（油气储运工程专业论文）埕岛油田混输管网工艺参数优化研究.pdf

t h e s t u d y o fp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n o fm u l t i p h a s em i x i n gt r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k i nc h e n g d a oo i l f i e l d z h a n gy a n p i n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e n gy o n g x u n ，l iy u x i n g a b s t r a c t w 油m a n yy e a r s so i le x p l o i t a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs h e n g l ic h e n g d a o ，i ti sat r e n d t h a tt h eb a c k p r e s s u r eo ft h ep i p e l i n es y s t e me n dp l a t f o r mi sg e t t i n gh i g h e ra n dt h e r ei ss t i l l s o m ep o t e n t i a lp r o c e s s i n gc a p a c i t y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，b a s e do nt h es o f t w a r e p i p e p h a s ea n do p t i m i z a t i o nt h e o r y ，t h i st h e s i ss t u d i e dt h e o p e r a t i o n a lm o d u l e ro f c h e n g d a o ，b u i l dm o d e l ，o p t i o n i z et h ep r o c e s ss i m u l a t i o nt h a tf i t t i n gt h eg a t h e r i n ga n d t r a n s f e r r i n gp i p e l i n en e t w o r k s ，o p f i o n i z et h ed e s i g no fi 而1 1w e l l s f i r s t l y ，b a s eo nt h ep r o d u c t i o nr u n i n g d a t ao ft h ey e a ro f2 0 0 7 ，u s ep i p e p h a s e s o f t w a r et oa n a l o gc o m p u t a t i n gs i xs u b s e ag a t h e r i n ga n dt r a n s f e r r i n gp i p e l i n e so fc h e n g d a o ， p i c ku pt h em o s tm a t c h i n gh y d r a u l i cc a l c u l a t i n gf o r m u l a , c o n t r o lt h ee r r o rw i t h i n5 s e c o n d l y ，a n a l y s es o m ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ep r e s s u r ed r o p p i c ku pt h em o s tm a t c h i n g f l o we f f i c i e n c y ，d e d u c t i o nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr u n n i n gl i f e a n df l o we f f i c i e n c y ， d e d u c t i o nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t yb r e a ka n dp r e s s u r ed r o p i nt h et h e r m a lc a l c u l a t i o n ，p a r a m e t e rki sr e v e r s ec a l c u l a t e da n dt h et o l e r a n c ei s c o n t r o l l e du n d e r10 f i n a l l y ，b a s eo nt h ep r o d u c t i o nr u n i n gd a t ao ft h ey e a ro f 2 0 0 8t o2 0 0 9 ，u s et h eo p t i o n a l f o r m u l at os i m u l a t e ，f i n dt h ep r o b l e mo fp i p e l i n en e t w o r ka n da d j u s t o p t i o nt h ed e s i g no fi n f i l l w e l l k e yw o r d s ：g a t h e r i n ga n dt r a n s f e r r i n gp i p e l i n en e t w o r k s ，p i p e p h a s e ，h y d r a u l i c c a l c u l a t e ，t h e r m a lc a l c u l a t e ，f l o we f f i c i e n c y ，v i s c o s i t y r e d u c t i o n ，o p t i m i z a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈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。与我一同工作的同志 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：彳瑟二越津 日期：7 年 月日 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： 塑丝盏一 指导教师签名：二垒卜蠹兰年 日期： 日期： 年月 日 年月 日 十国“ 学( 牛东，坝l ：学也沧止 1 研究背景及目的 第一章前言 胜利埕岛海上油 兀位十黄 l l f = 期洲东北部的渤海海域中，陆上与位于山东省的胜利 桩西油f h 相邻。自1 9 9 3 年币式开发至今已有1 0 多年的历史，多年的滚动j f 发在埕岛主 体区域建成了以中心一号、二号平台为中心的埕岛主体区域海上生产系统，见图i i 。 主体区域同前已建成平台9 0 多座，海底管线1 7 0 多公里，海底电缆1 7 0 多公里。 ： q 只 同1 - 1 埋岛油田管嗍分布图 f 唔l _ ip i p e l i n e d i s t r i b u t i o ng r a p ho f c h e n g d a o o i l f i e l d 随着胜利埋岛海上汕闭勘探j 发不断深八，根据加密井调整规划，在埕岛油田主体 区域需新打3 0 0 多口调整井，新建产能约2 4 7 “吨，以实现对老油减的替补，见图i - 2 。 埘十已建海底管道，经过多年的滚动 - 发，有些平台管路部分未端i , 1 i i 、已较高，新建平 台所产物流进入时前集输管m 难度报大。嗬现有中心甲台在老扑提被后尚有较大的剩余 液请处理能力。 第一章前吉 图1 - 2 埕岛油田开发调整部署图 f i g l - 2d e v e l o p m e n ta n dd e p l o y m e n tg r a p ho fc h e n gd a oo i lf i e l d 在不同的产能区块内，集输油管线输送混合介质流速分布不均匀，有的区域管网流 速总体偏低，有的区域管网流速总体偏高，由于流速分布的不合理，导致地面管网部分 支管线和输油干线负载过大，流速太高，使管线内的砂子对管道底部的磨蚀严重，不仅 降低了管线的使用寿命，增加了日常维护和和设备更新费用，而且造成原油产量损失， 环境污染机率上升。 目前主体区域集输管道寿命均在8 年以上，管道承压能力缺乏手段去评定，管网部 分术端管道干压已升至2 0 m p a ，对油井举升工艺和管道运行安全产生较大危害，随着 埕岛油田老区开发时间的延长，集输负荷同益加大，未来开发时间内集输系统运行状态 是否能满足生产? 集输管网运行实际工况与计算值有多大误差? 误差产生的原因是如 何产生的? 产生的问题如何解决? 等等问题都需要系统的研究，做到及时判别和提出解 决措施。 为了从根本上解决这一问题，必须调整目前管网中流速分布不合理的现状，优化管 网结构，选择合适的管径，特别是新添油井的连入点位置以及管径大小，从而达到提高 钢管使用寿命，提高经济效益的目的。 2 中国石油人学( 华东) 顾上学位论文 1 2 国内外现状 可用来进行多柏混输管线流型判别和管线压降计算的模型较多，而且与五十年代的 模型相比有了很大进步，判别的准确性和计算精度已有很大提高。但是到目前为止，仍 没有适用于各种管径、各种流型，而且既精确又简单的多相混输管线计算模型可供工业 应用。以实验的经验参数为基础，缺乏深入的理论联系是目前多相流模型的普遍性问题， 这些模型一般很难揭示多相流的本质特征，因此不可避免地导致通用性差。 集中体现计算模型特点的是多相混输管线模拟软件，尽管目前在世界上广泛流行的 p i p e f l o w 、p i p e p h a s e 和o l g a 等这类功能较强的稳态或动态模拟软件，但对各类 多相流管路的适应性和计算精度仍有待提高，可以说到目前为止尚无一个软件受到普遍 的赞誉【】1 2 】1 3 】1 4 】。 计算的不精确必然影响管线的设计和操作，而导致两种可能的结果：要么偏于冒险， 使管线系统的安全性下降；要么偏于保守，造成不必要的经济浪费。这些问题在多相混 输管线的设计和操作中都不同程度地存在，并以后一种居多。例如在水合物生成条件预 测方面，当温度一定时，许多软件预测的水合物的生成压力均低于实验值【5 】1 6 1 1 7 】1 8 】。 通常根据平衡稳态对管线进行设计。但在实际情况下，流动通常处于不稳定状态， 例如气液流量变化、出口压力变化、管线启动与停输、管线排空、误操作、管线和设备 不匹配、通球清管和管线泄漏等诸多情况。这时流动状态随时间而变，某些参数可能发 生剧烈变化，与稳态相差很大，并且需要有较长的时间才能重新达到新的稳定状态。而 且在实际运行中，由于各种条件的影响使管线各处的流动参数很难达到稳定值，如管线 倾斜1 。会引发不稳定段塞流。稳态是相对的，只是一种近似的假设，实际上两相流管 道总是处于瞬变流动状态1 0 l 【1 2 】。 可见稳态模型的使用受到很大限制，因为它不能反映管路工况变化后的流动变化过 程。工程上采用较大安全系数( 扩大管径或增加分离器容积) 来处理多相流动。这样有 可能产生不利影响，如增加投资和操作费用，采用不必要的节流等。为经济的设计和运 行油气两相流管线，研究油气管线瞬态过程至关重要，它能在很大程度上指导和改善多 相流管线的生产管理。分析管线中的瞬念两相流不仅对设计气液处理设备，而且对安全 操作和环保有关的问题都是必不可少的，目前已受到越来越多的重视，如管线泄漏，但 是瞬变流的研究难度很大，室内模拟很难。出现一些瞬态气液两相流软件，比较出名的 有o l g a 、p l a c 、t i c i t e 和t u f f p 等，但国内这方面的研究还很少，起步也较晚1 1 3 】【1 4 】 3 第章前言 1 3 主要研究内容 本文旨在对胜利埕岛海上油田油气集输管网进行优化，对新建产能进入埕岛油f 日海 底油气集输管网系统进行模拟，对埕岛油气集输管网的适应性进行综合评价，为埕岛油 田油藏调整、二次丌发提出较为可行的规划方案。本论文的内容主要包括： ( 1 ) 混输工艺计算模型的比较筛选与模拟系统的建立：针对目前的生产现状，利 用收集的生产运行数据，筛选出适合于埕岛油气集输系统的工艺计算模型，建立准确的 水力、热力模拟模型。 ( 2 ) 分析影响压降的几个重要因素，得出管线年限和流动效率的匹配关系以及加 降粘药剂对回压的影响。 ( 3 ) 反算管路系统的传热系数，分析影响管输能耗的因素及应采取的措施。 ( 4 ) 针对埕岛油田的油藏调整及二次丌发方案，对老区进行调整。 ( 5 ) 提出可行的油井加密方式以及集输系统规划设计方案，优化油井隶属关系、 管线直径以及压力、温度等操作运行参数。 4 中固彳i 油人学( 华东) 硕上学位论文 第二章多相流水力计算 在气液两相流管线的研究、设计和生产过程中，压降计算是很重要的内容，它引起 了许多专业人员的高度重视。两相流压降计算主要分水平管线、倾斜管线和垂直管线等 三种类型。两相流动非常复杂，尚处于不断深入的研究过程中。目前世界上发表的多种 两相流压降计算公式大体上可以分为三种： 第一类是均相流模型压降计算公式。它是把气液混合物看作一种均匀介质，按单相 管线计算，只是由实验和实测数据确定气液沿管共输时的水力摩阻系数。目前国内常用 的计算公式多数属均相流模型； 第二类是分相流模型压降计算公式。较著名的有l o c k h a r t m a r t i n e l l i 和d u k l e r 压降 计算法； 第三类是流型模型压降计算法。这类方法首先要确定流型。由于流型不同能量损失 机理也不同，因而计算公式也不尽相同。 近年来国外的研究多数倾向于后两种类型的计算，所发表的公式都是在室内或是现 场实验基础上导出的，属于半理论半经验模型，而在实际应用中，现在流行的方法是根 据不同的内容选用不同的公式进行计算，即所谓的混合模型压降计算法，以力求取得较 好的计算结果。如用e a t o n 公式计算持液率，而用b e g g s & b r i l l 公式计算压降。 实际应用表明，这一方法能在某一工况范围取得较理想的结果。 2 1 均相流模型 2 1 1d u k l e ri 压降计算法 d u k l e ri 法假设气液两相在管路内混合得非常均匀，符合均相流模型的假设条件， 可把气液两相管路当作单相管路进行水力计算，只是在计算中用气液混合物的各项参数 取代单相流体的参数。即管路的压降梯度用达西公式计算： a p 九0 p f d l d2 ( 2 1 ) 其中，五为气液混合物的水力摩阻系数，用下式计算： 2 = 0 0 0 5 6 + 蔷 两相雷诺数 5 第：章多相流水力计算 为： 氐p | re = 上 斗 w = 咝a = w w 踞 w = 2 = ，+ 一 p | = d p g 七心一8 、9 p = b ”g + 心一们“l = 矗 d u k l e r 认为，流体沿管长流谏的蛮化还将产牛由加谏席引走己的乐力榀央苴计笪式 d p ( 辨舌 ( 2 2 ) ，：q q s p p p o p z 上式中，j 为由加速度所引起的与压力梯度有关的系数，无因次；p 为管路的平均 压二；( 害) ，为考虑流体加速度引起的压力损失后，管路的压降梯度。 管路内由于流体速度变化所引起的压力损失，与摩阻损失相比，一般很小，常可忽 略。 2 1 2h a g e d o m - b r o w n 垂直两相流压降关系式 此压降关系式不需要判别流型，被认为是竖直向上流动的最好压降计算法，在倾角 大于7 0 。时最准确。其压降梯度方程为： 百- d r 十几面m 2 + 掣 3 ) 式中，气液相真实密度按下式计算： p = 岛巩+ b ( 1 一h 。) 由于动能引起的压降梯度甚小，可忽略不计，则有： 6 中国彳】油人学( 华东) 硕上学位论文 旯的计算： 百- d p = g 十几瓦m 巧2 ( 2 4 ) 为了确定z ，h a g e d o m b r o w n 首先定义两相混合雷诺数： d u p f re 。= _ 式中： 鳓_ 液相混合物粘度，p a s = 胪心卅； 材混合物流速，m s ； 乃混合物流动密度，乃5 鲰+ ( 1 - ) 力。 r e m 确定后，可由m o o d y 图查得，或由m o o d y 提出的c o l e b r o o k 和w h i t e 关系式 进行计算： - 万1 = 1 7 4 - 2 l g 睁面1 8 7 协5 ) 式( 2 5 ) 为隐函数，可用迭代法计算，此式可用于紊流的光滑管，过渡区及完全 粗糙区。1 9 7 6 年，j a i n 提出了直接计算的显示公式： - 万1 = 1 1 4 - 2 1 9 睁研2 1 2 5 协6 ， 式( 2 6 ) 与式( 2 5 ) 比较，在相对粗糙度为1 0 - 6 1 0 2 和雷诺数为5 1 0 3 1 0 8 的 范围内，萁误差在l o 以内。 2 2 分相流模型 2 2 1l o c k h a r t m a r t i n e l l i 压降计算法 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 是最早提出水平两相管路摩阻压降计算公式的学者之一。他们的 工作对后来两相管路的研究有着重大的影响。l o c k h a r t m a r t i n e l l i 实验的各种参数范围 为：管径1 4 9 2 5 。8 m m 、管长0 6 7 一1 5 2 m 、压力o 。1 l o 3 6 m p a 、温度1 5 , - - ，3 0 。c 、流 动介质为空气水、空气煤油、空气一苯等。 7 第：章多相流水力计算 在推导两相暂路胜降计算时，l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 的基本出发点是：气液两布h 1 日j 尢相 互作用，把两相管路近似看作由两条假想管路组成，一个输送液体，一个输送气体。气 液两相管路的流通而积分别与两相管路中气液各自占有的实际流通面积相等。 由此的推得两相管路压降可表示为： 面d p2 u 2 ( 百d p j 、，百d p2 h 2 ( 面d p j g 、 ( 2 7 ) 从上式中可以看出，求出分液相折算系数刃或分气相折算系数续以及d l1 d p 或 r1 ( 等) g 就可以由上式求得两相混输管路的压降梯度。( 等 ，和( 警) 呵由式。2 剐和 ( 2 9 ) 求得。刃、续可由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 求得。 一f ，塑1 ：互业：生垒二生垡( 2 8 ) 一i j = 一一= 一- 一 l 一o ， ld l 1 d2d2 a 2 p ， 、7 一f ，竺1 ：一2 9 p g w 毫：生兰生 ld lj g d2d2 a 2 岛 ( 2 9 ) 式中： ( 双( 筑一为0 路液相或气相流动时的压降械 d 管路内径，m ； a 管路流通面积，m 2 ； p l 、p g 管路条件下液相和气相的密度，k g m 3 ； x 混合物中的质量含气率，无因次； g 两相混输管路质量流量，k g s ： w s g 、w s l 分别为气相和液相的折算速度，州s ； 名g 、旯，两相管路内只有气体或液体流动时的水力摩阳系数。 令n 黔 8 ( 2 1 0 ) 中固彳j 油人学( 华东) 硕j j 学位论文 式中： x 2 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数。 c h i s h o l m 推导出计算疗和的公式如下： 卯= 1 + i c + 可1 蝶= 1 + 以+ x 2 c 值通常由实验确定。c h i s h o l m 推荐的c 值列于表2 1 中。 表2 1c h i s h o l m 公式系数c 值 t a b l e 2 1cv a l u ei nc h i s h o l m t tl tt 1l l 2 0 1 21 0 5 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 表中，t t 、i t 、t l 、1 1 中的第一个字母代表液体流态，第二个字母代表气体流态。其 划分依据为： r e ，：p l w a d 1 0 0 0r e 。：p g w , g d 1 0 0 0 紊流层流( t 1 )r e ， 1 0 0 0 ；r e g 1 0 0 0 紊流紊流( t t )r e ， 1 0 0 0 ；r e g 1 0 0 0 求出( 爿和( 双进而桶磐嘶可螂7 阚相按单相流压降计算法求出l 面j ，和l 面j g ，进而求得x 2 和旌，可按式( 2 7 ) 求两相 管流单位管长上的压降。 l o c k h a r t m a r t i n e l l i 压降梯度计算法发表于1 9 4 9 年，是早期混输计算方法中较好的 一种。该法适用于管径较小、气油t ：l 不高的油气混输管路，随管径的增大其计算误差增 加。 2 2 2d u k l e ri i 1 7 1 压降计算法 d u k l e r 由两相混输数据库的实测数据归纳并利用相似理论求得混输管路的压降计 算方法。由于数据的局限性，d u k l e r 建议该法的适用范围为：截面含液率为0 0 1 1 0 ， 体积含液率为0 0 0 1 1 0 ；管径不大于5 5 英寸；两相雷诺数为6 0 0 - - 一2 0 0 0 0 0 。 第二章多相流水力计算 d u k l e r 认为，在实际管路中气液两相的流速常不相同，相间存在滑脱。只有在流速 极高时才可认为相问无滑脱存在。因而，他利用相似理论并假定沿管长气液相问滑动比 不变，建立了相间有滑脱时管路摩阻压降的计算方法。 一i d p ：互盟 ( 2 1 3 ) 一一= 一一 i 二一 d ，d2 、 两相雷诺数 气液混合物流速 r e ：尘堕 w ：华：1 4 ；心 w = = 。= ，+ w 。 么 “ ” 气液混合物粘度 2 触。+ ( 1 一址， 混合物体积含气率肛去 气液混合物的密度可按下式计算 旷所等+ 熊斟( 2 - 1 4 )- p l 盲邮g 首 式中： h l _ 截面含液率； r 广- 懒含液率朋c 2 盘。 d u k l e r 利用数据库中的实测数据，得出h l 、r l 和i 日j 的关系曲线如图2 1 所示。 h l 值需要猜算。一般先假设一个h l 值( 通常当r l o 3 时，令h l = i 5 r l ；当r l 0 - 3 时，令h l = r l ) ，按式( 2 1 4 ) 求成，进而求得心后，由图2 1 查h l 。若查得的h l 值 与假定的h l 值相差超过5 ，需重新假设h l 值重复上述步骤，直至两者误差小于5 为止。相间有滑脱的水平两相管路的水力摩阻系数由下式计算： 五= c0 0 0 5 6 + c 2 小， c 为系数，是r l 的函数，其函数关系见图2 - 2 ，回归表达式为 c ：卜些( 2 - 1 6 ) s o 1 0 中国石油大学( 华东 硕 ：学位论文 s o = 1 2 8 1 0 4 7 8 ( - l n r l - i - 0 4 4 4 ( 一i n r ) 2 0 0 9 4 ( - i n r l ) 3 + 0 0 8 4 3 ( 一i n r ) 4 d u k l e r 法是气液两相管路比较流行的计算方法之一，但其j 畏降和持液率计算值有偏 低的倾向。7 0 年代d u k l e r 法曾被a p i 推荐应用于湿气管线。 d u k l e r 法只适用于水平两相流管路，也不考虑加速损失项。对于倾斜管路常用 f l a n i g a n 相关式求附加高程变化压能损失，两者相加求出倾斜管路的压降损失。此时， 称为d u k l e r f l a n i g a n 混合模型压降计算法，简称d f 。若用e a t o n 法求h l 值及加速损 失并用f l a n i g a n 相关式求附加高程变化压能损失时，则成为d u k l e r - e a t o nf l a n i g a n 混合 模型压降计算法，简称d e f 。 ， 2 2 u i i 图2 - 1r l - h l _ r 关系曲线 f i 9 2 - 1 r l - l t l - r er e l a t i o nc u r v e 一 喇 一。 十。 一 _- 。 _ - 、 、 一一二 一 、 ，- - -，- 一_ r 1 图2 - 2c - r l 关系曲线 f i 9 2 - 2c - r l 他l a t i o nc u r v e 第一：章多相流水力计算 2 3 流型模型 2 3 1b e g g s & b r i l l1 1 9 1 压降计算法 旦氅竺兰坐= 差, 。d 3 陋，7 ， 引，一h q + 6 一上k 飞，尸 一 1 2 中国石油人学( 华东) 硕j j 学位论文 以气相密度，k g m 3 ； g 气液混合物的质量流量，k g s ； w 气液混合物速度，m s ； w s g 一吨相析算速度，m s ： 6 管线倾角，度； g 重力加速度，m s 2 。 2 3 1 3 两相管路的流型划分 为归纳实验数据和计算的方便，b e g g s & b r i l l ( 1 9 7 7 年又经b r o w n 修正) 把两相管 路的流型划分成四种，即 分离流：包括分层流波浪流和环状流： 间歇流：包括气团流和冲击流； 分散流：包括气泡流和弥散流( 或称液雾流) 。 b e g g s & b r i l l 由实验得出的两相管路流型判别准则见表2 - 2 。 表2 - 2 两相管路流型判别准则 t a b l e 2 - 2t w op h a s ef l o wp a t t e r nc r i t e r i o n 流型判别准则l 的计算式 r lf r 分离流 o 0 1 l il i = 3 1 6 r l o 3 0 2 o o l l 2 且 l 3l 2 = 9 2 5 2x 10 4 r l 24 6 8 4 间歇流0 0 1 且 l 3 且 l 3 且l 4l 3 = 0 1 0 r l 。1 4 5 1 6 分散流 l 4 l 4 = o 5 r l _ 6 7 3 8 2 3 1 4 截面含液率的计算法 b e g g s & b r i l l 引入倾角修正系数w 用以表示倾斜管截面含液率与水平管截面含液率 之比，即 y 2 锑 亿 式中： z 倾角为6 时的截面含液率； 1 3 第一二章多相流水力计算 t t ，( 0 ) 水平管的截面含液率。 于是，求倾斜管截面含液率的问题就转化为求水平管截面含液率和倾角修正系数 v 。 许多学者的研究表明，水平管的截面含液率h l ( 0 ) 主要取决于体积含液率r l 值和以 下式表示的富劳德准数 厅：! g d ( 2 1 9 ) 水平管截面含液率可以采用不同的持液率相关式进行计算。当不用如下的b e g g s & b r i l i 持液率相关式( 式2 - 2 0 ) 而用其它持液率相关式( 如e a t o n 、d u k l e r 或h a g e d o r n & b r o w n ) 计算水平管的持液率时，就成了所谓的b e g g s & b r i l l 混合模型压降计算法。如 用e a t o n 持液率相关式并用m o o d y 图求水力摩阻系数时，就成了b e g g s & b r i l lm o o d y e a t o n 混合模型压降计算法，简称b b m e 。 按两相管路流型，可确定水平管截面含液率。由实验得到的计算通式为： 巩( o ) = 芳 ( 2 - 2 。) 式中： 斤，：旦 9 + p 占 ( 2 2 1 ) 系数a 、b 、c 的数值取决于流型，其值见表2 - 3 。过渡流型的截面含液率按下式计 算： 日z ( 0 b = a h ( o k + b h - ( o ) ，( 2 - 2 2 ) 式中： 彳：l ：l - e l 厶一l 2 ： b ：1 一a 下标t 、s 、i 分别表示过渡流、分离流和问歇流。 1 l j 的计算通式如下： 妙2 + c s i n ( ，8 9 ) 一 s i n 3 ( 1 8 护) ( 2 2 3 ) c = ( 1 一墨) l n 胁；j 7 v 厶露) ( 2 - 2 4 ) 1 4 巾国，f i 油人学( 华东) 硕士学位论文 式中： n 。一液相折算速度黻讥，g 。” n l 、广液相折算速度准数， d ； r 液相表面张力，n m ； d 、e 、f 、g 是与流型有关的系数，其值见表2 - 4 。 由表2 4 可以看出：上坡分散流时，管段向上倾斜对截面含液率无影响。此外，对 于下坡管段，不管其流型如何，c 值计算式只有一个，这是因为事实上在下坡管段上观 察到的流型几乎总是分离流型。 对于6 = 9 0 。的垂直管路： 沙= 1 + o 3 c( 2 2 5 ) t a b l e 2 - 3a 、b 、cv a l u e 流犁 ab c 分离流0 9 8 00 4 8 4 6 0 0 8 6 8 间歇流0 8 4 50 5 3 5 1 o 0 1 7 3 分散流 1 0 6 50 5 8 2 40 0 6 0 9 表2 _ 4 系数b 、e 、f 、g 值 t a b l e 2 - 4 b 、e 、f 、gv a l u e 流 型 def g 上坡分离流 0 0 1 1 3 7 6 83 5 3 9 1 6 1 4 上坡间歇流 2 9 60 3 0 5- 0 4 4 7 30 0 9 7 8 上坡分散流 c = 0 ，t l j = 1 卜坡各流型 4 7 0 一0 3 6 9 20 1 2 4 4- 0 5 0 5 6 b e g g s & b r i l l 相关式计算下坡流动时，持液率偏大，压力回收过大，导致计算的压 降值过小。特别在下坡流动时，修正系数少有可能出现负值，从而导致计算出现较大偏 差。 下面研究修正系数5 f ，出现负值的临界条件。 理论推导： 对式( 2 2 3 ) 分别求出的一阶和二阶导数： 1 5 第二毒多相流水力计算 譬：1 8 c c o s 3i 8 p d 8 ( 2 2 6 ) 霉：9 7 2 c c o s 21 8 p s i n l 8 p 妒2 ( 2 2 7 ) 单调性分析： 由式( 2 2 6 ) 可知：当一9 0 。1 8 9 0 。即一5 0 。5 0 。时，芳。，为增函数： 当一9 0 。 一5 0 。或5 0 。 o 0 即f l 0 0 时，彬2；s i n l 8 p o 0 即f l 0 0 时，参 1 5 时，才能出现负值的情况，即c = 1 5 为修正系数沙出现负 值的临界条件。 c 的取值范围： 根据函数的单调性分析，如果= 一9 0 。时，：0 0 ，则对所有下倾管沙都会出现 1 6 中m l i ，牛采) 学论立 负值的情况此时。达到最大值：将，一，。代入式”2 t + c s t s 所一；s i n3 ( 1 s p ) ， i f _ 令= 0 0 解 c = 33 4 2 ：内此c 的取值范围：0 - l0 ，只需”，( o ) l _ 0 将 ：32 2 8 代八，可得h ，( 卢) 超过lo 的条件：h f ( 2 03 0 9 7 。 根据上面分析得出；在下坡管段一般1 ：用b b 相关式讨算持液率，在上坡管段，如 果对应的水平持液率大于o3 0 9 7 ，也不能用b b 相关式训算持液率。 f b l 、通过程序编制验证 在c 的取值范围：0 - c s3 3 4 2 选定某一c 值，倾角在( 9 0 。9 0 。) 范围内变 化时，汁算出修正系数妒值。由丁数据比较多，下面仅讨论具有代表性的c 值，如f 罔 所示： 圈2 - 3 倾角修正系数与管道倾角的关系曲线 f 略- 3 c o r r t c t i o n f a c t o r a n dr e l a t i o n o 第二章多相流水力计算 从图2 3 可以看出： 、c 二二1 5 为修正系数出现负值的临界条件。c i 5 时，不会出现 i 5 时，才会出现沙 o 0 的情况。 、在上坡和水平管中，采用b e g g s & b r i l l 相关式计算持液率，不会出现 o 0 的情况；但在下倾管中，有可能出现y 0 0 ，因此为了保证程序无条件收敛，在下坡时， 一般不采用b e g g s & b r i l l 相关式计算持液率，可采用x i a o & b r i l l 相关式进行计算。 p i p e p h a s e 软件在处理 1 5 时，越远离1 5 ，出现 0 0 对应的下倾角范 围越大且倾角以- - 5 0 0 为中心，两边对称。 表2 5 t a b l e 2 5 c 值 1 5 0 11 5 l1 5 21 5 3 缈 0 0 倾角( 度) 5 6 4 46 l - 4 16 4 3 76 6 3 4 c 值 2 03 o3 33 3 4 2 0 0 倾角( 度) 8 l 1 98 8 1 28 9 - 1 1 9 0 0 说明：文献【1 8 】介绍：运用b b 相关式计算f 坡流动时，持液率偏大，这和上面讨 论的在下倾管中倾角修正系数少 0 ，日，( ) 为正值的情况，否则不能用b b 相关式进行持液率计算。上述讨 论v 0 的临界情况，目的是为了寻求b b 相关式的适用范围。 2 3 1 5 两相水力摩阻系数的计算法 设上述两相管路的水力摩阻系数为五，相同条件下两相均匀混合，相间无滑脱的水 1 8 中国( i 油入学( 华东) 硕上学位论文 力摩阻系数为五o 。如果不考虑相问的滑脱，则可用彳。代替五( 此时称为b e g g s & b r i l l 无 滑h 兑压降计算法，简称b b n s ) 。如果考虑相问的滑脱，则由实验可知，两者比值旯力。 与截面含液率日，p ) 、体积含液率凡的关系呵用下式表示： 三：矿 a 。 ( 2 2 8 ) 式中： ”200523-318 2inm+08725(1nm ) 2 - 0 0 18 5 3 0 n m ) 4 辨：置 - ，p 汗 辨= 矗，1 秒j r 当1 m 1 5 m s 时，b a k e r 建议采用下式计算f e 。 ( 2 3 3 ) 驴3 17 5 x 1 0 5 参 ( 2 _ 3 4 ) 式中： q 一液相质量流量，k g s 。 w 。g 气相折算速度，l n s ； a 管线截面积，m 2 。 f l a n i g a n 相关式不是两相流管路压降的一种独立计算方法，它常用于与各种水平两 相流管路压降计算法结合，计算倾斜两相流管路的压降。 2 3 3e a t o n l 2 0 】压降计算法 2 3 3 1e a t o n 实验简述 e a t o n 等人用了三种直径的管线进行试验：一条2 英寸管线，长1 7 0 0 英尺，液体流 2 0 中国石油人学( 华东) 硕 = 学位沦文 量变化范围是5 0 2 5 0 0 b d ；一条4 英寸管线，长1 7 0 0 英尺，液体流量变化范围是5 0 - 5 5 0 0 b d ；条略长于1 0 英里、管径1 7 英寸的海底现场管线。在5 0 b d 的液体流量下， 气液比的变化范围是0 1 3 2 0 0 0 s c f b b l 。液体流量越大，气液比的变化范围越小。在2 英寸和4 英寸的试验管线中用到了三种不同液体：水、原油、馏分油，测试中所用的气 体是天然气。它们的物性列于表2 - 6 中。在1 7 英寸海底管线中流动的气相和液相的物 性与表2 - 6 中天然气和馏分油的物性相近。采用较长管线作为实验的目的是为了避免入 口效应对两相流动的液相。 表2 - 6e a t o n 实验流体的物性 t a b l e 2 - 6 p h y s i c a lp r o p e r t i e so fe a t o nf l u i d 流体相对比重 表面张力( d y n e s c m )粘度( c p a t8 0 f ) 天然气 o 6 l l lo 0 1 2 水 1 0 16 6 01 0 1 原油 0 8 6 53 0 o 1 3 5 0 馏分油 o 7 72 6 03 5 0 2 3 3 2e a t o n 持液率相关式 一吐簪n 0 5 鲥1 0 协3 5 ) 其中： 式中： n ：w “( 旦) ， g u 一昭( 钞4 n ，= ，( 二) - t o n 。= d ( 墨堕) m 五1 5 5 和0 1 0 1 3 2 5 m p a 下水的粘度准数， ，五：0 0 0 2 2 6 ； 2 1 ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 第二章多相流水力计算 d 管径，m ； 毗，w 蹭液相、气相折算速度，m s ； 尸压力，p a ； 只气相计量的基准压力，1 0 1 0 0 8 2 3 4 p a ； 所液相密度，k e c m 3 ； ，液相粘度，p a s ； 仃表面张力。n m ； 吵表示任意函数的符号； 、j 7 v 液相、气相折算速度准数，无量纲； ，、。液相、管径性质准数，无量纲； 扯器0 5 褂1 亿4 。， 由于在e a t o n 相关式中只给出了h ，( o ) 和x 的关系曲线，没有给出具体的表达式， 为了便于编程，需将关系曲线拟合成表达式，拟合的表达式如下： 当x 0 0 0 1 时，h ，( o ) 20 0 1 ： 当0 0 0 1 x 0 0 1 时，( 0 ) = l n ( x o 0 0 0 1 ) 2 3 0 2 6 ： 当0 0 1 x 0 0 3 5 时，h ( o ) = l n ( x 0 0 0 7 3 111 ) 1 5 6 6 ； 当o 0 3 5 x o 1 4 时，h ，( o ) = i n ( x 0 0 1 7 5 ) 6 9 3 1 5 ； 当0 1 4 x 0 8 0 时，日，( 0 ) = l n ( x 0 0 3 7 8 8 ) 4 3 5 7 4 ： 当o 8 0 x 3 3 时，h i ( o ) = l n ( x 0 0 0 5 6 11 9 ) 7 0 8 5 3 ： 当3 3 x io-一二i 一：1 1 0 i 一 ：!i口：f1：卜卜一uo一o， 第- 二章多相流水力计算 2 3 4 3m u k h e r j e e & b r i l l 持液率相关式 m u k h e r j e e & b r i l l 通过对1 5 0 0 多组七、下坡管线数据的分析，网归得到一个非线性 的持液率方程如下： ，：( e l + c 2 s m o + c 3z 2 e+c,nihe ) ( 2 - 4 8 ) ，= 1 。o ( 2 - 式中各系数值列于表2 7 。 表2 - 7 持液率方程的系数 t a b l e 2 - 7c o e f f i c i e n to fl i q u i dh o l d u pe q u a t i o n 流动方向流型系数值 c lc 2c 3c 4c 5c 6 上坡和水平管全部0 3 8 0 1 1 30 1 2 9 8 7 50 1 1 9 7 8 82 3 4 3 2 2 70 4 7 5 6 8 60 2 8 8 6 5 7 下坡管分层流- 1 3 3 0 2 8 24 8 0 8 1 3 94 1 7 15 8 45 6 2 6