（石油与天然气工程专业论文）榆林气田天然气凝析液管道的工艺设计方法研究.pdf

中文摘要 论文题目：榆林气田天然气凝析液管道的工艺设计方法研究 专业：石油与天然气工程 硕士生：任彦兵( 签名) 丝笸盈! 指导教师： 陈军斌( 签名) 阜料 摘要 论文在分析长庆科技工程有限责任公司设计了榆林气田天然气凝析液混输管线的基 础上，结合这条气液混输管线的现场运行状况，对天然气凝析液两相混输管路的工艺设 计方法，进行了分析研究。主要通过瞬态模拟软件o l g a 和稳态模拟软件p 吼0 w 对气液混输管路的压降、温降工艺计算进行了对比性研究同时探讨了这条气液混输管 路的段塞工况和清管工况对比研究发现，流体中重组份的含量对管线的压降和管内的 滞液量有很大的影响；小流量下，管内持液率上升，增大了出现段塞流工况的机率； p i p e f l o w 计算软件对管内滞液量的估计偏高；在工艺设计计算中，o l g a 计算软件的 模拟结果比p i p e f l o w 计算软件的模拟结果误差小；0 l g a 压降计算值普遍低于现场的 实铡值。 通过对气液两相混输管路的研究，天然气凝析液两相混输的工艺方法的应用使得凝 析气田开发的经济成本大幅度降低，给油气田的开发利用带来很大的经济效益，同时拓 展了凝析气田的开发范围。因此，天然气凝析液两相混输的工艺设计方法就显得尤为重 要，在这条管线的设计基础上结合当前新的技术理论，对天然气凝析液管道混输的工艺 设计方法做进一步的研究是有必要的，也是目前天然气凝析液管道设计部门迫切需要的。 关键词：气液两相；压降：海液量；o l g a 爵态模拟 n 英文摘要 s u b j e e t ： s p e c i a l i y ： n 枷e ： a s t i d yo nt h ep r o c e s s i n gd e s i g nm e t h o do fu t u r ep o t sa n dc o n d e n s a t i o n t r a n s p o r t a t i o nb yy u 陆g a s f i e l d o f fa n dg a se n # n e e r b q r e n y a 曲妯g ( s 咖咖呐纽塑型9 c h e nj u n b i n ( s i g n a t u r el 驰瓤柚 a b s t a c t o nt h eb a s eo f a n a l y s i n gt h el a l l d i 鸥# p e n e sf o rc h a n gq m ge n g i n e e r i n go f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o l d a n dr e f e r r h l gt h ep r a c t i c a ln m m gd a t a , t h i st h e s i ss t u d i e dt h ep r o c e s s i n g d e s i g nm e t h o do fp i p e l i n ef o rn a t u r eg a sa n dc o n d e n s a t i o nu m l s i 删o l lb yl l s i n go l g a s o n w a i ea n dp i p e f l o w 跚缸峨i tm a i n l ys t u d i e da n d 仪舡啦a l e dt h ep r o 嘲s i n gc a l c u l a t i o n o fp r e s s u r ed r o pa n dt e m p e r a t 啪血印f o rg a s - l i q u i dt o wp h a s ep i p e t m e m e a n w h i l e , i ta l s o d i s c u s s e dt h es l u ga n dp i g g i n gs i t u a t i o no f t h ep i p e l i n e t h er e s e a r c hf o u n dt h a tt h ec o n t e n to f w e i g 址c o m p o s i t i o ni nt h ef l u i d 仃；m 邓日嘲h a st h ep r e s s u r e 出叩a n dv o l u m eo fl i q u i di nt h e p i p e l i n eg r e a ti m p a c t i o n ；w i t hd e a r c a s i n gt r a n s p o r t i n gv o l u m e , h o l d u pi n t h ep i p e t i m i n c r e a s e da n dt h e r ei sm o r el i k e l yt ol e a dt os l u gs i t u a t i o n ；p i p e f l o w se 刚j l n a b f o rl i q u i d i nt h ep i p e l i n ei sh i g h e rt h a no l g a s ；c o m p a r i n i gw i t ht h ep r a c t i c a ld a t a , o l g n sp r e s s u r e d m pe r r o ri sl e s st h a np i p e f l o w s , b u to l g a sc a l c u l a t i o nr e s u l ti sl o w e r t h a np r a c t i c a l d a t a b yt h eg a s - l i q u i dt o wp h a s er e s e a r c h , t h ea p p l i c a t i o no fb a t u 七g a sa n dc o n d e n s a t i o n t r a n s p o r t a t i o nl o w e r st h ec o s to fe x p l o r a t i o n , b l 姆m t l c hb e n e f i tt ot h ee x p l o r a t i o no ft h e p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a sf i e l 6 , a n da 【p 锄山t h ee x p l o r a t i o ns c o p eo f c o n d e n s a t i o ng a sf i e l d a s m a t t e r o f f a c t , t h e d e s i g n a n d m e t h o d s o f t e c h n o l o g y o f g a s - l i q u i d t o w p h a s e t r a n s p o r t a t i o n t a k et h el e a d i ta l s os h o w st h a tt h et e c h n o l o g yo f g a sa n dc o n d e n s a t i o nt r a n s p o r t a t i o ni sm u c h n e e d e dn o to n l yi nt h ee x p l o r a t i o nr e s e a r c hb u ti np i p e t i n ea 坞i n f i n g k e yw o r d s ：g a s f i q u i dt o wp h a s e , p n 懿一nd r o p , h o l d u p 钿t h ep i p e f i a e , o l g as o f t w a r e n i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丝壅墨日期：塑6 ：丝：主 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：堑生盔墨 导师签名：肄 日期：2 壁：丝：主 日期：2 竺：乜： 第一章前言 第一章前言 1 1 课题来源及研究的目的和意义 随着世界经济的快速发展和人口的急剧增加，能源消费不断增长，温室气体和各种 有害物质的排放，对人类生存环境造成了极大的挑战。在这一背景下，清洁的、热值高 的天然气能源正日益备受关注和重视，充分利用天然气几乎已成为世界改善环境和维持 经济可持续发展的不可少的最佳选择。世界能源专家普遍认为，2 1 世纪是天然气世纪， 必将取代煤、石油而成为2 l 世纪的能源主力。据国际能源机构的专家预测，世界天然气 的探明储量按现在的使用速度，可以持续开采6 1 年，而石油只能持续开采4 3 年。与煤、 石油等其他矿物能源相比，天然气具有热值高、利用效率高、污染小的特点，既是一种优质 高效的能源，又是重要的有机化工原料，天然气优势目前在国民生产、生活中己日渐显现出 来。目前，世界天然气探明可采储量已近2 0 0 万亿立方米，剩余可采储量超过1 4 0 万亿 立方米。近2 0 年来，天然气储量以年约5 的速度增长，无疑是2 1 世纪能源的宠儿 随着我国油气资源的进一步开发，长庆气田的勘探与开发更是里现出一片大好势头。 已经陆续发现了许多大型的油气资源，其中檎林气田含有凝析油占有很大的份额。目前， 天然气凝析油气田多采用天然气凝析液两相混输的工艺方法。它的应用使得凝析油气田 开发的经济成本大幅度降低，给油气田的开发和利用带来很大经济效益。同时拓展了凝 析油气田的开发范围。【1 】所以，天然气凝析液两相混输的工艺设计方法就显得尤为重要。 它直接体现了气液两相流理论在工程实践中的具体应用。 本课题来源于长庆科技工程有限责任公司设计的榆林气田天然气凝析液混输管线。 目前这条管线的运行状况良好。同时自9 0 年代以来多相流理论又有了新的进展。因此， 在原来这条管线的设计基础上结合当前新的技术理论，对天然气凝析液管道混输的工艺 设计方法做进一步的研究是有必要的。 本课题的目的就在于，通过横向对比这条管线( 榆林天然气凝析液管线) 的具体设 计数据，纵向对比管线设计数据与现场运行数据的差异，同时采用当前较为先进的工艺 设计计算软件( o l g a 软件) 对之进行核算。并结合过去的工艺设计经验，对目前所采 用的天然气凝析液混输管道工艺设计方法提出一些可供参考的新建议和想法。 1 2 天然气凝析液混输管道工艺设计文献综述 9 0 年代以来，天然气凝析液管道工艺设计方法取得了长足的进展。这主要来自于在 工艺计算中相态模型的引进。这使得设计者们能够瞬态的模拟天然气凝析液的管输状况。 工艺计算方面1 2 j 1 3 】 管道设计者们在过去主要采用气液混输的稳态经验相关式计算气体凝析液混输管 路的压降，其目的主要是克服利用气体管输效率系数计算管输能力过于粗糙的缺陷。但 西安石油大学硕士学位论文 计算结果的精度很令人失望。这是因为现有相关式大多不适用于天然气凝析液管道的特 点。其特点主要表现为：1 4 】 天然气凝析液管道不同于原油伴生气混输管道，它的气液比很高持液率很低； 在输送的过程中随着温度和压力的变化存在着凝析与反凝析的瞬交过程； 管路的压降、温降随流型变化很大： 段塞流现象严重； 针对不同的流型划分，这些稳态经验相关式有很多种类。在管路的工艺计算中各有 所长，很难定性地评价它们的优劣。其中较为常用的稳态经验相关式主要有；杜克勒法、 贝克法、洛马法、奥林曼斯法等等。基于这些稳态经验相关式，相应地出现了许多静态 模拟的工艺计算软件，如：p i p 鳓w 、p i p e p h a 心e 等等。它们在过去工程设计中的 确发挥了很大的作用，但总的来说精确度并不是很高。 9 0 年代以来，挪威、英国、法国、美国等均在天然气凝析液混输管路的稳态、瞬态 模拟方面作了系列的理论和实验研究。在假定天然气，凝析液混输管路一定流型的基础 上，提出了基本方程和封闭方程。这里面主要有： o l g a 软件所采用的双流体模型，他们将流型分为两种基本类型：分散流( d i s t r i b u t e d f l o w ，含泡状流和段塞流) 和分离流( s e p a r a t e df l o w ，分层流和环状一雾状流) ，并列出 了三个基本方程，即：质量守衡方程、能量守恒方程、动量守恒方程。补充了一些热力 学、水力学关系式，如状态方程和粘度、表面张力计算相关式能够进行求解。在流型转 变上，对于分散流向分离流的转变，即层状流向泡状流或段塞流转变以及环状流向泡状 流或段塞流的转变，o l g a 基于“最小滑移准则”选择流型。也就是说，对于给定的压 降，选择气、液相线性速度差最小或气相速度最高( 从而持液率最低) 的流型。“最小滑 移准则”虽然是经验性的，但从实验结果来看，对高压两相管流还是准确的， t a c i t e 软件采用的漂移流模型，将流型化分为分离流( s e p a r a t e df l o w ，含层状流 或环状流) 和弥散流( d i s p e r s e df l o w ) 。间歇流( 段塞流、搅拌流) 是分离流和弥散流的 组合。其基本方程有四个即：两个质量守恒方程、一个混合物动量守恒方程、一个混合 物能量守恒方程。而瞬变问题的主要未知量是5 个：气相体积分率、压力、温度、气相 速度、液相速度。因此，需要附加方程才能使上述的四个偏微分方程封闭。具体的封闭 方程与流型有关。在t a c i t e 软件中，对于弥散流，封闭方程可归结为滑移方程。对于 分离流，封闭方程是消去了压力梯度的气相和液相宏观动量方程，其中气相和液相之间 的摩擦系数采用a n d r i t s o s h a n r a t t y 相关式( 1 9 8 7 ) 。段塞流封闭方程是关于液塞速度、 液塞的空隙分率等参量的一组相关式。在流型转变上，主要以b ( 分离流分率) 的计算 值来确定。b - - 0 时，封闭方程的水力学模型成为弥散流；1 3 = 1 时，水力学模型变成分 层流；b 在0 1 之闯为间歇流。 由于天然气凝析液管输过程中气液之间的质量传递、动量传递都是瞬态变化的，这 必然离不开气液相平衡( 亦称闪蒸) 计算。闪蒸计算结果与混合物的组成、压力及温度 2 第一章前言 有关，而这些参数又与气体凝析液的流动特性相关联。因此，气体，凝析液混输管道的 工艺计算应耦合使用水力学基本方程和相态模型及封闭定律。两相流的水力学模型加上 相态模型称为组分两相流模型( 简称组分模型) 在组份模型中，选择合适的状态方程是 气液相平衡计算和相物性计算的前提。现有文献( 如o l g a 、t a c i t e 、宾州大学等) 大 都推荐使用p e n g r o b i n s o n 方程，因为p r 方程简单，计算量小，修正的p r 方程( j h a v e r i 和y o u n g r e n ，1 9 8 4 ) 大大改进了液相密度的预测精度。p r 方程用于轻烃体系是较合适 的。o l o a 的开发者b e n d i k s e n 等人指出，s o a v e - r e d l i c h - k w o n g 方程也是较适用的状态 方程之一，如p i p e p h a s e 使用s r k 状态方程。北美的天然气单相管流瞬、稳态模拟计 算常推荐使用b w r s 状态方程。b w r s 方程也可以用于气体，凝析液混输管道的闪蒸计 算。改进后的b w r s 方程适用的操作工况宽，且可用于计算含有较多的c 0 2 、h 2 s 、n 2 等非烃气体的体系( 而在高压低温下及非烃气体含量较多时，p r 、s r k 方程精度较低) ， 是用于凝析气计算较精确的状态方程之一。但是b w r s 方程是多参数的，计算复杂。气 液相平衡计算在气体，凝析液混输管道的稳、瞬态模拟中占有相当大的工作量。另外， 状态方程还可用于确定气相、液相的热物性参数，如计算密度、压缩因子、焓、比热、 j - t 效应系数。粘度、表面张力可由经验相关式计算。在气体凝析液混输管道瞬、稳态 模拟软件中，设有专门的子软件包( 如o l g a 采用了p v t s i m 软件) ，完成相平衡计算 和流体热物性参数确定。【5 】 模拟软件方面l z 】 当前国内的天然气凝析液混输管路的设计中，大都采用的是静态的模拟软件。如 p i p e f l o w 、p i p e p h a s e 等软件。9 0 年代后，出现一些著名的软件如：o l g a , t a c i t e 等。它们的出现使得天然气凝析液混输管道的设计取得了一定的进步。因为这些软件能 够瞬态的模拟整个的管输过程。这为设计者们提供了极大的方便，例如：在o l g a 非稳 态多相流模拟计算程序中，不仅具有p v t 热物性模拟模块，而且还有水合物形成预测、 结蜡结垢预测、多相闪蒸计算、回归分析、段塞跟踪等模块。这些诸多的功能模块无疑 给设计者带来了许多有用的依据。在段塞捕集器的选用上，就完全可以通过段塞跟踪模 块计算出管内在任一时刻的滞液量。由此来确定段塞捕集器的容积。这是非常准确和方 便的。同时这些瞬态模拟软件也可以应用于实际工作流程的管理过程中。 应用状况方面i 7 j 天然气凝析液管道的发展和应用是与海洋油气田的开发密切相关的在7 0 年代后 期，海上石油的开发进入了高潮，由于天然气凝析液管道在经济上的优势促使西方国家 投入巨资研究混相输送的问题，挪威、英国、美国、法国等相继建设了不同规模的试验 装置，经过多年的研究对混相输送的规律有了深入的认识。随着海上油田的开发，敷设 了大批的天然气凝析液管道。进入9 0 年代以来，海上石油的开发向更深、更远的海域 发展，天然气凝析液管道的建设与管理技术有了长足的进步，管道向大口径、长距离、 高压力、深海域进军。技术进步的主要表现为：设计和运行管理手段较先进。伴随着 3 西安石油大学硕士学位论文 理论研究的深入和计算机技术发展，用计算机进行模拟计算分析已成了天然气凝析液管 道设计及运行管理中工艺计算的主要内容。天然气凝析液管道运行控制的日趋完善。 天然气凝析液管道运行的控制不仅是常规的压力流量等参数，还包括滞液量的控制和流 型的控制。各种新型、高校的多相增压、计量及检测设备的研制及应用。在可能情 况下的超临界压力下的密相输送技术。大口径，长距离，深水域、高压力天然气凝析 液管道的建设和安全运行。 1 3 本文主要研究内容及研究思路 在目前天然气凝析液管道工艺计算和模拟软件应用的基础上，对长庆科技工程有限 责任公司设计的天然气凝析液混输管线，通过对原始设计资料进行详细的分析、设计数 据的采集、现场调研与实际生产数据的采集，用p i p e f l o w 静态模拟软件和o l g a 非 稳态多相流模拟软件进行相关关键值的模拟计算，可将模拟计算数据和实际数据进行对 比，证明何种软件在实际设计计算中的准确率较高，对现场的设计计算提出指导性的建 议。 利用o l g a 非稳态多相流模拟软件中的三相模块( 可用来预测油水之间的滑脱现象 速度差和随含水度变化的油水混合物祜度) 和段塞流模块( 可确定管线下游设备能否合 理地处理段塞) 建立o l g a 模型，通过输入不同的变量来计算和比较压降、温降、持液 率、流型、流量( 气相流量、液相流量) 随时间变化的剖面图和时间图，并使用清管模 块进行工况的模拟，确定清管周期，对现场提高管输效率具有一定的指导意义。 1 4 论文研究的特色 通过查询调研，目前国内外天然气凝析液管道的设计和运行管理手段较先进，伴随 着理论研究的深入和计算机技术的发展，用计算机进行模拟计算分析已成了天然气凝析 液管道设计及运行管理中工艺计算的主要内容。大部分的模拟软件应用与研究是与海洋 油气田的开发密切相关，而本论文通过利用o l g a 非稳态多相流瞬态模拟软件计算分析 榆林气田的凝析液混输管线的各种关键值的时问与剖面的变化图形及设计计算的准确 度，可对陆上天然气凝析液混输管线的设计具有更强的指导意义，更有利于科学的开发 陆上凝析气田。 4 第二章两相流管路设计计算方法简介 第二章两相流管路设计计算方法简介 同单相管路相比，两相流管路有如下的特点：1 流型变化多。根据气液两相在设计 管路中的分布情况和结构特征，通常把两相管路分成不同的流型。按照埃尔乌斯流型分 法，可分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、不完全环状流、环状流和弥教 流等八种。2 存在相间能量的损失。在气液两相流动中，由于各相的速度不同，导致气 液相问产生能量交换和能量损失。3 流动不稳定。管路稳定工作时，各种流动参数不随 时间而改变。但在气液两相流动中，由于气液两相之间的作用田。常常使得管路很难在 很长的一段时间内保持稳定。针对两相流动这样复杂多变的特点，两相流管路设计计算 方法要比单相管路设计计算方法更加复杂针对不同的流动模型对应着不同计算方法。 流动模型大致可分为均相流模型、分相流模型和流型模型。以下主要介绍一些常用的两 耜流管路设计计算方法。 2 1 均相流模型设计计算方法 一、 均相流模型【1 5 l 均相流模型是把气液混合物看成为一种均匀介质，因此可以把气液两相管路当作单 相管路来处理。在均相流模型中作出了两个假设：( 1 ) 气相和液相的速度相等，即wg = w l 。由于气液相速度相等，因此管路还具有截面含气率和体积含气率相等、气液混合 物流动密度和真实密度相等特点。( 2 ) 气液两相介质已达到热力学平衡状态，气液相问 无热量传递，故流动介质的密度仅是压力的单值函数。显然气泡流和弥散流比较接近均 相流模型的假设条件。 二、均相流模型压降计算式 1 气液混合物的粘度 当把气液混合物看成是一种均匀介质时，不同的学者提出了不同的混合粘度计算公 式。它们都满足下列边界条件： 当质量含气率x = o 时，p 一一 当质量含气率z 一1 时，一心 较常用的气液混合物粘度计算公式有： 麦克达姆( m e a d a m ) 计算式 三。上+ 堕 p sp!(2-1) 西克奇蒂( c i e c d a i t t i ) 计算式 s 西安石油大学硕士学位论文 p-zp#+(1一zk，(2-21 杜克勒( d u k l e r ) 计算式 p 一争朋。+ 争( 1 一z h 协。， 阿黑尼厄斯( a r r h e n i u s ) 计算式 p 。p j 1 + z ( 詈j 一，) 】 。2 4 ， 究竟选用上述四种公式中的哪一种计算气液混合物的粘度由实验确定。 2 常用的压降计算公式 均相流模型的简化压降计算式为：z 妒i 峨+ b + 蝎。式中觇为摩阻压差i 卸： 为重位压差：卸，为加速压差。 印1 - 丸i li v 2 p l 蚬。捅h h 刊 ”( 黔： 其中：a摩阻系数 ， 比容 z质量含气率 0倾角 ( 2 5 ) 2 2 分相流模型设计计算方法 一、 分相流模型【”1 分相流模型把管路内气液两相流动看作是气液各自分别的流动。为此，需首先气液 两相在管路内各自所占的流通面积，即截面含气率由和截面含液率h l 在把气相和液相 都按单相管路处理并计入相间作用，最后将气液相的方程加以合并。目前，截面含液率 和相间相互作用等数据主要依靠实验求得。为把流体力学基本方程应用于分相流模型中， 也需作两条假设：( 1 ) 气液两相有各自的按所占流通面积计算的平均速度ug 和u1 。 ( 2 ) 气液两相间可能有质量的交换，但气液两相介质处于热力平衡状态，相间无热量的 传递。显然，分层流、波状流和环状流等流型与分相流模型的假设条件比较相符。 6 第二章两相流管路设计计算方法简介 二、分相流模型压降计算公式 1 洛克哈特马蒂尼里压降计算法。嗍 洛马法的基本出发点是：认为气液两相问无相互作用，即把两相管路近似看作有两 条假想管路组成，一条输送气体，另一条输送液体。气液两条假想管路的流通面积分别 与两相管路中气液各自的实际流通面积相等。则 百d p 。弋2 百d p ) ，或生d l 。( 鲁) ， 卯p 4 + 1 2 。撕， 咖p 4 + - 】2 萁中z洛马参数 妒2 ，妒? 分别为分气相、分液相折算系数 系数1 1 是有流态决定的。 2 杜克勒i i 压降计算法撙 杜克勒认为，在实际管路中气液两相的流速不相同，相间存 在滑脱。只有在流速极高的情况下才可近似的认为两相问无滑脱存在。因此，他利用相 似理论并假定沿管长气液两相间的滑动比不变，建立了相问无滑脱时管路压降梯度的计 算方法。 d 口 av 2 。茅一d2p ! 咿p l 鲁坂鬻 其中：p ，气液两相混合物的密度( 2 - 7 ) 日。 截面含液率 矗。 体积含液率 杜克勒利用数据库中储存的实测数据，给出了截面含液率、体积含液率和雷诺数之 间的关系曲线便于计算。 2 3 流型模型压降计算公式 一、流型模型 流型模型是一种对两相流动的处理方法，该方法就是分清两相流流型，然后根据各 种流型的特点，分析其流动并建立关系式。按便于建数学模型的原则，某些学者把两相 西安石油大学硕士学位论文 流流型划分为：( 1 ) 分离流包括分层流、波浪流和环状流：( 2 ) 间歇流包括气团流 和冲击流：( 3 ) 分散流包括气泡流、分散气泡流和弥散流等。显然，流型模型处理方 法能更深入地揭示两相流各种流型的流体力学特性。但目前在工程上使用的大多是在实 验数据基础上确立的各种流型的经验关系式【9 】。 二、流型的划分法1 1 5 】 流型具有很多种划分的方法，不同的学者提出了不同流型划分法。针对水平管路， 贝克和曼德汉分别提出了自己的流型图。贝克流型图采用了埃尔乌斯流型分类法，只是 把不完全环状流和环状流合为一个流型。曼德汉流型图是以液、气相的折算速度为纵、 横坐标，共分为六种流型。它的使用范围比贝克流型图更为广泛，但是值得注意的是该 流型图未考虑流体物性的对流型的影响。针对倾斜管路，j b d l l 提出了布里尔流型图。 他认为有些流型图分得过细，难于客观的进行辨别。因此，他主张把流型只分为气泡， 分层、冲击、环状流四种。泰特尔认为，以实验观察为基础的流型分界图缺乏理论性， 带有一定的主观性。而且没有全面的考虑气液物性、管径、管路倾角对流型转变的影响 因此，泰特尔从流型转变的机理入手导出了流型转变的数学模型 三、压降计算式唧1 1 5 】1 s 】【堋闭 流型模型首先需要确定流型，根据不同的流型来选择对应的计算公式流型不同，相应 公式给出的能量损失机理不同，压降和持液率的计算公式也不同这是当前最有效的两相 流处理方法因为它与实际的两相流动从机理上更加接近主要的有代表性的压降计算公 式有e a t o n , b e g g s & b r i l l ，o l i e m a n s ，m u k h e j e e & b r i l l 等等这种按流型模型对气液两相流管 道进行的工艺计算需要考虑三个方面的内容，即流型的选择，持液率的计算和压降的计算 1 b a k e r 压降计算法 从1 9 5 4 年到1 9 6 7 年，b a k e r 发表了一系列有关油气混输管道压降计算方法的文章。 他认为，气液两相流动由于其流动形态的不同，产生压力损失的机理也不同，因而在分 析了许多研究者的实验数据和生产实测数据后，针对不同的流型总结出了不同的压降计 算经验公式： 1 。泡状流 5 4 ，0 f 垒。【 瓴 8 ( 2 8 ) ( 2 ，9 ) 盟瓴 4殳 7 流 ； 状 妒一最 麟 竺嵋 乞 第二章两相流管路设计计算方法简介 3 层状流 6 1 2 0 竺i 嵋 4 波状流( 采用汉廷顿麓奈特怀特关系试) a p - k 吉孚以 肌刎叫嚣厂 5 冲击流( 段塞流) 1 9 2 0 f 鱼 望1 卸。 p | ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 2 - 1 2 6 环状流 瓦a p 4 s _ 1 2 3 d ) 2 ( 。a p p 。i 。 ( 2 1 3 ) 其中：d ，o 2 5 m 时，均为o ，2 5 m 7 雾状流 贝克认为可以按洛克哈特一马蒂内利方法中液体紊流一气体紊流的情况进行计算。 气液各相的压降可以按照单相流动时的管路压降计算方法进行计算。 2 b r i l l 压降计算法 采用b d l l 和b e g g s 共同提出的关于倾斜气液两相管流的压降计算方法。b e g g s & b r i u 在长度1 5 c m 的倾斜透明管道中进行了大量的空气水混合流动的实验研究，得出了持液 率和阻力系数的相关规律( 具体关系式可参见文献【1 】) ，并在均相流动能量守恒方程式 的基础上提1 t t 了压降关系式。压降计算公式如下： 一 i l o , h 鼯i + p 而( 1 - h 再, ) g 瓣s i n a + a g w c 2 出， 9 西安石油大学硕士学位论文 日，一持液率，无因次 g 一混合物的质量流量，k g s p 一管道的平均压力( 绝对) ，p a h r 混合物的平均流速，m s h ，”一气相的折算速度，m s d 一管子的直径，m l ，管长，m a 一沿程的阻力系数，无因次 p 一密度，k # m 3 b g g s & b r i l l 通过实验发现了持液率与倾角之间的关系，是众多考虑起伏影响的两相 管路水力计算方法中，考虑下坡段压能回收的少数几种方法之一，许多研究者都证明了 该法是计算气液两相流管路压降的最好相关式。 3 b a m e a 压降计算法 由于b a m e a 本身并没有提出任何有关气液两相管流区分流型后的压降关系式，因此 采用b e g g s & b r i l l 方法与之配对。许多文献及研究者指出，b c 蹭s & b r i l l 方法在计算下倾 管段时考虑的压能回收过大，所以在与b a m e a 配对进行管路计算时，不考虑下倾管段的 压能回收。即当管路下倾时，b e g g s & b d l l 压降关系式作如下改进： 一鲁一可面瓦；“7,w面(2d赫a) ( 2 - 1 5 ) 一芎。i 防再习函讲瓦历 陋d 其它如持液率、阻力系数的求解方法和b e g g s & b r i l l 法一样。 4 x i a o b r i u 压降计算法【5 】 x i a t r - - b r i l l 针对不同的流型，从稳态流动的动量方程出发，分别建立了各流型 的压降计算模型。以上提到的各种计算压降的方法都没有考虑管道的压力、温度变化所 引起的相间质量、动量及热量的传递，而且一般将压降、持液率、温度等参数分别计算， 这不适合持液率很小的天然气凝析液混输管路的计算，只适用于油、空气一水及气油比 较低的两相流管路的水力计算，当用于天然气凝析液混输管路时难免会有较大的误差。 x i a o - - b r i l l 分别建立了四种力学模型，即：1 分层流模型，2 间歇流模型，3 环状流模型， 4 分散气泡流模型，来计算不同流型的管路的压降。 2 4 组合经验关系式法 在工程设计的实际运用过程中，针对不同的情况选择不同流型模型的压降公式和持 液率计算公式，常常能取得更好的计算效果。在p i p e f l o w 稳态多相流计算软件中，罗 列了各种流型模型的压降和持液率计算公式。因此，可以在设计过程中根据所要设计管 路的实际状况，选择合适的组合经验关系式。例如：较为大家所接受的b e g g s & b r i l l 压 1 0 第二章两相流管路设计计算方法简介 降计算公式和e a t o n 持液率公式的组合，能在天然气凝析油混输管路的工艺计算中取得 不错的效果嘲。 采用组合稳态相关式法，并没有考虑在两相流动中气液之间的相平衡计算。这显然 与实际的两相流动不相符合。因此，这种只采用稳态相关式计算两相流动的方法，精确 度不是很高相对来说，尽管采用组合模型计算两相管流准确性较高，但是针对于高压。 低持液率特点的天然气凝析液混输管道来讲，其精确度也不是很高。 2 , 5 瞬态模拟法 当前使用瞬态模拟的数学模型主要有两种。一种o l g a 瞬态模拟软件采用的双流体 模型，另种是t a c i t e 瞬态模拟软件采用的漂移流模型。 对于双流体模型的基本数学方程主要有质量、动量、能量守恒方程构成 1 质量守恒闭： 对于气相 砉眈以) 三丢“k 以k ) + + q ( 2 - 1 6 ) 对于靠近管壁的液膜 昙忆几) 一一装似k 见屹) 一彘w + q 对于靠近气相中夹带的液漓 去阢几) 。i 1 石oo 几) 一y 。瓦辛i + y 。一妒一+ 吼 式中： k 、k 、气相、液膜、液滴的体积分率，k + k + - l p 密度；v 速度； 管过流横截面积； g f 一相的质量源； 两相之间质量传递速率，以液相蒸发为正； y r 液滴夹带、沉积速率； 下标譬、厶旺气相、液膜、液滴。 2 动量守恒【2 j ： ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 耍窒至塑奎兰堡主兰堡堡圣一 假定内源g f 垂直于管壁进入管流中，那么对于气相和其中的液滴有 驰。以刚。) - - 三一旦o v , p , d + a v d 纠三) 一舻。+ ) 詈 一扣p 川石s g 一号a i p a i v ，卜，鲁+ 以p t + p t ) g c 口 眠击v 。+ 咿。v t - l f a v d 对于管壁中的液膜 否a 、v 。凡屹) 一去圭( a k 几吒) 一k 詈一丢九凡m 屹砑s l + 三 p ，1 v r v r 鲁 + 吒几g c o s a y 。k v + l 心一y 。峙+ 儿一屹d ( 几一以) g 警s i l l a 式中：a 管轴线与垂线的夹角； p 压力； _ 相x t 速度； & 、s 。、墨- 气相、液膜、气液相主体之间的界面的湿周； 下标f 气、液相主体之间的界面； 当液膜蒸发时，0 屹一h ； 当液滴蒸发时，y 。，0 吒- 5 当气体冷凝时，t 0 屹- ； 3 能量守恒阁：对于气液混合物 吾；f 州。( e 。+ 三v 。2 + 占 ) + 研。( e t + 三v ：+ 曲) + 研。( e 。+ j 1v ；+ 妙) 】 一斗以( 即卟掣z ( 即驴) 佻卜曲) 】 式中：e 单位质量的内能； h 。质量源的焓； 高程： u 管壁的传热量； ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) m f v f p f ，f g 、l 、d 上述的守恒方程适用于所有的流型。但是，对于某些流型，一些项可以略去。例如， 1 2 第二章两相流管路设计计算方法简介 对于段塞流或弥散泡状流，所有的液滴项消失。对于段塞流，摩擦压降项由三项构成： 液塞压降、气泡及其下面液膜的压降、液膜加速压降。 对于漂移流模型，冥基本方程有两个质量守恒方程( 气、i 硬相各一个、 量方程、一个混合物能量方程分别如下所示； 1 质量方程l 习 砉 p 以】+ 去【p 。y 】- 妒； 暑 p m 】+ 吉d m v ，】一y 。 2 动景方程闭 去p 。v t v s 】+ 丢h v ? 帆匕v ；+ p + m 。】一r 一( p 。y 。+ p l hk s i n0 鲁【p 一，+ 0 5 v 小ps y 。，+ o 5 v ：) 一p + 0 5 m 。】 + 丢- m v ，白。+ o 5 v 班p l v 。白。+ o s v ；) + 三。】一 一q 一g 。y 。v 。+ p a _ v ，k s i s0 舯射。- m p 猩，| 警g 暑) 2 】 w 帅嘎篇忙钟+ 虹毕创】 一个混合物动 ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 佗一2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 声分离流分率，对于分离流卢= 1 ，对于弥散流卢= 0 ，对于间歇流o 卢 1 ； 下标j j f 相，对气相= g ，对于液相置= 1 ； 上标s 、d 、r 分离流、弥散流、管壁； p 管道轴线与水平面的夹角； ，管壁摩擦项； 口，通过管壁的传热项。其他符号同前。 2 6 天然气凝析液管道的热力计算 一、 轴向温降的计算 s l 1 3 西安石油大学硕士学位论文 由于多相流动的复杂性，专门针对于天然气凝析液管道温降的计算方法还未见有过 正式的书面报道，实际工程中只好采用适合于单相流动的苏霍夫公式进行估算，这样当 然会造成很大的误差。该公式为： p 瓦也一r 0 ) c - d l 学( 1 ) k t r d 口l g c 。 其中：一管路的起点温度； l 一管线周围的介质温度； k一总传熟系数；(2-27) d 一管外径； g 一气体的质量流量： i ，一气体的定压比熟； 工一管长： d 一焦耳一汤姆逊效应系数5 p 口p z 一管路起终点的压力 该式考虑了由于焦耳一汤姆逊效应所引起的温降。 还有些学者认为只需要知道传热系数k 值、管线的压降d ，d x 并考虑焦耳一汤姆逊效 应从热力学计算的能量平衡方程出发推导可得如下方程： 弓- 啄母去加习+ 壶妒一心 式中坤一铀r 乏一酗i 帕一嗳； 肼焦耳汤姆逊效应系数 ( 2 - 2 8 ) c i 混合物定压比热； 囊一传熟系数： 此公式假设了两相之间没有速度的滑移，忽略了油品在管路中的径向温度变化【7 】。显然 d。d。 该式中除了传热系数k 与压降乏，其它一般均为常数。因此，求得传热系数k 与压降z 是至关重要的。只要有了它们，就可以得到温度沿管线变化的温降曲线。传热系数的确 定当前有很多种方法，这里不再叙述。 2 7 天然气凝析液管道持液率的计算 持液率的计算是两相流压降计算的重要一环，持液率方法选择的好坏直接关系到了 压降计算的准确与否学者们根据各自的经验给出了不同的计算持液率的经验相关式 1 e a t o n 持液率方法阿。 e a t o n 等人以天然气，水，原油和馏分油混合物为实验介质，在2 i n 和4 i n 的管道上分别 1 4 第二章两相流管路设计计算方法简介 做了大量的实验，并得出了一个基于流体物性，各相流量，系统压力和管径的持液率相关式 他们采用了r o s 在研究垂直两相流动时提出的无因次比率和一个考虑天然气密度随压力 变化的无因次压力e a t o n 的持液率相关式如2 2 9 式所示 h i - ，( e h ) 岛一番嘣甜。 ( 2 2 9 ) 由于实验所限e a t o n 等人绘出了0 0 0 1 f 1 0 范围内e 畦与h l 的关系图，参照t u l s a 大学 的多相流程序，发现e 蝴的范围在0 0 0 1 1 e i l - - 1 0 0 时，对应的h - - 1 0 。 2 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 持液率方法嗍 研究者广泛采用了其它学者的实验数据，并在此基础上得出了这个持液率的相关式。 这些实验的实验介质是空气和诸如水、苯或其它油品等液体所组成的混合物，实验管径 范围为0 0 5 8 6 1 0 1 7 i n 。虽然实验管径范围较小，但这种方法还是广泛应用于工业领域。 a d e w u m i 给出了l o c k h a r t - - m a r t t i n e n i 持液率的相关式如下： h f - 1 0 9 q - 一0 6 4 2 4 3 4 + 0 4 8 5 8 6 6y 一0 1 3 2 0 7 9 2y 2 + 0 0 1 9 4 2 5 2 7y 3 y l g x 式中：x l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数 ( 2 3 0 ) 3 d u k l e r 持液率方法 d u l d e r 运用动力相似法分析，通过a g a ，a p i 数据库中持液率的实测数据，针对水 平管路提出了一个持液率相关式。在这个相关式中，混合物的密度计算涉及到物性范围、 管径以及流量的范围，而混合物粘度的计算则与入口含液率有关。当两相雷诺数很大时。 持液率基本上等于入口的体积含液率。这是个隐式关系式，需要迭代求解。陈家琅先 生在石油气液两相流中给出了持液率h e 与体积含液率r l 的关系图，如图所示。图 中r l 可由管路气液体积流量求得，而持液率与雷诺数之间呈隐式函数关系，需要进行猜 算。先假设一个值，通常当r l 一 一0 3 时，令h l - - r l 分别 计算出混合物密度、粘度和雷诺数后，从图中查得实际的h l 如果查得的h l 与假设的 王l 之问的相对误差超过5 ，则需要另设h e 值，重复以上的计算直至满足精度要求。 4 m u k h e r j e e b r i l l 持液率方法 1 9 8 3 年m u k h e r j e e b r i l l 针对倾斜管路对气液两相管流的持液率进行研究。实验介质 以空气为气相，煤油或润滑油为液相，管道倾角可在0 - - - - + 9 0 。之间变化，实验温度在 7 8 5 5 5 6 。c 。实验共得到1 5 0 0 多组数据，根据这些数据，m u k h j e e b d l l 回归了在管路 上倾和下倾时的持液率相关式。所