水平管內(nèi)油氣兩相流層狀流向段塞流轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究.pdf

1、在石油工業(yè)中，油氣混輸技術(shù)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為了滿足工程實(shí)際的需要，世界各國(guó)積極開(kāi)展對(duì)混輸技術(shù)的研究，我國(guó)也已經(jīng)將混輸技術(shù)的研究納入國(guó)家863計(jì)劃。油氣混輸技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)混輸管線內(nèi)油氣流動(dòng)特性及其規(guī)律的了解，這是一個(gè)典型的兩相流動(dòng)問(wèn)題。兩相流動(dòng)體系廣泛存在于化工、冶金、能源、環(huán)保、輕工和軍工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，促使兩相流領(lǐng)域的研究工作迅速發(fā)展，成為國(guó)內(nèi)外給予極大關(guān)注的前沿學(xué)科。工程上的油氣混輸系統(tǒng)，由于受流量、介質(zhì)物性、管道

2、形式以及傾斜角度等因素影響，使得管道截面含氣率變化，引起各種不同流型的生成。段塞流是油氣混輸管道中一種最常見(jiàn)的流型，由于流動(dòng)的間歇性，引起管道中持液率和壓力的急劇波動(dòng)，并使得運(yùn)行在該流型下的油氣混輸管道不得不承受間歇性應(yīng)力沖擊，離開(kāi)管道末端的大液塞會(huì)引起下游油氣處理設(shè)備中的液位劇烈波動(dòng)。工程上對(duì)許多多相流系統(tǒng)事故進(jìn)行分析時(shí)，常常發(fā)現(xiàn)是由于流型的不明確造成誤算或誤操作的結(jié)果。因此，為了保證管線和下游油氣處理設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計(jì)和安全操作，對(duì)流型

3、特性，尤其是段塞流特性，進(jìn)行準(zhǔn)確分析以及流型轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)至關(guān)重要。 本文對(duì)水平管內(nèi)油氣兩相流動(dòng)的流型及其轉(zhuǎn)變特性，特別是結(jié)合油氣混輸工程和多相流動(dòng)態(tài)特性理論的研究，對(duì)層狀流向段塞流的轉(zhuǎn)變影響因素進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。本文實(shí)驗(yàn)是在油氣水多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的，管道選擇內(nèi)徑分別為40mm、50mm的水平管道，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣和0＃柴油。實(shí)驗(yàn)中，不斷調(diào)節(jié)油氣流量，在有機(jī)玻璃管段觀察記錄流型特征，實(shí)驗(yàn)中能夠觀察到分層流、波形層狀流、段

4、塞流、環(huán)狀流、塞狀流、泡狀流等流型。同時(shí)，采用差壓變送器、數(shù)據(jù)采集器獲得實(shí)驗(yàn)管段的壓力以及各相的流量數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的流型圖。比較兩種管徑下的流型圖表明，不同內(nèi)徑的水平管道內(nèi)出現(xiàn)的流型分布特征基本相似，只是流型轉(zhuǎn)變的邊界出現(xiàn)位移。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)研究表明，管徑對(duì)管內(nèi)流型分布的影響主要表現(xiàn)在層狀流向段塞流轉(zhuǎn)變的邊界上。管徑越大，管內(nèi)形成段塞流所要求的液相表觀速度顯著增大。也就是說(shuō)，管徑越大，段塞流的形成越困難。 在對(duì)流型

5、轉(zhuǎn)變的研究中，首先建立了分層流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，利用經(jīng)典的Taitel&Dukler半理論模型和一維波動(dòng)理論模型對(duì)層狀流向段塞流的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。Taitel&Dukler半理論模型是根據(jù)Kelvin-Helmholtz波動(dòng)理論對(duì)界面波開(kāi)始生長(zhǎng)的條件作了定性分析，給出了界面波生長(zhǎng)需要滿足的條件。本文將這個(gè)條件作為層狀流向段塞流轉(zhuǎn)變的理論判據(jù)，并將理論預(yù)測(cè)結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者吻合的較好。同時(shí)，本文進(jìn)一步在一維波動(dòng)理論的基礎(chǔ)

6、上，根據(jù)該理論中提出的兩相流動(dòng)連續(xù)波和動(dòng)力波傳播速度的相互關(guān)系，即認(rèn)為連續(xù)波追上動(dòng)力波時(shí)，流動(dòng)將是不穩(wěn)定的，此時(shí)即表明層狀流開(kāi)始向段塞流轉(zhuǎn)變。因此，本文將這一條件作為層狀流向段塞流轉(zhuǎn)變的理論判據(jù)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，兩者吻合的較好。從理論公式和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式兩方面，深入探討了層狀流向段塞流轉(zhuǎn)變的機(jī)理。 本文還研究了傾斜角度、管徑大小和介質(zhì)物性對(duì)流型分布和流型轉(zhuǎn)變的影響。研究這些因素對(duì)管內(nèi)流型的影響，對(duì)工程實(shí)際有重要意義。本文利

7、用一維波動(dòng)模型模擬了這些因素對(duì)管內(nèi)流型分布和轉(zhuǎn)變因素的影響，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。研究表明，管道傾角對(duì)管內(nèi)流型分布及其轉(zhuǎn)變特征影響顯著，水平管道和傾斜管道內(nèi)流型分布結(jié)構(gòu)區(qū)別明顯。水平管道內(nèi)，管徑大小和介質(zhì)物性主要對(duì)管內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變邊界產(chǎn)生影響，并不能改變流型的整體分布結(jié)構(gòu)。 在前人研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)油氣混輸水平管道內(nèi)氣液兩相流的流型從層狀流到段塞流的轉(zhuǎn)變特性、影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論探討，得到了一些涉及工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行的結(jié)論