（油气储运工程专业论文）海底混输管线严重段塞流的预测与控制.pdf

摘要 在海洋油气开采系统中，由于存在大量的输量变化、开井关井等操作，立管系统内 多相流动常处于严重段塞流工况。严重段塞流会给海上油气集输系统的设计、运行及管 理造成巨大的困难。本文使用o l g a 软件对下倾管立管系统进行了严重段塞流模拟， 并与课题组已有严重段塞流实验数据进行对比分析。在水平下倾一立管实验系统上开展 了分离器控制操作与上游多相流动特性内在关联的实验研究。 针对模拟结果，主要从严重段塞流流型分类、周期特性及压力特性三方面与实验数 据进行了对比分析研究。模拟结果与实验数据在严重段塞流特性规律方面表现出了良好 的一致性。模拟结果发现了与实验研究相近的严重段塞流流型分类。模拟和实验所反映 出的严重段塞流周期随折算气液速度变化的规律大致相同。只是，实验中，严重段塞流 的周期值随折算气液速度的增大均快速减小；而模拟时，严重段塞流周期值随折算气速 的增大而快速减小，随着折算液速的增加却减小缓慢。模拟和实验反映出的严重段塞流 压力特性在下倾管立管系统上有所差异，但在加水平管的下倾管立管系统上却完全一 致。总体上，使用o l g a 软件进行立管系统严重段塞流的模拟预测是完全可行的，尤其 对于一些特性规律的探寻和研究非常有益。 通过对比分析，选取分离器定压力控制方案进行实验研究。指出单独的分离器液位 控制并不会对系统上游多相流动产生明显影响，但有益于分离器的正常运行及压力控 制。随着分离器压力的升高，立管中部压力尖端部分明显缩小，压力的最小值逐渐上升， 压力的波动幅值逐渐缩小，严重段塞流液气喷发时，立管内气液相间滑移加剧，立管内 气液流动型态从一个大的长气柱高速通过立管逐渐演变成若干个长短不一的气弹在立 管中缓慢前行。分离器压力控制策略对系统上游严重段塞流的抑制效果与折算气、液速 度的相对大小有关；而与折算气液速度值的绝对大小关系不大。 关键词：严重段塞流，o l g a ，模拟研究，对比分析，分离器控制 o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to ft h eo f f s h o r eo i l g a sg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h e s e v e r es l u g g i n gi ni n c l i n e dp i p e l i n e r i s e rs y s t e mi ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l yw i t ht h es o f t w a r e o l g a ，a n dt h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ea v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a s t h ei n n e rr e l a t i o n b e t w e e nt h es e p a r a t o ro p e r a t i o na n dc o n t r o la n dt h eu p s t r e a mm u l t i p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s i si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yi nt h eh o r i z o n t a l i n c l i n e dp i p e l i n e r i s e rs y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n td a t a sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e dm a i n l yf r o mt h e s e v e r es l u g g i n gf l o wp a t t e mc l a s s i f i c a t i o n ，c y c l o p h y s i sa n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h e c o m p a r i s o nd e m o n s t r a t e sag o o dc o n s i s t e n c y s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w sas i m i l a rc l a s s i f i c a t i o n o fs e v e r es l u g g i n gf l o wp a a e mw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a i ne x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ec y c l et i m e o fs e v e r es l u g g i n gf l o wd e c r e a s e sr a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s i n gg a s l i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t y h o w e v e r ，t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ec y c l et i m ed e c r e a s e s r a p i d l y w i t ht h e i n c r e a s e i n gg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y , b u tw h e nt h el i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t yi n c r e a s e s ，t h e c y c l et i m ed e c r e a s e ss l o w l y i nt h ei n c l i n e dp i p e l i n e r i s e rs y s t e m ，c o m p a r i s o nr e s u l ts h o w s d i f f e r e n c ei nt h ep r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，b u ti nt h eh o r i z o n t a l i n c l i n e dp i p e l i n e - r i s e ri ts h o w s af u l la g r e e m e n t g i v e na l lt h a t ，o l g ai sb e n e f i c i a lt ot h es i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no fs e v e r e s l u g g i n gi nt h er i s e rs y s t e m ，e s p e c i a l l yf o rt h er e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i c s t h es e p a r a t o rp r e s s u r ec o n t r o lp r o g r a mi ss e l e c t e df o rt h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n i t s i n d i c a t e dt h a tt h es e p a t a t o rl i q u i dl e v e lc o n t r o ld o e sn o th a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h e u p s t r e a mm u l t i p h a s ef l o w , b u ti t sb e n e f i c i a lf o rt h en o r m a lo p e r a t i o na n dp r e s s u r ec o n t r o lo f t h es e p a r a t o r w h e nt h es e p a r a t o rp r e s s u r ei n c r e a s e s ，t h ep e a k p a r to ft h em i d - r i s e rp r e s s u r e a p p a r e n t l yd i m i n i s h e s ，a n dt h em i n i m u mp r e s s u r eg r a d u a l l yi n c r e a s e s ，a n dt h ef l u c t u a t i o n a m p l i t u d eo fp r e s s u r eg r a d u a l l yd e c r e a s e s d u r i n gt h es l u gb l o w i n go u t ，t h eg a s l i q u i d s l i p p i n gi nt h er i s e ri n t e n s i f i e s t h el o n gg a sp l u gq u i c k l yf l o w st h r o u g ht h er i s e r , t h e nt e n d s t ob es e v e r a ld i f f e r e n tl e n g t h so fg a sp l u g sa n df l o ws l o w l yi nt h er i s e r t h ei n h i b i t i n ge f f e c t o fp r e s s u r ec o n t r o ls t r a t e g yo nt h eu p s u e a ms e v e r es l u g g i n gh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h e r e l a t i v es i z eo ft h es u p e r f i c i a lg a s l i q u i dr a t e ，b u ti t sn o tr e l e a t e dt ot h ea b s o l u t es i z eo f s u p e r f i c i a lg a s l i q u i dr a t e k e yw o r d s ：s e v e r es l u g g i n g ，o l g a ，s i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o n ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ， s e p a r a t o rc o n t r o l 1 1 课题的研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 严重段塞流的预测一2 1 2 2 严重段塞流的控制一3 1 2 3 严重段塞流瞬态模拟模型6 1 3 本文的主要研究目的和研究内容9 第二章实验系统与数据处理方法1 1 2 1 实验系统与主要设备1 1 2 2 测量及控制装置1 2 2 2 1 孔板流量计l2 2 2 2 压力、压差变送器l3 2 2 3 电导探针13 2 2 4 控制装置l5 2 3 数据采集及分析系统15 2 3 1 数据采集系统l5 2 3 2l a b v i e w 处理软件与界面1 5 2 3 3 实验数据的处理17 第三章严重段塞流特性模拟与实验对比分析研究18 3 1o l g a 软件说明1 8 3 1 1o l g a 模型基础18 3 1 2o l g a 使用方法19 3 2 严重段塞流模拟模型2 1 3 2 1 几何模型建立2 1 3 2 2 流体属性文件制作2 2 3 2 3 模型设置说明2 3 i v 3 3 严重段塞流模拟与实验数据对比分析2 5 3 3 1 严重段塞流流型对比分析2 5 3 3 2 严重段塞流周期特性对比分析2 8 3 3 3 严重段塞流压力特性对比分析3 6 3 4 本章小结3 8 第四章分离器控制操作与上游多相流动特性内在关联研究4 0 4 1 分离器控制策略选取4 0 4 2 自动控制理论及分离器控制实验说明4 1 4 2 1p i d 控制理论简介4 1 4 2 2 分离器控制实验说明4 3 4 3 分离器定压控制策略实验结果分析4 4 4 3 1 无分离器控制时系统多相流动特性4 4 4 3 2 分离器控制对系统多相流动特性影响分析4 7 4 4 本章小结6 3 第五章结论6 5 参考文献一6 7 致 射7 1 中国缸油大学( 华东) 硕 = 学位论文 第一章引言 1 1 课题的研究意义 在海洋油气丌采系统中，存在大量的输量变化、开井关井等操作，加之海底地形起 伏对管线的影响，立管系统通常会出现严重段塞流现象。严重段塞流又称强烈段塞流， 经常在油f f l 开采的早期和晚期，气液流量均较小的情况下出现；其特点是管道压力和出 口气、液相流量随时问发生周期性剧烈波动，并且严重段塞流的液塞长度通常长达一个 或数个立管高度。因此，严重段塞流会给海上油气集输系统的设计及运行管理造成巨大 的困难。 严重段塞流早在1 9 7 3 年就被y o c u m 发王见【1 1 ，但是一直没有引起外界关注。直到上 世纪9 0 年代未期，随着近海石油开发逐渐向深水区域的转移，严重段塞流研究才逐渐 受到重视。目前的研究主要集中在对严重段塞流的形成机理、流动特性及控制、消除方 法进行理论和实验探索；虽然近几年在严重段塞流的机理研究和流动特性方面取得了长 足的进步；提出了很多严重段塞流预测、控制模型，并在此基础上，开发出多款用于进 行严重段塞流预测与控制研究的多相流商业模拟软件。然而，这些模型在建立时都做了 部分简化，因此，难以对真实情况下的严重段塞流进行准确无误的模拟预测与控制。但 是，只要清楚模拟软件的优缺点及适用范围，使用软件来进行严重段塞流模拟预测研究， 对于一些特性规律的探寻及验证非常有益。 近年来，随着对严重段塞流控制、消除方法研究的深入，研究者逐渐将研究的方向 和重点从海底控制转移到海洋平台操作上。越来越多的研究者意识到，平台分离器操作 是一种控制、消除严重段塞流的潜在方法，并且具有巨大的潜在经济效益。但是，目前 的研究仅侧重于如何改进分离器控制操作来控制、消除严重段塞流；而没有对分离器控 制操作工况与系统上游多相流动特性问的内在关联进行深入研究。 综上所述，研究现有严重段塞流预测、控制模型，并对商业模拟软件进行模拟实验 对比分析，找出模拟软件的适用范围及存在的问题，一方面能更好的指导严重段塞流模 型的改进和完善；另一方面有助于严重段塞流特性研究发展。研究分离器控制操作与系 统上游多相流动特性的内在关联，对于探寻更经济、适用的严重段塞流控制消除方法具 有重要的指导作用。 第1 章引占 一1 一2 国内外研究现状 一 自从1 9 世纪6 0 年代以来，随着海洋油气资源被不断发现并开发，油气开采的重点 逐渐从陆地转向海洋。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，近海石油丌发开始向深水区域发展： 与此相关的流动保障技术随之在深海油气丌发、开采过程中扮演着越来越关键的作用。 严重段塞流也因此受到更多关注。 1 2 1 严重段塞流的预测 1 9 7 3 年，y o c u m i l l 第一个报导了严重段塞流现象，但他并未给出严重段塞流的概念。 他注意到了由于背压波动造成的严重段塞流将使管线流通能力下降5 0 。虽然当时他没 有对这种流动现象的发生机理进行详细研究，但他提出了一个基于段塞流水动力学模型 的预测方法。s c h r n i d t 【2 1 【3 】认为y o c u m 在1 9 7 3 年所描述的段塞流现象与普通的水动力学 段塞流有很大不同，并将这种段塞流定义为“严重段塞流p p o1 9 7 6 年，j u p r a s e r t l 4 】和 s c h m i d t t 5 】根据d u n s r o s 无量纲气液速度数，首先提出能判断严重段塞流的流型图。后 来s c h m i d t 【6 】等人提出了一个用来预测严重段塞流段塞特征动态特性的水动力学模型。 该模型假设管线入口的气液流速不变，管线末端分离器维持压力恒定，同时，严重段塞 流持液率计算通过采用持液率相关式完成，然而，他没有对该模型进行进一步验证。 b e e l 7 】提出了判别立管系统是否产生严重段塞流的数学准则，即：管线中气体累积 压力等于液体的静水压力。p o t s l8 】等人对严重段塞流进行了详细研究，提出了另一个类 似于b e e 准则的判断准则用来预测严重段塞流的发生区域；指出下倾管内的分层流动并 不是严重段塞流形成的必要条件，而相问分离与流动动量是严重段塞流形成的重要原 因。t a i t e l i 9 1 研究了立管系统稳定流动的条件，发现当立管中气体的膨胀力小于液塞的静 水压力时，立管内流动处于稳定状态。通过将上述准则与b e e 准则结合起来预测严重段 塞流的形成区域，t a i t e l 认为结合b e e 准则可以很好的预测基于s c h m i d t 实验数据的严 重段塞流区域；然而单独使用b e e 准则预测得到的严重段塞流形成区域结果偏大。并且， 一些现场数据【l o 】也验证了t a i t e l 准则的有效性。v i e r k a n d t f l l 】基于实验给出了相比于 t a i t e l f 9 】准则稳定性更高的准则，其还可以预测立管中液相流动和气体真空率；通过比较 实验数据和b e e 准则的预测值，证明了b e e 准则的可行性。 王鑫【1 0 】通过对多种倾斜管角度下严重段塞流的发生规律和流型图进行研究，发现倾 2 中国石油人学( 华东) 硕l ：学位论文 斜管水平时仍会有严重段塞流出现。f a b r e 1 2 j 等学者在内径为2 i n 的立管系统中，对管内 的瞬变流动进行了模拟，给出了一个瞬态模型；此模型使用的是拉格朗h 漂移流模型， 模型假定气体为理想气体、处于等温流动、相间不存在质量传递和摩擦。s a r i c a s h o h a m i l 3 】 在f a b r e i l 2 1 模型基础上，修正了在立管中两相及单相中界面的不连续性问题。t i n 1 4 , 1 5 】、 k a s h o u l l6 1 、m o n t g o m e r y & y e u n 9 1 1 7 】等人对s 型立管进行了严重段塞流的相关实验，然 而实验效果并不理想。 此外，许多学者还提出了使用模拟软件来进行严重段塞的预测。其中，o l g a ， t a c i t e ，p e t r a ，p l a c 等模拟软件均能进行严重段塞流的模拟预测。p h i l b i n b l a c k l l 8 】、 h a l l b u t c h e r l l 9 1 使用多相流瞬态模拟软件p l a c 来进行严重段塞研究。p l a c 应用双流体 模型，可对每相的连续性方程、动量方程以及混合能量方程进行数值求解。h e n r i o t l 2 0 1 等学者使用t a c i t e 软件进行了严重段塞的模拟，指出使用t a c i t e 可实现气举( g a s l i f t ) 与背压控制。l a r s e n 2 1 1 使用p e t r a 瞬态软件来进行段塞和清管器跟踪模拟。该软件 使用拉格朗日法，可对段塞头及段塞尾的流动情况进行分析；但同时他指出，p e t r a 软 件缺少能量方程的计算，无法对与温度有关的问题进行考虑。o l g a 是当今最为成熟的 通用多相流瞬念模拟软件，其具有段塞跟踪功能；其严重段塞数据已经获得了s i n t e f 实验室数据以及s c h m i d t l 5 j 数据的双重验证。b e b d i k s e n l 2 2 1 、k a s h o u i l6 1 、x u l 2 3 】等学者认为 使用o l g a 软件能够对严重段塞进行有效预测。 1 2 2 严重段塞流的控制 ( 1 ) 常规控制方法： 1 9 7 3 年，y o c u m l l 】第一个提出了不同的严重段塞流消除技术，包括：减小管线直径， 将流动分解成两路或者多路，向立管注入天然气，在立管底部安装混合设备，节流以及 增加背压法。y o c 啪观察到增加背压能够消除严重段塞流现象，但同时会减少管线流 量，他认为节流法也会引起流量的减少。s c h m i d t 等【2 】【3 1 则认为在立管项部使用节流技术 可以消除或者减小立管系统严重段塞流，且只会引起管线压力或流量的少量变化甚至不 改变。s c h r n i d t 同时也认为通过注气能够消除严重段塞流现象，但该方法需要花费大量 财力来安装一个压缩机以及将气体输送到立管底部的管线，因此，并不经济可行。t a i t e l l 9 】 对s c h m i d t 等【2 】【3 胴所报导的使用节流法来稳定系统流动的成功案例给出了理论上的解 释。f a r g a l h y l 2 4 】给出的现场案例显示节流确实能够消除严重段塞流。 3 第i 章引言 p o t s 等人1 8 j 研究了使用注气来消除严重段塞流的方法。发现当注入气量达到入口气 量的5 0 左右时，严重段塞流周期的严格性开始降低；但即使注入气量达到入口气量的 3 0 0 ，严重段塞流也不能被完全消除。h i l l 2 5 】【2 6 1 描述了在s e f o r t i e s 现场使用立管底 部注气的方法来消除严重段塞流的测试案例；注气结果显示严重段塞流的程度得到减 弱。其消除严重段塞流的条件是，将立管中的流型转变为环状流，以此来阻止液体在立 管底部积聚。因此，要想完全稳定系统内流动，需要注入大量气体。j a n s e n l 2 7 l 对不同的 严重段塞流消除方法进行了研究，例如增加背压，节流，气举，以及节流和气举结合的 方法。他提议使用稳态及准稳态模型来分析以上各种消除技术。通过实验观察得出：1 ) 需要很高的背压才能消除严重段塞流。2 ) 在最小背压增加的情况下来稳定系统流动需 要采取谨慎的节流操作。3 ) 使用气举法来消除严重段塞流需要注入大量的气体。4 ) 将 节流和气举结合是消除严重段塞流最好的方法，能同时减少了稳定流动所需的节流程度 和注入的气体量。通过修改最初t a i t e l 等人的模型可以得到节流和气举的稳定性准则。 k a a s a 【2 8 j 提出在管线和平台之问安装另外一条立管用来消除严重段塞流现象。在较 低的流量下，当下倾管中的流型接近分层流时，下倾管可当做一个段塞捕集器。第二根 立管安装在特定的位置，以使所有的气体都通过这点流入第二根立管中，而原来的立管 则全部用来输送液体。在第二根立管上安装一个压力控制阀，用来控制立管中的压力波 动。但是，这个方法有两个缺点：其一，原来的立管中会充满液体，这会使系统背压增 加，并导致产量严重下降。其二，铺设第二根立管并不经济可行。h a s s a n e i n 掣2 9 1 提出 了在深水管线的上升管设计方面所面临的力学和水力学问题，并提出了通过立管基部气 举( r b g l ) 和增加泡沫来控制严重段塞流的方案，但选用合适的泡沫剂以及如何成功 形成泡沫是两个难题。w y l l i e 等1 3o j 提出在上升管内插入一根小直径管，从而出现一个可 以用来注气的环形空间；不过这种方法会在清管时带来问题。j a n s e n 等【3 l 】对气举法消除 严重段塞流进行了仔细研究，他们注入压缩气体的位置有两处：一是在上升管底部弯管 下游，二是在上升管底部弯管上游，并提出在上升管底部弯管上游注入压缩气体效果较 好。 j o h a l 等1 3 2 提出安装多相泵来消除严重段塞流，并提出使用立管底部多相流气举 ( m r b l ) 来替代立管底部气举法可以消除潜在的j o u l e t h o m s o n 制冷效应的影响。 w e i h o n g 等1 3 3 j 认为将节流和气举两种方法结合起来使用可以适当减小注气量，减弱 4 中国石油人学( 华东) 硕j ：学位论文 j 6 u l e t h o m s o n 效应，减小背压的增大幅度。s a r i c a 等【3 4 】提出了采用自气举来消除严重 段塞流，该方法是利用下倾管内的气体从上升管底部以上位置注入，不需要外来气体。 a l m e i d a 等【3 5 】1 3 6 1 提出了在上升管底部入口使用文丘里管来消除严重段塞流的方法。s o n g 和k o u b a l 3 7 l 提出将气液进行海底分离的方法来消除严重段塞流现象。气液进行分离后， 可使用单独的管线输送至平台。该方法需要使用一个液相泵来克服静水压头以防止背压 增加可能导致的产量降低问题。 罗小明等3 8 1 实验研究了在上升管底部及顶部加装孔板来实现消除严重段塞流的方 法，结果表明两种方法都可以实现流动稳定，且在底部加装孔板造成的管道压力增加幅 度明显小于孔板装在上升管顶部的情况。王鑫【3 9 】发明了消除严重段塞流现象的阀门节流 动态控制方法、气举方法以及气液分离方法等三种技术，并对这些方法和技术进行了实 验验证。马华伟【4 0 1 2 0 0 8 年对有、无气体缓冲空间的下倾管一立管实验管段上旁通管法 对严重段塞流现象的消除效果进行了实验研究，并对有气体缓冲空间的下倾管一立管实 验管段上旁通管消除严重段塞流方法进行了改进。 ( 2 ) 自动控制系统方法： ， 1 9 7 9 年s c h m i d t 等人1 3 】首次提出一种根据反馈控制束避免立管段塞流的控制方法。 其原理是通过自动调节顶部节流阀的位置来避免立管段塞流现象发生；其自动调节的过 程是基于特定运算法则来完成的，这种运算法则需要输入立管上游压力测量参数和立管 中流量测量参数。1 9 9 0 年h e d n e 和l i n g a l 4 1 1 使用了一个更加常规的p i 控制器来避免立 管段塞流，该法需要将上游压力测量参数作为输入值。 1 9 9 6 年c o u r b o t l 4 2 1 在d u n b a r 管线上使用了一种控制系统来抑制立管段塞流。其原 理是通过使用顶部节流阀来使立管底部的压力在一个段塞流周期内达到或超过其压力 峰值，以此来阻止液体在立管底部积聚。该方法有效的消除了系统中立管段塞流现象， 但是，这仅是对传统的节流控制策略进行自动控制，而不是改变管线中流型的稳定性。 由于需要对压力控制器设定一个较高的压力运行点，因此会给系统带来一个额外的压力 降。1 9 9 9 年h e n r i o t 等人【4 3 】提出了一个与1 9 9 6 年c o u r b o t 所使用的管线相同的模拟研究 案例，该模拟中所设定的立管基部压力运行点要低得多。该案例中控制器可能是在稳定 一个并不稳定的工况点，而不是仅仅使运行过程远离立管段塞流区域。 2 0 0 0 年h a v r e 等人【删首次报导了关于段塞抑带j ( a n t i s l u g ) 控制器的i , _ l k 应用案例。 5 第1 章引言 他们提出了一种段塞抑制控制系统，并在h o d v a l h a l l 管线上进行了应用；模拟结果显 一 示：当关闭控制系统并且将控制阀的开度保持在控制系统正常运行时的平均大小，系统 又重新出现立管段塞流现象。这证明控制系统的确是在稳定一个不稳定的工况点。认为 在管线流动稳定时，这个不稳定工况点存在的边界条件与通常情况下会出现立管段塞流 的边界条件相同。2 0 0 3 年s k o f i e l a n d 和g o d h a v n l 4 5 】使用了一个常规的p i d 控制器来稳定 立管系统内流动。该方法的主要特点是引入了一个级联控制系统，在这个级联控制系统 中使用了一个流量内环控制系统和压力外环控制系统来联合抑制和削弱严重段塞流。 2 0 0 5 年g o d h a v n 、s t r a n d 和s k o f l e l a n d l 4 6 1 报导了一个在t o r d i s 现场的应用案例，在该文 中使用了一个段塞抑制控制器，并结合模型来预测、处理进入入口分离器的液塞。 1 9 9 5 年h o l l e n b e r g 等人1 4 7 】提出了另一种消除立管系统严重段塞流的方法。该方法 通过在立管顶部引入一个小型分离器，使得气体和液体流量能够在超过某一特定频率下 进行独立的控制。这种结构称为s 3 段塞控制系统，它同时能够进行气体和液体流量的 精确测量，并且通过控制总的混合流量和小型分离器中的压力，能够使系统达到稳定状 态。2 0 0 3 年k o v a l e v 等人【4 8 j 报导了s 3 系统在北海的n o r t hc o r m o r a n t 和b r e n tc h a r l i e 平 台上成功应用的案例。 1 2 3 严重段塞流瞬态模拟模型 严重段塞流属于瞬变流，多相流动的瞬态模拟需要应用各流体的连续性方程、动量 守恒方程和能量守恒方程来描述流动在时空上的变化。目前，关于管内气液两相瞬态流 的理论模型大致可以分为四类；即：1 ) 均相流模型，2 ) 双流体模型，3 ) 漂移流模型， 4 ) 简化模型。 1 2 3 1 均相流模型 均相流模型4 9 1 的原理是将气液混合物视为一种均匀介质；假设气、液相的速度相同， 两相介质处于热力学平衡状态。均相流模型依据的是均质流动，利用经验关系式来实现 持液率的计算。 假定气液混合均匀，且体积含气率很小，对绝热过程可列出如下连续性方程和运动 方程： a t叙 6 中国石油人学( 华东) 硕j j 学位论文 丝o 趔t + 捌o x+ 彳鲨o x + 上2 d y m g s i n 秒：。 ( 1 2 ) o 方程的数值计算方法有m a c c o r m a c k 算法和g a b u t t i 算法两种。m a c c o r m a c k 算法是 有限差分法；分两步进行，第一步为预测步，采用向前差分；第二步为校正步，采用向 后差分。g a b u t t i 算法是将以上方程转化为特征线形式，然后按预测步和校正步进行差分 计算。这两种算法都是二阶显式格式。 均相流模型忽略了气液相间的滑移，假定气液相是均匀混合的，且分散相体积浓度 低，其适用于气泡流和弥散流。 1 2 3 2 双流体模型 双流体模型又称分离流模型；其将气液两相按单相流处理，计入相间作用，分别对 气、液相建立连续性方程和动量方程。双流体模型主要用于分离流( 分层流和环状流) ， 也可用于段塞流。 其输送方程由两个连续性方程、两个动量方程和一个结构方程构成。分别如下式 ( 1 - 3 ) 、式( 1 - 4 ) 、式( 1 - 5 ) 、式( 1 6 ) 所示： 昙( 几心) + 昙( 耽心) = o ( 1 - 3 ) 昙( 舭c ) + 昙h 眦) = o ( 1 - 4 ) 昙h 心圪) + 昙尺g 吃+ 心屹) + 心瓦o p = + f j 一戌g s i n 秒 ( 1 5 ) 昙如吃屹) + 昙h 吃呀+ 曩叱) + 吃瓦o p = 吒一一一见g s i n 口 ( 】- 6 ) 为便于数值计算，可将方程改写为式( 1 7 ) 的形式： 百o w + 昙】+ ，( w ) 芸刊w ) ( 1 - 7 ) 准线性形式如式( 1 - 8 ) 所示： o w + a ( w ) 学：g ( w ) ( 1 8 ) +i l = 口il( 1 k ) o t、7 融 “7 双流体模型的数值解法有两种； 算法一：利用有限容积法，将管线划分为一系列的均匀网格，每段长度为止，未 知量位于各网格的中心，w 为网格的参数，其空间离散形式如式( 1 9 ) 所示：t 7 第1 章引言 瓦d 警+ 学诅( 1 - 9 ) 边界条件通常采用两个入口质量流量和一个出口压力。但是，如果入口处为混合流 量，那么必须提供另外一个入口数据。一般选用体积含气率或者质量含气率作为边界条 件；但实际上，这些条件并不能得出令人满意的结果，因此，还必须考虑源项。 算法二：同样依据有限容积法。第一步，将管线划分成诸多有限段，采用交错网格， 将标且- - = 卜j ) a i - k 3 存储于网格中心u 节点) ，各相速度存储在控制体的面上( j + 1 2 节点) 。 如果将压力与速度存储在同一节点上，压力场中的耦合关系无法得到保持。第二步，对 微分方程在控制体长度与时问上积分，得到一组线性代数方程组。为了使用大的时间步 长，对时i 日j 采用隐式格式；利用迎风差分算法( u d s ) 将对流项变量与节点值相关联。 由于双流体模型方程中非线性变量较多，难以识别数值不稳定源项。尽管采用u d s 对 空间为一阶精度，比高阶算法低；但消除了与高阶算法相关的不稳定来源，并且通过加 密网格可以提高精度。 双流体模型的缺点是数学方程较为复杂，求解困难；某些情况下存在复根，并且数 值稳定性不好。 1 2 3 3 漂移流模型 漂移流模型是将两相流体视为一种流体，考虑相间的滑移现象，并假定漂移速度与 混合物速度成线性关系，使用扩散速度和与相分布相关的常数来考虑不同流型之间的差 异。 较之双流体模型，漂移流模型忽略两个动量方程中的静压项并将两者相加得到混合 动量方程，如式( 1 1 0 ) 所示： 石a ，。v g , + 见r 圪】+ 善k 吃+ 纯吃曙+ 闩= 吃+ r l 一恢+ 见r ) s i r i 9 ( 1 - l 。) 为使方程组封闭，需引入一个如式( 1 11 ) 所示的闭合关系： ( ，圪，r c ，p ) = 0 ( 1 - 1 1 ) 漂移流模型共包含两个连续性方程、一个混合动量方程、一个滑脱方程和一个结构 方程。其主要优点是，方程为守恒形式，容易利用有限体积法进行离散；动量方程中， 没有包含界面摩擦项；模型一般呈双曲型。 1 2 3 4 简化模型 中国石油人学( 华东) 硕：l | 学位论文 双流体模型与漂移流模型在建立时，都将气液每一相的诸多流动特征加以考虑，使 得模型求解困难，且热力特性关系复杂，模型很难得到推广和应用。而油气混输工业中， 我们关注的重点是入口流量及出口压力变化诱导的慢瞬态过程；因此，在此种情况下， 应用整套严格的方程显得并非必要。鉴于精确的理论瞬态分析所获得的方程组，在使用 数值算法求解时非常困难，许多学者提出了多种简化的两相流动模型及其数值计算方 法。其中，t a i t e l 等人于1 9 8 9 年提出的应用于两相流瞬态模型的简便方法，较具影响力； 并且，后来的学者多次在该简化模型基础上进行改进和修正。 t a i t e l 简化模型主要做了两个重要假设：( 1 ) 气相在流动过程中处于准稳态，管道 任一截面上的气体质量流量保持恒定。( 2 ) 在计算单元上，气相与液相的动量处于平衡 状态。 其连续性方程为： m g = 风绋= 常数 丝i - 垫：0 一 三一_ ：生= a ) ca t ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 当假设液体不可压缩或者液体压缩性非常小时，需要求解的偏微分方程只有液相连 续性方程，且其属于线性双曲型；可采用如式( 1 1 4 ) 所示的差分格式。 ( 1 1 4 ) 压降按式( 1 1 5 ) 进行计算： 一吒s + s 一见g 彳ls i n 口一彳l 望；：o ( 1 1 5 ) 口x 持液率按式( 1 1 6 ) 进行计算： 一等+ 警一s ( 圭+ 去 一饥一风k s i n 臼= 。 6 ， 1 3 本文的主要研究目的和研究内容 近几年，严重段塞流机理和流动特性方面的研究已取得了长足的进步；提出了许多 严重段塞流预测、控制模型，并在此基础上，开发出多款用于进行严重段塞流预测与控 制研究的商业多相流模拟软件。但是，这些模型在建立时大多做了相应的简化，且具有 特定的适用范围；无法对真实管线下的严重段塞流进行准确预测和精确控制；因此，有 9 华 第1 章引言 必要研究现有严重段塞流预测、控制模型，并对部分商业模拟软件进行模拟实验对比分 析，找出模拟软件的适用范围及存在的问题，为改进和完善严重段塞流模型提供理论指 导和实验验证。 同时，随着近几年对严重段塞流控制、消除方法研究的深入，研究者逐渐意识到， 平台分离器操作是一种控制、消除严重段塞流的潜在方法，并且具有巨大潜在经济效益。 但是，目前的研究仅侧重于如何改进分离器控制操作束控制、消除严重段塞流；而没有 对分离器控制操作工况与系统上游多相流动特性问的内在关联进行详细深入的研究。因 此，有必要对分离器控制操作与系统上游多相流动特性的内在关联进行详细研究，为探 寻更经济、适用的严重段塞流控制消除方法提供理论指导。因此，结合前人的研究成果， 本文拟开展以下研究工作： ( 1 ) 分析总结现有严重段塞流模型，学习通用多相流瞬态模拟软件o l g a ，针对 课题组多相流实验环道建立几何模型并使用o l g a 软件进行严重段塞流特性模拟，与课 题组已有的严重段塞流实验数据进行对比分析，用实验数据来评价o l g a 软件模拟性 能，并用模拟结果来进一步验证实验规律；探寻o l g a 软件在模拟过程中存在的问题， 并总结出o l g a 软件的使用方法及模拟时需要注意的问题，为后人学习使用o l g a 提 供有意义的指导。 ( 2 ) 研究分离器控制策略及自动控制理论；改造课题组原有多相流实验平台，通 过对分离器液位和压力进行p i d 自动控制，探寻分离器压力、液位控制时，系统下游控 制阀开度变化与上游管线压力、持液率、流型等多相流动特性参数的耦合影响关系；借 此寻求一套能够有效控制立管系统严重段塞流的分离器控制方案。 中围杠油人学( 华东) 硕上学位论文 第二章实验系统与数据处理方法 本章详细描述了在水平下倾立管多相流实验平台上进行严重段塞流工况下分离器 控制实验研究的实验系统组成、测量控制装置、实验数据采集及分析系统。 2 1 实验系统与主要设备 p i p e u 图2 - 1带水平管空气水两相严重段塞流流程图 f i g2 - 1 t h eg a s - w a t e rs e v e r es l u g g i n gl o o pw i t hh o r i z o np i p e l i n e 图2 1 所示为，带水平管的空气水两相严重段塞流实验流程图，实验主要装置包括 压缩机、水箱、离心泵、液体质量流量计、气体孔板流量计、气液混合器、水平下倾 立管实验管路、气液分离器、气液自动控制阀等。实验系统主要由气水两相动力与计 量系统、实验管路、分离器自动控制系统及多相流特性参数测量系统四部分构成。其中， 水路动力与计量系统包括：水罐、离心泵，过滤器、m i c r o m o t i o n 质量流量计及s w a g e l o k 精密调节阀。气路动力与计量系统包括：a t l a s c o p c o 螺杆压缩机、气体缓冲罐、过滤器、 y o k o g a w a 微小孔板流量计和s w a g e l o k 精密调节阀。实验管路主要由长为6 8 1 5 m 的水 平管、2 6 1 m 的下倾管( 倾角为4 0 ) 、高为7 7 m 的立管及部分回路管线组成；其中管线 内径为5 1 m m ，管线材质包括钢管和透明有机玻璃管。分离器自动控制系统包括：气液 分离器、磁翻板液位计、r o s e m o u n t3 5 9 5 电容式压力变送器，f i s h e re t 型控制阀、 p s l 电动执行机构及p i d 智能调节仪。多相流特性参数测量系统包括：k e l l e r 压力传感 器、环形及双平行电导探针、d v 摄像机。 为使气液进入测试管段后尽快得到充分发展，保持分层流动，空气水两相严