多相流研究中几个重要工艺参数之一。英国伦敦帝国 理工大学g f h e w i t t 教授指出，多相流研究方法可以分为两大类4 1 ： ( 1 ) 实验关联方法：将实验数据按照一定方式关联成经验公式，然后采用内插或 者外推的方法应用于实践； ( 2 ) 机理建模方法：根据多相流动的本质特征划分流型，针对特定流型建立数学 物理模型，利用实验方法建立结构方程式使模型封闭，然后应用所建立的模型解决实际 问题。 在多相流研究领域机理建模的方法已经逐渐成为主流，但是这种方法也存在一定的 限制，由于考虑了过多的影响因素，导致这种方法的计算公式和计算过程相当复杂，很 多情况下公式都不能证常求解，只有对模型做大量的简化以及借助一些相关参数的经验 公式来获得最终的结果。 在工程实际中，经验和半经验公式的应用依然非常普遍。常见的有：e a t o n 相关 第1 章前言 式f 引、h u g h m a r k 相关式阳1 、b e g g s b r i l l 相关式57 i 、x i a o b r i l l 相关式捧i 、m i n a m i b r i l l 相 关式l9 1 、m u k h e r j e e b r i l l 相关式0 1 、d u k l e ri i 相关式川。 1 9 6 4 年，d u k l e r 利用数据库中的数据，得出了截面含液率、体积含液率和雷诺数之 间的关系曲线图。1 9 6 7 年e a t o n 根据天然气一水在5 0 m m 和l o o m m 管内的持液率数据 得出了水平管持液率关联图，后来国内的喻西崇等人对该关联图进行了拟合，从而可方 便地实现用计算机进行持液率的计算。b e g g s b r i l l 提出了适合于起伏管路的持液率计算 相关式。1 9 8 7 年，m u k h e r j e e b r i l l 在对1 5 0 0 多组上、下坡管线的数据进行分析的基础 上，用回归方法得出了计算持液率方程。 杜克勒( d u k l e r ) 从a g a ( 美国煤气协会) 和a p i ( 美国石油学会) 的数据库中的部分水 平管持液率数据来检验l o c k h a r t 、h u g h m a r k 和h o o n g e d o o m 的持液率相关式，结果是 h u g h m a r k 模型的准确率最高。m a n d h a l l e 【1 2 j 根据加拿大c a l g a r y 大学多相流动数据库中 的2 7 0 0 个数据，检验了各种持液率计算模型，结果显示l o c k h a r t m a r t i n e l l i 模型和 h u g h m a r k 模型的计算结果误差最小，与d u k l e r 的比较结果基本一致。另外，m a n d h a n e 还根据各种相关式用于不同流型时的误差情况，提出了分别对不同流型采用不同的持液 率计算模型持液率计算法。另外，m a j e e d f l 3 1 也利用m i n a m i b r i l l 数据对各持液率相关式 进行了评价，其评价结果与前两者也基本一致。 1 2 3 复杂地表条件下气液两相流动持液率研究的现状 丘陵地形对管路的沿线布局产生了很大的影响，一方面管路随着当地地势的高低频 繁的发生剧烈的高程变化，另一方面管线的铺设角度又受到丘陵地形的坡度限制，且管 路倾角也可能会很大。而丘陵地区管道布局对流体流型特征又有非常明显的影响| l 川。对 于多起伏管道，常见的流态是分层流、泡状流、段塞流和环状流。在管道的下坡段，一 般为分层流，有时部分出现段塞流或泡状流；在管道的上坡段，主要是段塞流、泡状流， 有时也会出现环状流。 由于起伏管路中段塞流是非常常见的流型，且这种流型具有非常复杂的流动特性， 很多学者在研究中专门针对起伏管中的段塞流进行研究。r o t h e 和c r o w l e y ( 1 9 8 6 ) 1 1 4 1 等人在研究了上倾管和下倾管的段塞流特征后发现，在倾角为1 5 度和- 2 0 度之间的下倾 管段内仍然存在，但这种现缘仅仅在一个很小的表面气体和液体流速范围内才能观察 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 到。z h e n g ( 1 9 9 4 ) 和b r i l l l l 5 i 等人在研究起伏管路段塞流的流动特征时，将复杂的起伏 管路简化成许多个仅有一个上倾段和一个下倾段的管路来进行分析。s c o t t ( 1 9 9 0 ) 和 k o u b a l l 6 j 等人对段塞流经过起伏段时的特征进行了研究，发现段塞液膜区的厚度在转折 点前后发生了改变。a i s a f r a n 和s a r i c a i 1 等人的研究则证实了段塞在经过山谷地形的底 部时，液塞段长度会发生变化。 丘陵地形的存在还会导致两相流之问的互相作用力增加。在管道的下坡段，由于气 液分离而引起管道在上升段累积的静压能在下坡段不能得到有效的恢复，由此引起的滑 脱损失远高于水平管道内气液相问的滑脱损失。管道的起伏变化越多，高差变化越大， 对于管内的流体这种静压损失也就越严重。 很多研究者一直在研究水平管，或者单独的上倾管，或下倾管里的两相流的流动特 性，对复杂地表条件( 典型代表是丘陵地形) 下两相流特性的研究却较少，但丘陵地形 在油气混输管线的铺设中非常普遍博j 。 国际上对于丘陵地形的油气混输管线两相流动特征的研究开始的比较早，国内现在 也有很多学者早已开始研究这方面内容，但研究内容几乎都是针对管路压降损失的计算 方面，很少针对管内的积液问题，尤其是复杂地表状况下的天然气集输管线积液问题做 详细研究。 1 3 主要研究内容和目标 本文开展复杂地表条件下天然气集输管线积液规律研究的目的在于，通过对复杂地 形条件气液两相相管流流型判断，流型机理、不同流型中持液率的求解以及一些持液率 计算经验公式的研究，更深入地了解了气液两相流动的特性和规律，通过研究不同流型 的形成机理，建立不同流型下两相流动模型，并寻求合理的持液率求解方法，使用已有 的计算管内积液的软件对复杂起伏管路内的积液规律做出分析，并提出一种合理地计算 起伏管内积液量的方法，为油气田现场多相流管线的管理和设计提供服务。 本文研究的主要内容包括以下几点： 1 、流型是各种多相流工艺参数计算的基础条件，不同的流型条件下，管内各相的 流动行为及管内压降、持液率等参数的计算方法也存在很大的差异。因此，本文对多相 流流型的划分方法以及影响流型的因素做了研究和分析。 第i 章前言 2 、本文重点针对复杂地表条件下多相流管线内最易发生的几个主要流型( 分层流、 段塞流、环状流) 做详细分析，研究这些流型的形成发展机理，从基本的连续方程和动 量守恒方程出发，在前人研究的基础上针对不同流型组建合理的数学模型，并重点研究 持液率的求解方法。 3 、天然气集输管线内积液是一个影响油气田生产安全的重要问题。本文针对影响 输气管线内积液率的各种因素进行了比较全面的分析，分析各种影响因素对管内积液的 影响规律。 4 、重点针对复杂地表条件下的输气管线积液规律做了分析研究。首先从简单起伏 管路出发，分析其管内持液率与起伏管特征参数之间的关系和规律；然后从这些基本规 律出发，分析总结出一种简化复杂起伏管路的方法；最后对这种地形简化方法的简化效 果作出验证，并对这种方法的适用性做简要分析。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章流型判断与影响因素分析 管内流型的变化是管内气液相分布和变化状况最直观的表现，关系到多相流工艺参 数计算公式的选取问题，是研究多相流问题的关键之。本章的重点是介绍气液两相流 动流型的分类和流型判断方法，并分析影响流型变化的因素。 2 1 气液两相流流型的分类 由于气液两相流的流型直接关系到流体的能量损失机理以及各相流动特性，因此对 流型进行划分是进行两相管路工艺计算的基础。 ( 1 ) 水平流动的流型 水平管和微倾管内( l 。) 的流型，比起垂直流动的流型要复杂一些，其原因在于 重力作用垂直于流动方向而不足平行于流动方向，引起了流动的不对称性。这就使得较 重的液相趋于聚集在流道的下部，使两相流的流型变得复杂化。 表2 - 1 水平管内流型 t a b l e 2 - 1f l o wp a t t e r ni nh o r i z o n t a lp i p e 流犁名称特征 泡状流在泡状流动中，气相以分离的离散气泡散布在连续的液相中，气泡趋向于沿 ( b u b b l yf l o w ) 管道上半部流动，这种流型在含气率低时出现。 气团流随着气量的增加，形成较大的气团，在管路上补同液体交替地流动，其连续 ( p l u gf l o w ) 相中不含小气泡，气团前后的液塞使管壁周期性地润湿。 分层流两个相的流动被一层光滑的分界面隔开，气相在上部液相在下部流动，这只 ( s t r a t i f i e df l o w ) 有在液相和气相速度很低时才出现。根据气液界面的运动特征又可分为光滑 分层流和波状分层流。 波状流当气体流速增人时，在气液分界面上掀起扰动的波浪，分界面由于受剑沿流 ( w a v yf l o w ) 动方向运动的波浪的作用而波动不止。 段塞流 当气体流速更高时，分界面处的波浪被激起与管道上部管鼙接触，并形成以 ( s l u gf l o w ) 高速沿管道向前推进的弹状块。包括k 泡状流和弹状流两种。 环状流当气体流速继续再升高时，就形成气核和环绕管周的一层液膜，液膜不一定 ( a n n u l a rf l o w )连续地环绕整个管周，受重力的影响，管子下部的液膜较厚，在气芯中也夹 带有液滴。 弥散流当气体的流速更人时，环状液层被气体吹散，以液雾的形式随高速气流向前 ( s p r a yf l o w ) 流动。 ( 2 ) 垂直流动的流型 第2 章气液两相流流型的分析与判断 垂直管与水平管内流型的最大差别是，垂直管内不出现分层流和波浪流。 表2 - 2 垂直上升管内流型 t a b l e 2 - 2f l o wp a t t e r ni nu p w a r dv e r t i c a lp i p e 泡状流 当气液两相混合物含气率较低时，气相以分散的小气泡形式分布于液流中， ( b u b b l yf l o w ) 在管子中央的气泡较多，靠近管壁的气泡较少，小的气泡都近似球形。 段塞流 随着含气率的增加，小的气泡聚合成人的气泡，其直接接近管子的内径，气 泡占据了大部分管子界面。在液塞和管壁之间是一层缓慢向下流动的液体 ( 或称弹状流) 层，其中也可能有一些小气泡，在两个气弹之间夹杂着一些小气泡而向上流 ( s l u gf l o w ) 动的液流。 块状流 这种流型同段塞流有些类似，只不过更加混乱，流动的规律性更差。t a i l o r 气泡变窄，形状更不规则，液塞内液相的连续分布被气泡合并破坏，下降液 ( c h u mf l o w ) 膜消失。 环状流 当含气率更大时，气塞会合成气柱在管道中部流动，液体则沿着管壁成为一 流动的液环，这时管壁上有一层液膜，通常有一些液体被夹带。当气相夹带 ( a n n u l a rf l o w ) 显著时，气相中的液滴形成丝状，为液丝环状流( w i s p y - a n n u l a rf l o w ) 。 表2 - 3 垂直下降管内流型的划分 t a b l e 2 - 3f l o wp a t t e r ni nd o w n w a r dv e r t i c a lp i p e 降膜流 液相贴着管壁成膜状向下流动，气相在管道中心，此时液膜中不含气泡， 气相中也不含液滴，气相和液相流速都较低，液膜是靠重力驱动向下流 动。 环状流 降膜流中的气相速度继续增大，贴肇液膜的波动加剧，部分液体被高速 运动的气体携带进管道中心的气核中气核中的液体呈液滴弥散状分布或 形成k 长的液条。 弥散泡状流 通常发生在较高液速和低气速时，气相形成半球形的气泡，一个接一个 地在管道的中心向下流动。 长泡状流 也叫塞状流，下降流动中的长泡状流与弥散泡状流相似，但气泡要大得 多，几乎占据了整个管道截面。 弹状流 下降管中的弹状流的发生区域很小，液弹之间的大气泡形状不规则，液 弹段中的液体被拉长，夹带的气泡人小、形状不规则，有时这些小气泡 合并成较大的气泡。 块状流 发生在较高的气速和液速时，液相成团或成条往下落，形状不规则，象 泡沫一样流动。 ( 3 ) 倾斜管中的流型 由于气液两相流的流型直接关系到流体的能量损失机理以及传质传热特性，因此对 流型进行划分是进行两相管路工艺计算的基础。两相流的流型划分按照管路铺设倾角的 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 不同可以分成三类( 水平流动管、垂直流动管、倾斜管) 研究。在这三类中以水平流动 管内流型最多。但由于实际的生产现场中绝大多数的管线都不是完全水平的，并且在一 些地形复杂的地区管线的倾角也会有很大的变化，倾斜管中的流型是应该重点研究的流 型。 在复杂地表条件下，天然气集输系统的管线内存在的主要流型有：分层流、间歇流、 环雾流。首先，在起伏管路沿线存在大量的下倾斜管段，而管道下倾极易诱发管内流型 改变为分层流；其次，在一些管路倾角较小的管段，由于绝大多数天然气集输管线内的 气液比较高，流速较快，因此，管内很少形成分散气泡流，而是多形成环状流或弥散流； 另外，在一些大角度长距离的上倾管段，液相可能出现倒流并在上倾管段的底部聚集， 于是管道底部的气体流速增大，滞液能力增强，使山坡段含液率大幅增加，极易诱发段 塞流。 倾斜管道流型具有以下特征： ( 1 ) 分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感，管路向下倾斜时很容易产生分层流， 上倾时则易产生间歇流。 b a r n e a l 3 1 等人研究空气一水两相倾斜流动的实验结果表明：上倾角为+ 0 2 5 。时分层 流范围就显著减小，下倾时分层流范围扩大。分层流和间歇流之间的边界位置是根据 b a r n e a 等人的实验结果，并把它作为倾斜角度的一个重要函数标志，倾角只有0 2 5 。时 即有显著影响。 ( 2 ) 管路倾角对分散气泡流间歇流和间歇流环雾流过渡的影响不大。 在b a r n e a 等人的研究结果表明，间歇流与弥散一气泡流和环状流与间歇流之间的 边界位置对管子方位的感受是相当不灵敏的。在b a m e a 等人所研究的倾角范围内，随 着倾角的变化，间歇流与弥散一泡状流之间的边界位置没有显著的变化，而且间歇流与 环状流之间的边界位置也相对的不受影响；而由于倾角改变所引起的主要变化是间歇流 区本身范围的变动。 2 2 气液两相流流型图判断法 对流型的判断常采用的方法有：流型图判断法和经验公式法。应用较为广泛的流型 图有b a k e r 流型图、m n a d h n a e 流型图、g o i v e r 流型图等。 9 第2 章气液两相流流型的分析与判断 2 2 1 b a k e r 流型图 贝克采用埃尔乌斯流型分类法提出了一幅通用的水平流型图。图2 1 的纵坐标以 g g 彳秒表示，横坐标以g i o g g g 表示。参数0 和、i ，分别定义为： 0 = , q 五- - g , a t 。 沙= 昔 ( 等 ( 鲁 2 i = 卫# 卜( 击) 2 i 式中：g 一管路条件下气体对空气的相对密度； ，一管路条件下液体对水的相对密度； 盯。一水的表面张力， 吼= 7 3 1 0 _ 2 n m ； q 一液相的表面张力，n m ； 。一水的粘度，取1m p a s ； ，一液相粘度，m p a s 。 1 0 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 中国秭油大学( 华承) 硕士学位论文 2 2 2 g o v i e r 流型图 图2 - 1 贝克流型图 硒薛- 1 b a k e rf l o wr e g i m em a p g o i v e r ( 1 9 6 2 ) 根据其早期在2 6 m m 管内所得的空气一水系统的数据整理得出的流型 图。由于实际的流型转变过程是一个渐进的过渡过程，因此流型之间的划分线是以带有 宽度要求的阴影线表示，阴影线宽度约为流动速度的士1 0 。在绘制流型图时参考了持 液率由于流型变化所产生的变化转折点。除了团状流到环雾流和气柱流到气泡流的划分 线外，其余划分线对2 6 m m 管内空气一水的流动是比较精确的。对于其它物系的流型判 断，g o i v e r 建议用物性参数x ，y 来校芷气液流速，然后用经校正后的气速云二路和液 速二订来查阅g o i v e r 流型图。 第2 章气液- 两相流流型的分析与判断 1 0 0 们 j 1 0 萝 型 蜊 1 酥 辖 罂 楚0 】 o 0 1 分散气泡流 l ， 气柱 夕 匦状 l， 、1 l 浪 环雾分层 i 励 f ll o1 0 0 1 0 0 0 气相折算速度w s g ，m s 沾( 彘卜 协3 ， 乐r 他l 1 t f f 6 j 1 7 2 t 4 j r ( 2 - 4 ) 式中：g 一表面张力，n m o 以，乃一分别为气、液相重度，k m 3 ； v 踞，一分别为气、液相折算速度，m s 。 2 2 3m a n d h a n e 流型图 1 9 7 4 年，m a n d h a n e 等人用自己在空气一水系统测得的实验数据结合参考其他研究 者的一些数据，提出了m a n d h a n e 流型图，如图2 - 3 所示。图中横坐标为气相折算速度， 纵坐标为液相折算速度k 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 3m a n d h a n e 流型图 f i 9 2 - 3 m a n d h a n ef l o wr e g i m em a p 另外，m a n d h a n e 等人通过实验对他在绘制流型图时使用的全部数据进行了判定成 功率分析，并特别针对空气一水系统的数据做了对比，如表2 - 4 所示。 表2 _ 4m a n d h a n e 流型图判定成功率 t a b l e2 - 4s u c c e s sr a t eo fm a n d h a n ef l o wr e g i m em a pi nj u d g i n gf l o wp a t t e r n 全部数据空气水系统 流动型态实验次数判定成功率实验次数判定成功率 气团液 7 5 85 0 51 28 3 3 波状流 3 9 77 2 52 2 97 8 6 分层液 7 8 35 0 21 6 27 1 6 冲击波 2 0 2 07 1 44 5 37 9 7 环状弥散流 1 7 4 68 4 83 2 09 2 8 气泡流2 3 l o o 2 0 0 总成功率 6 7 28 1 8 由表2 4 可见，m a n d h a n e 流型图全部数据的判断成功率已经比较高，尤其是使用 空气一水系统的数据在流型判断上具有很高的成功率。 第2 章气液两相流流型的分析与判断 2 3 气液两相流流型经验公式判断法 2 3 1 t a i t e l 流型划分法i 9 1 t a i t e l 把两相管路分为五种流型，即：分层光滑流、分层波浪流、间歇流、环状液 雾流和分散气泡流，如图2 4 所示。其中：曲线a 、b 的纵横坐标为f 和x ，曲线c 的 纵横坐标为k 和x ，曲线d 的纵横坐标为t 和x 。 1 0 0 0 0 1 0 0 0 殛1 0 0 lo l 0 0 0 10 0 10 1 i 1 0 1 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 1 ) 分层流转变为间歇流或环雾流的判别准则 f 2 陆鼍 协5 ， 满足上式的流型为间歇流或环状液雾流，不满足上式则为分层流。在判断过程中要 首先求出分层流液面高度h ( 或液面无量纲高度啊d ) ，再求出气、液相过流面积以及 上式中各参数。 式中，f 为修正的弗劳德数，可由下式求得： f = c 2 为系数，可用下式估算： 羔( 2 6 ) , d g c o s o c 2 = 1 一h l d 1 4 懈k 1 0 l o o l ik m m m 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 式中：d 一管内径，m ； 厩一假想的液膜的高度，m ； 0 一管线倾角，( 度) ： w 毫一气相平均速度，m s ： w s g 一气相折算速度，m s 。 以上准则是t a i t e l 利用非粘性理论推导而来的，它只适用于低粘性流体1 2 0 1 ，因此， 对于粘性不能忽略的石油工业，泰特尔判断准则适用的分层流范围过小。 2 ) 间歇流转变为环状液雾流的判别准则 t a i t e l 建议用厄d = 0 5 作为间歇流和环雾流的分界准则。对于水平管路，由 啊d = 0 5 可推出洛一马参数x = i 6 。因此，若满足方程啊d i 6 ，则为间歇流。同理可求出倾斜管线内的x 值用以判定间歇流和环 状液雾流之间的转换。b a r n e a 等人认为t a i t e l 未对液体的段塞体内的气体空隙率的影响 加以考虑，故进行了修正，其判别式为： 豇d o 3 5 ( 2 - 7 ) 满足式( 2 2 7 ) ，流型为环状流，否则为间歇流。 3 ) 分层光滑流转变为分层波浪流的判别准则 k = ( 2 8 ) 吃观 一 式中，k 为修正的弗劳德数也改液体表现雷诺数的平方跟的乘积，即： 如 = 南降 咋为液相粘度，s 为函数，宾杰明( b e n j a m i n ) 根据实验结果提出其范围在0 0 1 到0 0 3 之间，t a i t e l 建议s 取0 o l 。满足式( 2 8 ) ，流型为分层光滑流，否则为分层波浪流。 4 ) 间歇流转变为分散气泡流的判别准则 当管内液面较高，接近管顶，而且液体的紊流脉动十分激烈，足以克服使气体存在 于管顶处的浮力时，气体就有同高速流动的液体混合的趋势，流型就由间歇流转变为分 散气泡流。其判别准则如下： 第2 章气液两相流流型的分析与判断 心 嘉 ( 2 9 ) 式中，n 为液相摩擦系数与雷诺数关系式的指数( 对于紊流n = 0 2 ，对于层流n = 1 o ) ， 其它的无因次量由t a i t e l & d u k l e r 模型求出。满足上式，流型为间歇流，否则为分散气 泡流，参数t 由下式给出： n 再( a 丽p a o , i ( 2 1 0 ) 其中，( d p l a o 为两相管路中只有液体单独流动时的压降。利用t a i t e l 流型划分法所 获得结果与m a n d h a n e 流型图相近似。但由于该方法更为全面地考虑了流型转变的因素， 并可根据管路的工作特性直接确定流型，因此更适合外推到一个比较宽的管径和物性范 围。 2 3 2b r i l l 流型划分方法 在油田集输系统中，严格的水平管路是很少的，研究管路倾角对流型的影响具有重要 的实用意义。b r i l l 用空气一煤油、空气一润滑油为介质，在管径3 8 1 毫米的管子内，进 行了倾角对流型影响的实验。通过实验，他得出一组无因次准数表示的、适用于各种倾角 的流型分界的经验公式，其形式为： 当0 0 ( 上倾管) ，气泡