尚增輝，王永紅，肖榮鴿，姚培芬

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 0625522； 2. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

地形起伏管路氣液兩相段塞流模型研究

尚增輝1，王永紅2，肖榮鴿2，姚培芬2

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 0625522； 2. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

段塞流是氣液兩相流動(dòng)中的一種常見(jiàn)流型，由于地形原因，管路多處于起伏狀態(tài)，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)起伏誘發(fā)的氣液兩相管路段塞流研究尚不成熟。針對(duì)實(shí)際氣液兩相管路中頻繁出現(xiàn)的地形起伏段塞流，首先利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有段塞流模型的適用性進(jìn)行了比較，建立了地形起伏狀態(tài)下段塞流的液塞追蹤修正模型，最后利用FLUENT軟件進(jìn)行了模擬，研究了管路起伏誘發(fā)狀況對(duì)段塞流段塞分布、拐角處持液率、液塞長(zhǎng)度和壓降的影響，并將模擬壓降與計(jì)算壓降進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明建立的模型具有一定的精度，對(duì)于實(shí)際的地形起伏誘發(fā)段塞流管道的安全高效運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。

氣液兩相流；地形起伏管路；段塞流；壓降計(jì)算；數(shù)值模擬

段塞流是氣液兩相流動(dòng)中的一種常見(jiàn)流型，由于其流動(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)行在該流型下的氣液兩相流管道要承受間歇性應(yīng)力沖擊。同時(shí)，離開(kāi)管道末端的大液塞會(huì)引起下游油氣處理設(shè)備中液位劇烈波動(dòng)，為保證管線和下游油氣處理設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全操作，必須能夠掌握和預(yù)測(cè)段塞流特征參數(shù)的大小與變化規(guī)律。段塞流的特征參數(shù)主要依賴于管道的幾何尺寸和流體的物性參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件和實(shí)際氣液兩相流管道幾何和運(yùn)行條件的差別，實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的結(jié)果都必須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正才有應(yīng)用價(jià)值[1]。

常把段塞流分為三種，即水動(dòng)力段塞流，地形起伏誘發(fā)段塞流和強(qiáng)烈段塞流。在上述三種段塞流中，早期研究水動(dòng)力段塞流的文獻(xiàn)較多，隨著研究的深入和生產(chǎn)實(shí)踐的需要目前已轉(zhuǎn)向后兩種[2]。由于地形起伏管路會(huì)給多相流管路的壓降帶來(lái)一定的影響，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣液兩相管路地形起伏的段塞流研究并不成熟，因此非常有必要研究在地形起伏情況下的氣液兩相管道段塞流模型[2]。本文將從地形起伏管路段塞流已有模型分析、段塞流液塞追蹤模型研究及軟件模擬三方面進(jìn)行探討。

1 地形起伏管路段塞流已有模型分析

目前國(guó)內(nèi)外提出的模型已不下數(shù)十個(gè)，完全使用一個(gè)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算可能會(huì)有較大的誤差，使用組合模型則可能會(huì)有較大的精度[3,4]，因此在實(shí)際工程中較為常用的還是一些組合模型。例如BBM（Be ggs&Brill-Moody）、BB（Beggs-Brill）、BBNS（Begg s&Brill-NoSlip）、BBME（Beggs&Brill-MoodyEaton）、BBMD（Beggs&Brill-Moody-Dukler）、MBE（Mukhe rjee&Brill-Eaton）、EF（Eaton-Flanigan）、DF（Duk ler-Flanigan）、DEF（Dukler-Eaton-Flanigan）等[3,4]，這里將根據(jù)已有的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)這些模型進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。采用的數(shù)據(jù)源于Brill（1981）在Prudhoe Bay油氣田[5-8]，對(duì)管徑為303 mm與388 mm的多起伏管路進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為原油與天然氣。原油相對(duì)密度為0.88，天然氣相對(duì)密度為0.781。3 03 mm管徑管路原油流量為7 000～1 600 Nm3/d，天然流量為932～2 079 Nm3/d；388 mm管徑管路原油流量為7 600～2 300 Nm3/d，天然氣流量為1 086～3 100 Nm3/d。管路路由圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)管路路由圖Fig.1 The trend of the experimental pipeline

1.1 管徑為303 mm的起伏管路模擬分析

圖2 303 mm管路壓降誤差曲線圖Fig.2 The pressure drop relative error following different gas-liquid ratio under diameter 303 mm

針對(duì)303 mm管徑的管路，利用上述9個(gè)模型分別對(duì)11種不同氣液比工況進(jìn)行了模擬，其壓降誤差情況如圖2所示。由圖2可以得知，使用BB模型、MBE模型、DF模型計(jì)算的壓降總是偏大，而B(niǎo)BM模型、BBNS模型、BBME模型、BBMD模型、EF模型、DEF模型計(jì)算的壓降總是偏小。EF模型計(jì)算得到的壓降值與實(shí)驗(yàn)值最為相近，平均誤差為-11.8%。

1.2 管徑為388 mm管路模擬分析

針對(duì)388 mm管徑的管路，利用上述9個(gè)模型分別對(duì)18種工況進(jìn)行了模擬，其壓降誤差情況如圖3所示。由圖3可以得知，上述9種模型在388 mm管徑條件下壓降誤差的趨勢(shì)線基本處于一致，其中EF模型計(jì)算得到的壓降值與實(shí)驗(yàn)值最為相近，平均誤差為-0.3%。

圖3 388 mm管路壓降誤差曲線圖Fig.3 The pressure drop relative error following different gas-liquid ratio under diameter 388 mm

根據(jù)以上兩種管徑條件下不同工況條件下的模擬分析對(duì)比，結(jié)果顯示EF模型模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差最小，建議在工程實(shí)際應(yīng)用中采用。

2 段塞流液塞追蹤模型研究

Taitel & Barnea提出了研究地形起伏管路中段塞流的水動(dòng)力模型[9,10,11]，模型可用來(lái)追蹤單個(gè)段塞單元。其模型中采用的公式均是目前應(yīng)用最廣泛的公式，只是對(duì)于拐角處液塞的長(zhǎng)度進(jìn)行了假設(shè)，對(duì)于上拐角處液膜區(qū)域的液體一部分流過(guò)拐角，向下游的下傾管路流去，一部分倒流回上游的上傾管路，這樣，上拐角處就沒(méi)有液體，這里認(rèn)為是持液率為0的液塞，這個(gè)液塞的前后平移速度等于前后液膜速度；對(duì)于下拐角處，當(dāng)拐角處的液塞長(zhǎng)度達(dá)到一定數(shù)值后，才會(huì)形成新的段塞，因此根據(jù)下拐角處段塞形成模型對(duì)Taitel&Barnea模型進(jìn)行修正。

目前下拐角處段塞長(zhǎng)度模型主要有對(duì)數(shù)正態(tài)分布（Log-Normal）模型、反高斯(Inverse Gaussian)模型，對(duì)數(shù)成長(zhǎng)（Log-Logistic）模型、韋伯（Weibul）模型、伯尼凱特（Bernicot）模型與截?cái)喾锤咚梗╰runcated Inverse Gaussian）模型。E.M.AI-safran等人采用卡方統(tǒng)計(jì)模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)以上6種模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)在變換工況條件下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的吻合性。E.M.AI-safran等認(rèn)為上游管路中液相流到拐角處時(shí)，就會(huì)停滯，只有當(dāng)液面高度達(dá)到一定高度時(shí)才會(huì)繼續(xù)向下游流動(dòng)[12-14]。因此，在拐角處，建立液膜臨界高度的計(jì)算關(guān)系式，可以通過(guò)液相與壁面的摩擦力的關(guān)系來(lái)得到，即：

為了使研究不受管徑的影響，E.M.AI-safra將臨界液面高度無(wú)量綱化，在這里將上式無(wú)量綱化，通過(guò)使用無(wú)量綱單位，模型便具有通用性，對(duì)任何管徑都適用。

引入E.M.AI-safran下傾角生成液塞長(zhǎng)度模型：

利用E.M.AI-safran下傾角生成液塞長(zhǎng)度概率方法來(lái)修正Taitel&Barnea模型得到新的液塞模型，建立的新模型中，當(dāng)液塞速度小于3.8 m/s時(shí)，采用Gregory（1978）相關(guān)式，當(dāng)液塞速度大于3.8 m/s時(shí)，采用Brill（1981）相關(guān)式，得到的液塞追蹤模型如下：

式中： vt—平移速度；

ρg、ρl—?dú)庀?、液相密度?/p>

Ag、Al—?dú)庀?、液相所占流通面積；

l—液塞長(zhǎng)度；無(wú)因次持液高度

s其中h為液相高度；

τwg、τwl、τi—?dú)庀啾诿?、液相壁面和氣液相間剪切應(yīng)力；

Sg、Sl、Si—?dú)庀唷⒁合嗪蜌庖合嚅g濕周；

C—與段塞體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。層流時(shí)，C=2；紊流時(shí)，C=1.2；

us—液塞速度；

D—管徑；

θ—起伏管路傾角；

u0—漂移速度；

HLs—液塞持液率；

usg、usl—?dú)?、液相表觀流速。

3 FLUENT軟件模擬

下面將通過(guò)軟件FLUENT進(jìn)行驗(yàn)證所建立的模型的精度。

FLUENT軟件是建立在三大基本公式的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都用這個(gè)軟件進(jìn)行氣液混輸管路段塞流的研究[15,16]，因此，選用FLUENT軟件作為本文的模擬軟件具有一定的可靠性與準(zhǔn)確性。

本文要模擬的三種（兩段、四段、六段）起伏管路如圖4所示，模擬工況如表1所示。

圖4 三種起伏管路示意圖Fig.4 The schematic diagram of hilly terrain pipeline

3.1 段塞分布研究

利用FLUENT軟件對(duì)多起伏管路進(jìn)行模擬(表1)。3種不同工況條件下，對(duì)地形多起伏（六段）管路模擬，氣液相分布圖如圖5所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表Table 1 The figured parameters

圖5 三種工況條件下模擬起伏（六段）管路氣液相分布圖Fig.5 The simulation of gas-liquid phase distribution in hilly terrain pipeline of three cases

由圖5可以看出：在同一起伏狀況下，隨著氣液比的增加，管路中的持液率逐漸降低，且上傾管路中的段塞流流入下傾管路后，液塞消失速度迅速增加，逐漸觀察不到下傾管路中的液塞。末端水平管道主要以段塞流為主。

3.2 拐角處持液率研究

對(duì)地形多起伏管路模擬，在3種工況條件下下拐角處持液率隨時(shí)間變化如圖6所示。由圖6可以得知，隨著氣液比的增加，下拐角處最高持液率先降低后升高，且增大到一定程度后，會(huì)由于液體重力原因，存在倒流現(xiàn)象。

圖6 三種工況條件下下拐角處持液率隨時(shí)間變化圖Fig.6 The simulation of the liquid holdup in lower elbow of three cases

3.3 壓降分析

針對(duì)3種起伏管路，分別進(jìn)行了3種不同工況條件模擬分析，并將模擬壓降與模型計(jì)算壓降進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示，下傾角生成液塞長(zhǎng)度概率如圖7所示。

圖7 三種工況下液塞長(zhǎng)度分布概率圖Fig.7 The probability distribution on the liquid slug length of three cases

由圖7可知，根據(jù)E.M.AI-safran理論可以得知，在usg=2 m/s，usl=0.5 m/s條件下，最大概率的液塞長(zhǎng)度大約為0.5 m；usg=2 m/s，usl=1 m/s條件下，最大概率的液塞長(zhǎng)度大約為0.6 m；usg=4 m/s，usl=0.5 m/s條件下，出現(xiàn)的最大概率的液塞長(zhǎng)度大約為0.7 m。這與模擬結(jié)果所觀察到的液塞長(zhǎng)度幾乎一致。

由表2可知，所得到的誤差基本上都在50%以內(nèi)，其中當(dāng)氣液比較低的情況下，模擬壓降與模型計(jì)算壓降最為吻合，當(dāng)氣液比較高時(shí)精確度就有所下降。出現(xiàn)上述誤差的原因可能是當(dāng)氣液比增大時(shí)，會(huì)存在不同程度的液體倒流現(xiàn)象，與E.M.AI-safran模型原理有不同之處，因此如何建立在液體倒流情況下的段塞生成概率模型是今后的主要工作。

表2 模擬壓降與模型計(jì)算壓降結(jié)果數(shù)據(jù)表Table 2 The data of pressure drop by simulation and modified model

4 結(jié) 論

對(duì)現(xiàn)在的9種常用的組合模型在多起伏條件下的氣液兩相段塞流進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果顯示EF模型在多起伏條件下精確度最高，建議在工程實(shí)際應(yīng)用中使用。然后利用E.M.AI-safran下傾角生成液塞長(zhǎng)度概率模型來(lái)修正Taitel&Barnea模型，得到了修正的段塞流液塞追蹤模型。最后利用FLUENT軟件對(duì)修正模型進(jìn)行了模擬分析，得到了一些結(jié)論：

（1）在同一地形起伏狀況下，隨著氣液比的增加，管路中的持液率逐漸降低，且上傾管路中的段塞流流入下傾管路后，液塞消失速度迅速增加。末端水平管道主要以段塞流為主。

（2）隨著氣液比的增加，下拐角處最高持液率先降低后升高，且增大到一定程度后，會(huì)由于液體重力原因，存在倒流現(xiàn)象，導(dǎo)致持液率最高達(dá)到1，且會(huì)維持一段時(shí)間。

（3）當(dāng)氣液比較低時(shí)，利用E.M.AI-safran下傾角生成液塞長(zhǎng)度概率模型及液塞持液率模型進(jìn)行修正的液塞追蹤模型所獲得的計(jì)算壓降具有很高的準(zhǔn)確性，當(dāng)氣液比較高時(shí)精確度就有所下降。

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表2 不同振蕩時(shí)間后加藥處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of treatment effect of the optimized demulsifier under different action time

3 結(jié) 論

(1)藥劑效果隨加藥量增加而增強(qiáng)。

(2)藥劑S1在加藥量為20 mg/L時(shí)效果最好。

(3)隨著藥劑作用時(shí)間的增加，其基本趨勢(shì)為：加藥樣含油量降低，水樣中油滴最小10%粒徑和體積平均粒徑升高，1μm以下油滴濃度和含量減小。所以在現(xiàn)場(chǎng)中，加藥地點(diǎn)越靠前，效果越好。經(jīng)過(guò)藥劑處理后水樣更易通過(guò)分離器分離，提高分離效率。

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Research on Slug Flow Model of Gas-liquid Two-phase Flow in Hilly Terrain Pipeline

SHANG Zeng-hui1，WANG Yong-hong2，XIAO Rong-ge2，YAO Pei-fen2
（1. Huabei branch company of CPE, Hebei Renqiu 062552, China；2. College of Petroleum Engineering, Xi’an Shiyou University, Shaanxi Xi’an 710065, China）

Slugflow is a common flow patterns in gas-liquid two-phase flow,due to the terrain, pipeline is in a state of hilly terrain, and at present the research of terrain slugs in gas-liquid two-phase pipeline was not yet mature both at home and abroad.In view of the actual pipeline terrain slugs in the gas-liquid two-phase frequently, first, on the applicability of the existing slug flow models were compared by use of historical data; the liquid slug tracking correction model of terrain slugs were established, finally, the influence of hilly terrain on slugs distribution, liquid holdup on lower elbow, liquid slug length and the pressure drop were simulated and studied by using FLUENT software; and the simulated pressure drop compared with the calculation of pressure drop,the results indicate that the model has certain precision. It’s result has certain guiding significance to the safe and efficient operation for the actual hilly terrain pipeline.

Gas-liquid two-phase flow; Hilly terrain pipeline; Slug flow; Pressure drop calculation; Numerical simulation

TQ 018

： A

： 1671-0460（2014）04-0643-05

某

，項(xiàng)目號(hào)：2012D-5006-0603。

2014-03-09

尚增輝（1981-），男，河北任丘人，工程師，2004年畢業(yè)于河北科技大學(xué)化工專業(yè)，研究方向：從事油氣集輸、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)工作。E-mail：shangzenghui@126.com。