王立滿, 何利民, 羅小明

(中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580)

一小長徑比組合立管內(nèi)液塞長度演化規(guī)律

王立滿, 何利民, 羅小明

(中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580)

以氣液柱狀旋流分離器(GLCC)入口管之前的小長徑比組合立管為對象,建立一套氣液兩相流試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究組合立管內(nèi)不同位置的液塞長度統(tǒng)計分布規(guī)律。結(jié)果表明:液塞從水平入口段進(jìn)入立管段直至排出的過程中存在液塞減速與加速現(xiàn)象,計算液塞長度時必須考慮。水平入口段、立管段及水平出口段的液塞長度分布均符合對數(shù)正態(tài)分布;隨折算氣速增大,入口段平均液塞長度先增大后減小,出口段平均液塞長度則呈減小趨勢。在低折算液速下,立管段平均液塞長度隨折算氣速增大而減小;高折算液速時,平均液塞長度隨折算氣速增大先增大后減小。液塞通過整個組合立管的過程中,平均液塞長度先增大后減小。

組合立管; 段塞流; 液塞長度; 統(tǒng)計

氣液柱狀旋流分離器(GLCC)入口管的設(shè)計準(zhǔn)則是保證管內(nèi)流型為分層流[1-2],當(dāng)來流管線中存在段塞流時,可以利用擴(kuò)徑與下傾的方法使液塞在入口管內(nèi)發(fā)生耗散。由于GLCC入口管與來流管線之間存在一定的高差,因此液塞在進(jìn)入GLCC入口管之前須經(jīng)過一段小長徑比[3]的組合立管,該組合立管由水平進(jìn)出口管、立管、90°彎管及變徑管組成,對該組合立管內(nèi)的液塞運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究,有助于進(jìn)一步完善GLCC入口管流型的控制策略。目前,對于段塞流的研究主要集中于水平管與垂直管,只有少數(shù)學(xué)者對彎管和變徑管內(nèi)的段塞流有所研究,Abdulkadir等[4-6]研究了90°垂直彎管內(nèi)段塞流的特征參數(shù);Saidj等[7]對比了液塞從水平管轉(zhuǎn)入垂直管過程中的速度、頻率及長度變化;Lin等[8]通過試驗(yàn)得出了水平管內(nèi)液塞長度與頻率隨擴(kuò)徑比的變化規(guī)律。這些學(xué)者的結(jié)論都是基于單一的彎管或變徑管形式,并不適于上述的組合立管結(jié)構(gòu),據(jù)此筆者建立一套小長徑比組合立管試驗(yàn)系統(tǒng),深入研究液塞長度在整個管路中的演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

組合立管試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。從壓縮機(jī)來的壓縮空氣經(jīng)緩沖罐穩(wěn)定與孔板流量計計量后進(jìn)入混合器;儲液罐中的水經(jīng)離心泵與質(zhì)量流量計計量后進(jìn)入混合器;混合后的氣液兩相進(jìn)入水平發(fā)展段形成穩(wěn)定液塞后再進(jìn)入組合立管;由組合立管流出的氣液混合物經(jīng)分離器分離后,氣相進(jìn)入大氣,液相返回儲液罐,重復(fù)利用。組合立管采用透明的有機(jī)玻璃管,由水平管、彎管、立管及變徑管組成,其中,變徑前的管道直徑d1為30 mm,變徑后的管道直徑d2為50 mm,立管長徑比L/d1=60,變徑比d2/d1=5/3。

圖1 組合立管試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of experimental facility of combined riser pipe

在組合立管的水平進(jìn)口段、立管段及水平出口段分別布置了壓力傳感器與溫度傳感器,并安裝了3組自制的雙平行電導(dǎo)探針,采用美國National Instrument公司的PCI-6071E高速采集卡采集壓力、流量、溫度及電導(dǎo)探針信號。

2 氣液折算速度

為區(qū)分不同流動條件下的水平管液塞,本試驗(yàn)中統(tǒng)一采用組合立管入口段的氣液流速進(jìn)行表征,并且氣液流速以折算速度表示,即氣相或液相單獨(dú)流過整個管路截面時的速度。

折算氣速:

(1)

折算液速:

(2)

式中,QG、QL分別為組合立管入口處的氣、液流量。

3 液塞長度計算

雙平行電導(dǎo)探針之間的電阻隨液膜高度變化,同時引起輸出電壓的變化,因此當(dāng)有液塞經(jīng)過時會產(chǎn)生一個脈沖信號,根據(jù)上下游兩組探針信號的滯后時間和探針間距可以得出液塞運(yùn)動速度,再結(jié)合渡越時間可以計算液塞長度。

LS=lTS/τ.

(3)

式中,l為兩組探針的間距,m;τ為滯后時間,s;TS為渡越時間,s。

在水平管段塞流的文獻(xiàn)[9]～[11]中,采用互相關(guān)方法求取滯后時間,將兩組信號x(t)和y(t)組成互相關(guān)函數(shù)Rxy(τ),取Rxy(τ)峰值對應(yīng)的時間位移作為滯后時間。

(4)

圖2為本試驗(yàn)得到的歸一化電導(dǎo)探針信號,上升沿代表液塞到來,下降沿代表液塞離開,本文中的閾值電壓為0,與上升沿的交點(diǎn)作為液塞頭部,與下降沿的交點(diǎn)作為液塞尾部,tfront為液塞頭部時移,ttail為液塞尾部時移。圖2(a)為水平進(jìn)口段的兩組探針信號,可以看出tfront小于ttail,由于探針間距固定,因此液塞頭部速度大于液塞尾部速度,存在減速現(xiàn)象,這是因?yàn)樵谝喝麖倪M(jìn)口段到達(dá)立管段的過程中,由水平運(yùn)動轉(zhuǎn)為垂直上升運(yùn)動,使得一部分動能轉(zhuǎn)化為勢能,從而造成整個液塞速度降低。

圖2(b)為立管段的兩組探針信號,可以看出tfront大于ttail,表明立管段存在液塞加速現(xiàn)象,這是由于立管長徑比較小,液塞長度與立管基本相當(dāng),液塞的運(yùn)動過程類似于強(qiáng)烈段塞流的液塞流出階段[12],起初液塞速度較低,當(dāng)液塞尾部進(jìn)入立管時,立管底部有氣體竄入,隨著液塞不斷由水平出口段排出,立管內(nèi)的液相靜壓力越來越小,上游管道內(nèi)壓縮的氣體壓力下降并發(fā)生膨脹,氣泡加速造成立管內(nèi)剩余的液相加速運(yùn)動,導(dǎo)致立管段與水平出口段的液塞尾部速度大于頭部速度。

圖2(c)為水平出口段的兩組探針信號,由于出口段形成不穩(wěn)定性的液塞,導(dǎo)致液塞速度不穩(wěn)定,液塞頭部速度與尾部速度的相對大小關(guān)系不統(tǒng)一,因此出口段液塞具有加速或減速現(xiàn)象。

由于組合立管內(nèi)的液塞速度不穩(wěn)定,兩個探針信號的相似性變差,互相關(guān)方法不再適用,因此提出適合組合立管內(nèi)液塞長度的計算方法。

圖2 歸一化電導(dǎo)探針信號Fig.2 Normalized output signals of two successive conductivity probes

(1)水平入口段液塞長度計算。

液塞通過水平入口段電導(dǎo)探針的過程如圖3所示。由于液塞頭部經(jīng)過彎頭后液塞速度開始降低,因此以液塞頭部到達(dá)彎頭的時刻為分界點(diǎn),將液塞的運(yùn)動過程分為兩部分。一是液塞頭部由探針位置到達(dá)彎頭,在此過程中液塞速度未受到轉(zhuǎn)向干擾,取液塞頭部速度vfront作為液塞平均速度,液塞長度L1即探針與彎頭的間距Δl,然后由液塞平均速度與液塞長度求出液塞運(yùn)動時間。二是液塞頭部進(jìn)入彎頭直至液塞尾部離開探針位置,在此過程中液塞速度不斷降低,取液塞尾部速度vtail作為液塞平均速度,液塞運(yùn)動時間等于渡越時間TS減去上一過程中的液塞運(yùn)動時間,由液塞平均速度和液塞運(yùn)動時間求出液塞長度L2。

圖3 液塞通過電導(dǎo)探針過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of slug passing through conductivity probe

兩部分得出的液塞長度之和即液塞總體長度,其計算公式為

LS=L1+L2,

(5)

其中

L1=Δl,L2=vtail(TS-Δl/vfront),

vfront=l/tfrontvtail=l/ttail.

(2)立管段及水平出口段液塞長度計算方法。

與入口段不同,液塞在立管段與出口段的速度變化沒有明確的分界點(diǎn),因此采用平均速度法[13]求解液塞長度。

(6)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 液塞長度分布

在每組試驗(yàn)中均可同時得到組合立管入口段、立管段及出口段3個位置處的探針信號,對每個位置處的數(shù)百個液塞進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到組合立管內(nèi)的液塞長度分布規(guī)律。

圖4給出了不同氣液流速條件下組合立管內(nèi)的液塞長度分布(D為管道直徑)。由上及下分別代表進(jìn)口段、立管段、出口段。從圖4中可以看出,組合立管內(nèi)的液塞長度均符合對數(shù)正態(tài)分布,圖中曲線為擬合的對數(shù)正態(tài)分布函數(shù),不同位置的最大液塞長度、平均液塞長度及標(biāo)準(zhǔn)偏差都有較大變化。出口段的大多數(shù)液塞長度都集中在平均值附近,因此標(biāo)準(zhǔn)偏差最小,而立管段的液塞長度分布在較大的范圍內(nèi),相對比較分散,標(biāo)準(zhǔn)偏差最大。這表明水平管內(nèi)充分發(fā)展的液塞在進(jìn)入立管段后,液塞長度與分散程度均有所增大,但經(jīng)過擴(kuò)徑管后液塞長度減小至比較穩(wěn)定的數(shù)值。

圖4 組合立管不同位置的液塞長度分布Fig.4 Distributions of measured liquid slug length at different locations of combined riser pipe

4.2 平均液塞長度隨氣液相流速的變化

圖5給出了組合立管3個位置處的液塞長徑比隨入口氣液流速的變化關(guān)系。如圖5(a)所示,水平進(jìn)口段的平均液塞長度在25d1～ 37d1之間,這與大多數(shù)水平管內(nèi)液塞長度的研究結(jié)果相一致[10-11,14-15],驗(yàn)證了液塞長度計算方法的可靠性。液塞長度在低氣速(vSG<4.0 m/s)范圍內(nèi)隨著折算氣速增大而增大,這是由于在低氣速范圍內(nèi)將發(fā)生塞狀流(plug flow)到段塞流(slug flow)的流型轉(zhuǎn)換,該流速范圍與羅小明、Ferre等[10,16]的報道相符。在3.8 m/s

如圖5(b)所示,立管段的平均液塞長度在34d1～ 72d1之間,在0.6、0.8、1.0 m/s三種折算液速下,平均液塞長度隨氣液流速的變化規(guī)律與水平進(jìn)口段相同,而當(dāng)vSL=0.4 m/s時,平均液塞長度在最低的折算氣速下便達(dá)到最大值,這主要與立管段的液相回流有關(guān)。試驗(yàn)中觀察到,當(dāng)上一個液塞通過立管后,附著在管壁上的液相在自身重力與氣相舉升力的共同作用下形成振蕩液膜,由于低氣速導(dǎo)致舉升力較小,液膜不斷下降,而低液速又導(dǎo)致液塞頻率低,使液相積聚時間長,在立管底部產(chǎn)生液相回流,下一個液塞到來時便卷吸這部分液相,從而使液塞長度增大。平均液塞長度隨折算液速的變化規(guī)律與進(jìn)口段相一致。

如圖5(c)所示,水平出口段的平均液塞長度在7d2～ 15d2之間,在4種折算液速下,平均液塞長度均隨折算氣速增大而減小,并且當(dāng)vSG=7.4 m/s時,在0.4、0.6、0.8 m/s三種折算液速下,出現(xiàn)液塞長度為0的情況,表明液塞完全耗散。在最低氣速下,平均液塞長度隨折算液速增大而增大,當(dāng)氣速增大時,平均液塞長度穩(wěn)定在8d2附近,當(dāng)達(dá)到最高氣速時,平均液塞長度隨折算液速增大先穩(wěn)定在0而后又有上升,這是由于液速增大至一定程度,出口段液塞由完全耗散轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌耆纳ⅰ?/p>

圖5 液塞長徑比與入口氣液流速關(guān)系Fig.5 Length-diameter ratio of liquid slug vs. gas superficial velocity for various liquid superficial velocities

4.3 平均液塞長度隨不同位置的變化

圖6給出了組合立管不同位置處的平均液塞長度變化(橫坐標(biāo)1、2、3分別代表水平入口段、立管段和水平出口段)。在不同入口氣液流速下,液塞經(jīng)過水平進(jìn)口段、立管段及水平出口段時,平均液塞長度均呈先增大后減小的變化趨勢,這主要是由管路形式改變所引起的。液塞由水平管進(jìn)入立管時,吸收管壁液膜使液塞長度增大,當(dāng)液塞繼續(xù)流動經(jīng)過擴(kuò)徑管后,管道截面積增大,液塞長度減小,且隨著折算氣速增加,液塞含氣率增大,氣流沖散擴(kuò)徑管內(nèi)的液塞,并攜帶液相排出立管,使水平出口段的液塞持液率降低,當(dāng)折算氣速達(dá)到7.4 m/s時,在較低的液速下便無法形成液塞。由此可見,增大管徑可以起到減小液塞長度甚至耗散液塞的作用。

對比圖6(a)～(d)可以看出,水平進(jìn)口段與立管段的平均液塞長度差值不斷減小,這是因?yàn)楫?dāng)氣速增大時,氣液相間剪切力增大,立管段內(nèi)氣相攜液能力增強(qiáng),使管壁液膜厚度降低,液塞到來時所吸收的液量減小,因此液塞長度的增幅減小。

圖6 組合立管不同位置的平均液塞長度變化Fig.6 Mean liquid slug length vs. locations of combined riser pipe

5 結(jié) 論

(1)組合立管的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致液塞加速或減速,在水平入口段、立管段、水平出口段3個位置處的液塞長度均符合對數(shù)正態(tài)分布。

(2)水平進(jìn)口段的平均液塞長度在25d1～ 37d1之間,隨著折算氣速增加先增大后減小;立管段的平均液塞長度在34d1～72d1之間,在低液速下隨折算氣速增大而減小,當(dāng)液速增大到一定程度,隨折算氣速增大變?yōu)橄仍龃蠛鬁p小;水平出口段的平均液塞長度在7d2～ 15d2之間,隨折算氣速增加而減小。

(3)當(dāng)液塞經(jīng)過水平入口段、立管段、水平出口段3個位置時,平均液塞長度先增大后減小,較高的氣速有利于出口段液塞完全耗散。

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(編輯 沈玉英)

Slug length evolution of gas-liquid slug flow in combined riser pipe with small length-diameter ratio

WANG Liman, HE Limin, LUO Xiaoming

(CollegeofPipelineandCivilEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The evolution of slug length distribution was investigated in a combined riser pipe, which is the pipe in front of the inlet of gas-liquid cylindrical cyclone separator (GLCC) with small length-diameter ratio. It is found that the slug velocity decreases as the slug flows from horizontal inlet to vertical section and increases as it passes through the vertical section. This phenomenon affects the calculation of slug length. The slug length distributions of the inlet, vertical pipe and outlet all conform to log-normal distribution. With the increase of gas superficial velocity, the mean slug length of the inlet section firstly increases then decreases, and the mean slug length of outlet section decreases. With the increase of gas superficial velocity, the mean slug length of the vertical section decreases at low liquid superficial velocity, and firstly increases then decreases at high liquid superficial velocity. The mean slug length firstly increases then decreases from inlet to outlet of the combined riser pipe.

combined riser pipe; slug flow; slug length; statistics

2014-07-12

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2013AA09A213)

王立滿(1987-),男,博士研究生,主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)方面的研究。E-mail:wanglimanupc@163.com。

1673-5005(2015)01-0150-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.022

O 359

A

王立滿,何利民,羅小明.小長徑比組合立管內(nèi)液塞長度演化規(guī)律[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2015,39(1):150-156.

WANG Liman, HE Limin, LUO Xiaoming.Slug length evolution of gas-liquid slug flow in combined riser pipe with small length-diameter ratio[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2015,39(1):150-156.