邢蘭昌蔣亞莉華陳權(quán)耿艷峰

(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院,山東青島266580)

應(yīng)用Ω型管調(diào)整氣液分層流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

邢蘭昌,蔣亞莉,華陳權(quán),耿艷峰

(中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院,山東青島266580)

為了開發(fā)抑制嚴(yán)重段塞流的被動(dòng)式方法,利用所提出的新型流動(dòng)調(diào)整裝置—“Ω型管”在水平管內(nèi)氣液分層流條件下開展了實(shí)驗(yàn)研究,討論了Ω型管結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流動(dòng)調(diào)整作用的影響規(guī)律,分析了Ω型管流動(dòng)調(diào)整作用的機(jī)理。研究表明,氣液分層流流過Ω型管后,液相截面含率的波動(dòng)強(qiáng)度增加且間歇性增強(qiáng),具體表現(xiàn)為波動(dòng)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差增加、最大值增加、最小值降低、波動(dòng)范圍增加和波動(dòng)周期增加;Ω型管能夠?qū)庖悍謱恿髡{(diào)整為氣液間歇流型,其流動(dòng)調(diào)整能力隨主彎管彎曲半徑和基本單元個(gè)數(shù)的增加而增強(qiáng),受基本單元之間距離的影響相對較小;Ω型管對氣液分層流流動(dòng)特性的調(diào)整作用機(jī)理可以歸結(jié)為兩個(gè)物理過程:液體阻塞和氣體攜帶。研究結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)Ω型管以及將其應(yīng)用于立管系統(tǒng)以抑制嚴(yán)重段塞流奠定了基礎(chǔ)。

氣液兩相流; 流動(dòng)調(diào)整; Ω型管; 嚴(yán)重段塞流; 實(shí)驗(yàn)研究

在油氣田開發(fā)的初期和末期油氣產(chǎn)量較低時(shí),嚴(yán)重段塞流經(jīng)常在集輸管線立管系統(tǒng)中形成[1-2]。嚴(yán)重段塞流對整個(gè)油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成了極大威脅,嚴(yán)重段塞流的控制是深水石油開采輸送領(lǐng)域急需解決的流動(dòng)安全保障問題之一。形成嚴(yán)重段塞流有三個(gè)必要條件[1,3]:(a)立管上游管線內(nèi)為氣液分層流;(b)立管底部氣相壓力的增加速率小于立管內(nèi)液柱所產(chǎn)生靜壓力的增加速率;(c)沿立管的壓力降隨入口氣相流量的增加而減小。控制或抑制嚴(yán)重段塞流,即把嚴(yán)重段塞流轉(zhuǎn)化為其他流型,可通過消除以上必要條件來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)是否需要系統(tǒng)外部資源的注入,嚴(yán)重段塞流的抑制方法可分為兩大類[4-6]:主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式方法的實(shí)施需要外部資源,通常導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制較復(fù)雜[7-12];被動(dòng)式方法無需外部資源,通常采用系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)改造的形式[13-15]。

被動(dòng)式方法中的流動(dòng)調(diào)整法是指在立管上游的管線內(nèi)安裝流動(dòng)調(diào)整裝置將氣液分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌餍?以消除嚴(yán)重段塞流形成的必要條件(a)。A. R.Almeida等[13]提出了文丘里管的流動(dòng)調(diào)整裝置,該裝置對氣液兩相流產(chǎn)生混合作用并把分層流轉(zhuǎn)換成其他流型,但是其“縮頸”段給管線的清管操作帶來困難。T.Makogan等[14]提出重丘型裝置以將嚴(yán)重段塞流的長液塞截?cái)喑蔀橐幌盗卸桃喝?但是流體流動(dòng)方向急劇變化會(huì)對重丘型裝置產(chǎn)生較大的沖擊,易使裝置產(chǎn)生機(jī)械損傷。

本研究前期提出了一種新型流動(dòng)調(diào)整裝置—“Ω型管”,并針對Ω型管的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)開展了數(shù)值模擬研究[15],在此基礎(chǔ)上確定了用于開展室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文應(yīng)用所設(shè)計(jì)的Ω型管開展了水平管內(nèi)氣液兩相分層流條件下的模擬實(shí)驗(yàn),討論了Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流動(dòng)調(diào)整作用的影響規(guī)律,分析了Ω型管流動(dòng)調(diào)整作用的機(jī)理,為Ω型管的優(yōu)化設(shè)計(jì)和在嚴(yán)重段塞流中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Ω型管的結(jié)構(gòu)組成

圖1為Ω型管的基本單元,從1至5分別為前直管段、前彎頭、180°主彎管、后彎頭和后直管段。D為管徑;幅度A為管道軸線和主彎管軸線之間距離;R為主彎管彎曲半徑;Li為第i個(gè)基本單元的長度。

圖1 Ω型管的基本單元Fig.1 A basic unit of theΩ-shaped pipe

Ω型管可由一個(gè)或多個(gè)基本單元組成,圖2所示為實(shí)驗(yàn)中所采用的包含兩個(gè)基本單元的Ω型管,基本單元之間距離(前一基本單元主彎管出口軸線與后一基本單元主彎管入口軸線之間的距離)為d,前后法蘭之間距離為Ω型管的總長度L。為了便于對管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀察和錄像,采用透明的有機(jī)玻璃材料對Ω型管進(jìn)行了加工制作。

圖2 兩個(gè)基本單元組成的Ω型管Fig.2 TheΩ-shaped pipe with two basic units

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)油氣水多相流實(shí)驗(yàn)裝置上完成,實(shí)驗(yàn)裝置的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[16]。本實(shí)驗(yàn)所采用的氣相和液相實(shí)驗(yàn)介質(zhì)分別為空氣和水。其中液相由離心泵從水罐泵出至高32 m的水塔,通過在水塔頂部形成溢流達(dá)到穩(wěn)定液相壓力的目的,液相流出水塔后進(jìn)入計(jì)量管排;氣相動(dòng)力源為空氣壓縮機(jī),經(jīng)穩(wěn)壓和干燥后進(jìn)入計(jì)量管排。氣液兩相經(jīng)混合器混合后進(jìn)入流型發(fā)展管段和測試管段,經(jīng)過測試管段的氣液兩相流進(jìn)入分離罐實(shí)現(xiàn)兩相分離,水流回到水罐以循環(huán)使用。

流型發(fā)展管段和測試管段為水平環(huán)狀實(shí)驗(yàn)管道,總長約15 m,內(nèi)徑50 mm。所測試的Ω型管安裝于測試管段,如圖3所示。Ω型管的上游和下游均安裝電導(dǎo)環(huán)傳感器以實(shí)時(shí)測量液相截面含率[17]。

圖3 測試管段Ω型管和電導(dǎo)環(huán)傳感器的安裝示意圖Fig.3 Schematic of installation of theΩ-shaped pipe and conductivity ring sensors in the testing section

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中流型條件:Ω型管入口處為氣液兩相分層流型。依據(jù)泰特爾流型圖,在分層流區(qū)域選擇了30個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了測試,實(shí)驗(yàn)矩陣如圖4所示。氣相和液相的折算速度范圍分別為0.1～0.7 m/s和0.01～0.30 m/s。

圖4 實(shí)驗(yàn)矩陣圖Fig.4 Chart of the experimental matrix

實(shí)驗(yàn)過程中首先固定液相流量,通過改變氣相流量實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)矩陣中每一行實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的測試,然后改變液相流量,完成對所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的測試。所采集的數(shù)據(jù)主要包括:氣相和液相的流量、氣路和液路的壓力和溫度、氣液兩相混合后的壓力和溫度、Ω型管上游和下游的液相截面含率、Ω型管內(nèi)流動(dòng)過程的視頻圖像。

為了考察Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流動(dòng)調(diào)整作用的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)中測試了如表1所列三組Ω型管。

表1 實(shí)驗(yàn)中測試的Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Geometrical parameters of theΩ-shaped pipes tested in the experiments

2 結(jié)果與討論

通過對Ω型管上游和下游液相截面含率變化曲線的分析,并與Ω型管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)過程視頻圖像相結(jié)合,著重討論了不同流動(dòng)條件下Ω型管對氣液兩相流動(dòng)特性的調(diào)整作用及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律,進(jìn)一步分析了Ω型管流動(dòng)調(diào)整作用的機(jī)理。

2.1 主彎管彎曲半徑的影響

實(shí)驗(yàn)中測試了不同主彎管彎曲半徑/管徑比(R/D=3、4、5和8)的Ω型管。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,Ω型管下游液相截面含率變化曲線波動(dòng)劇烈,考慮到如把R/D=3、4、5和8四種條件下的液相截面含率變化曲線同時(shí)展示,將無法觀察出各自的變化規(guī)律,因此下文以R/D=4和8兩種情況為例進(jìn)行分析討論(若分析R/D=3和5的情況,也可得到相同的結(jié)論)。圖5所示為氣相和液相折算速度分別為0.25 m/s和0.03 m/s,R/D=4和8時(shí)Ω型管上游和下游的液相截面含率的變化曲線。

由圖5可知,Ω型管上游液相截面含率圍繞平均值0.83在小范圍內(nèi)波動(dòng),曲線波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.04,Ω型管下游液相截面含率圍繞平均值上下波動(dòng),但是其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差相對于上游均發(fā)生了變化,其平均值分別降低至0.74(R/D=4)和0.71(R/D=8),標(biāo)準(zhǔn)差分別上升至0.06(R/D=4)和0.10 (R/D=8);R/D=8時(shí)相含率最大值大于R/D=4時(shí),最小值小于R/D=4時(shí),即波動(dòng)范圍有所增加;R/D=8時(shí)相含率的波動(dòng)周期大于R/D=4時(shí)。

圖5 不同的主彎管彎曲半徑/管徑比的Ω型管上下游液相截面含率的變化圖(R/D=4和8)Fig.5 Variations of liquid holdups upstream and downstream of theΩ-shaped pipes with different ratios of the radius of the main bent to the pipe diameter(R/D=4 and 8)

Ω型管上游液相截面含率平均值高于下游,原因在于氣液兩相流流過Ω型管時(shí)液體在Ω型管向上流動(dòng)段底部累積,部分氣體先于液體通過主彎管,從而使得上游液相截面含率增高。

Ω型管下游液相截面含率的波動(dòng)強(qiáng)度增加,表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)差增加、最大值增加、最小值降低、波動(dòng)范圍增加。在Ω型管的主彎管向上流動(dòng)段底部累積的液塞間歇地被上游氣體沖開,氣體攜帶部分液體進(jìn)入Ω型管的主彎管向下流動(dòng)段,使得Ω型管下游的氣液兩相流動(dòng)表現(xiàn)出間歇性。

當(dāng)R/D增加時(shí)上述間歇性流動(dòng)的周期性更加明顯、周期也有所增加,可見增加Ω型管的主彎管彎曲半徑使得其流動(dòng)調(diào)整作用增強(qiáng)。

2.2 基本單元個(gè)數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)中測試了含有不同基本單元個(gè)數(shù)(N=1和2)的Ω型管。圖6所示為氣相和液相折算速度分別為0.41 m/s和0.02 m/s時(shí)Ω型管下游的液相截面含率的變化曲線。

由圖6可知,Ω型管的基本單元個(gè)數(shù)增加時(shí),下游液相含率曲線隨時(shí)間波動(dòng)更加劇烈,主要表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)差增加和最小值降低,標(biāo)準(zhǔn)差由N=1時(shí)的0.07增加至N=2時(shí)的0.10,最小值由0.47降低至0.31;Ω型管的基本單元個(gè)數(shù)增加時(shí),下游液相截面含率的波動(dòng)周期明顯增大。

圖6 基本單元個(gè)數(shù)不同的Ω型管下游液相截面含率的變化圖(N=1和2)Fig.6 Variations of liquid holdups downstream of theΩ-shaped pipes with different counts of the main bent(N=1 and 2)

由以上對主彎管彎曲半徑影響的分析可知,當(dāng)Ω型管含有1個(gè)基本單元時(shí),下游液相截面含率的最大值即可達(dá)到0.95以上(甚至1),即Ω型管下游已經(jīng)出現(xiàn)了高液相含率的液塞。當(dāng)Ω型管的基本單元個(gè)數(shù)大于1時(shí),其對兩相流動(dòng)特性的影響主要表現(xiàn)在間歇性方面(波動(dòng)周期增加),即經(jīng)過若干個(gè)基本單元的調(diào)整作用后,氣液分層流型轉(zhuǎn)變?yōu)楦语@著且穩(wěn)定的間歇流型。

2.3 基本單元之間距離的影響

實(shí)驗(yàn)中測試了當(dāng)Ω型管含有2個(gè)基本單元時(shí),基本單元之間的距離(d/D=2、4和6)的影響。圖7所示為氣相和液相折算速度分別為0.42 m/s和0.03 m/s時(shí)Ω型管下游的液相截面含率的變化曲線。

圖7 基本單元之間的距離/管徑比不同的Ω型管下游液相截面含率的變化圖(d/D=2、4和6)Fig.7 Variations of liquid holdups downstream of theΩ-shaped pipes with different ratios of the distance between two adjacent main bents to the pipe diameter (d/D=2,4 and 6)

由圖7可知,基本單元之間距離的變化對下游液相截面含率的波動(dòng)影響不顯著,當(dāng)d/D由2增加至6時(shí),下游液相截面含率波動(dòng)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差由0.09分別增加至0.11和0.11,液相截面含率的最小值有所降低,因此其波動(dòng)范圍隨d/D的增加而稍微增加。

2.4 流動(dòng)調(diào)整作用機(jī)理

通過討論Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流動(dòng)調(diào)整作用的影響規(guī)律,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中所記錄的視頻圖像進(jìn)行分析,將Ω型管對氣液兩相分層流流動(dòng)特性的調(diào)整作用機(jī)理歸結(jié)為兩個(gè)物理過程:液體阻塞和氣體攜帶。Ω型管流動(dòng)調(diào)整作用的實(shí)施主要依賴于主彎管結(jié)構(gòu)參數(shù),而基本單元之間距離的影響相對較小。

具體分析如下:

(a)液體阻塞:在Ω型管的基本單元主彎管入口處,由于液體流速較低且密度較大,液體在入口處出現(xiàn)一定程度的累積并趨向于堵塞入口,從而對氣體的流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用。

(b)氣體攜帶:氣體流速較大具有較高的動(dòng)能,從而間歇地沖破液體的阻擋而進(jìn)入主彎管中,同時(shí)也攜帶部分液體進(jìn)入主彎管,此部分被攜帶的液體一部分回落,另一部分被繼續(xù)攜帶到主彎管的向下流動(dòng)段中,進(jìn)而流出主彎管進(jìn)入下游。

3 結(jié)論與展望

為了開發(fā)抑制嚴(yán)重段塞流的被動(dòng)式方法,利用所提出的新型流動(dòng)調(diào)整裝置—“Ω型管”,在水平管內(nèi)氣液分層流條件下開展了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究,討論了Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其流動(dòng)調(diào)整作用的影響規(guī)律,分析了Ω型管流動(dòng)調(diào)整作用的機(jī)理。

(1)氣液兩相分層流流過Ω型管后,液相截面含率的波動(dòng)強(qiáng)度增加且間歇性增強(qiáng),具體表現(xiàn)在波動(dòng)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差增加、最大值增加、最小值降低、波動(dòng)范圍增加和波動(dòng)周期增加。

(2)Ω型管能夠?qū)庖簝上喾謱恿髡{(diào)整為氣液間歇流型,其流動(dòng)調(diào)整能力隨主彎管彎曲半徑和基本單元個(gè)數(shù)的增加而增強(qiáng),受基本單元之間距離的影響相對較小。

(3)Ω型管對氣液兩相分層流流動(dòng)特性的調(diào)整作用機(jī)理可以歸結(jié)為兩個(gè)物理過程:液體阻塞和氣體攜帶。

下一步將依照實(shí)驗(yàn)室內(nèi)立管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和尺寸對Ω型管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并將Ω型管安裝于立管底部上游的管道中,采用物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段研究基于Ω型管氣液兩相流動(dòng)調(diào)整機(jī)理的嚴(yán)重段塞流抑制方法。

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(編輯 王亞新)

Experimental Study on Conditioning Gas-Liquid Stratified Flow Characteristics with a New Flow ConditionerΩ-Shaped Pipe

Xing Lanchang,Jiang Yali,Hua Chenquan,Geng Yanfeng
(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao Shandong266580,China)

To develop a passive approach for mitigating severe slugging in pipeline-riser systems,a new flow conditioner,Ω-shaped pipe,had been proposed.TheΩ-shaped pipe was investigated experimentally under gas-liquid two-phase stratified flow conditions in a horizontal pipeline.The effects of the geometrical parameters ofΩ-shaped pipe on its flow conditioning capacity and the flow conditioning mechanism were discussed based on the experimental data.It has been demonstrated that:after the gas-liquid flow passes through theΩ-shaped pipe,the fluctuation intensity and intermittency of liquid holdup time traces increased with increasing of standard deviation,maximum value,fluctuation range,cycle time and decreasing of minimum value.The gas-liquid stratified flow regime can be converted into an intermittent flow regime byΩ-shaped pipe,the flow conditioning capacity of which becomes stronger with the increase of the radius and count of the main bent and the effect of the distance between two adjacent bents is minor.The flow conditioning mechanism of theΩ-shaped pipe can be attributed to two physical processes:liquid blocking and gas carrying-over.The outcome of this study provides a foundation for optimizing the design ofΩ-shaped pipes and applyingΩ-shaped pipes to mitigating severe slugging in pipeline-riser systems.

Gas-liquid two-phase flow;Flow conditioning;Ω-shaped pipe;Severe slugging;Experimental study

TE58;TE863;O359

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.016

1006-396X(2017)01-0082-05投稿網(wǎng)址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-10-06

:2016-10-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51306212);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013EEQ033);青島市自主創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(15-9-1-19-jch);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(16CX05021A)。

邢蘭昌(1983-),男,博士,副教授,從事多相流流動(dòng)、流動(dòng)保障及測控技術(shù)研究;E-mail:xinglc@upc.edu.cn。