大輸量多相混輸管路氣液兩相流實(shí)驗(yàn)研究

彭 壯，汪國(guó)琴

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；　中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司氣 舉試驗(yàn)基地多相流研究室，湖北 武漢 430100）

?

大輸量多相混輸管路氣液兩相流實(shí)驗(yàn)研究

彭 壯1， 2， 3，汪國(guó)琴1， 2， 3

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司氣 舉試驗(yàn)基地多相流研究室，湖北 武漢 430100）

為了研究大輸量條件下多相混輸管路的流動(dòng)特性，以水和空氣為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，在長(zhǎng)江大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了水平狀態(tài)的高氣液量?jī)上嗔髂M實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為60 mm、長(zhǎng)9.4 m的透明有機(jī)玻璃管，并利用高速攝像儀記錄實(shí)驗(yàn)過程中的流型。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)流型進(jìn)行整理，將水平管內(nèi)的氣液兩相流流型劃分為分層流、泡狀流、段塞流和環(huán)狀流，并與典型的Mandhane流型圖進(jìn)行對(duì)比分析。另外，對(duì)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的幾種典型流型下的壓降梯度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，泡狀流區(qū)域壓降梯度隨氣流速的增大而減小，段塞流區(qū)域壓降梯度隨氣流速的增大而緩慢增大，環(huán)狀流區(qū)域壓降梯度隨氣流速的增加而繼續(xù)增大。

大輸量；氣液兩相；流型；壓降

近年來，多相混輸管路在國(guó)內(nèi)外各油氣田地面集輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。多相混輸工藝相較于單相輸送工藝而言，能夠減少工程投資、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，大大降低生產(chǎn)成本，在石油行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。管路流動(dòng)過程中的流型和壓降變化是多相流動(dòng)中最重要的特性，而多相管流的流動(dòng)特性是集輸流程的工藝設(shè)計(jì)、管線和設(shè)備安全防護(hù)的基礎(chǔ)。因此，研究多相混輸管路中的流型及壓降的變化規(guī)律，對(duì)于集輸設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高運(yùn)行效率和安全可靠性起著至關(guān)重要的作用［1-5］。

另外，隨著大直徑、長(zhǎng)距離混輸管路的普及，大輸量條件下的多相混輸管路的流型和壓降變化規(guī)律研究也亟待進(jìn)行，因此，在長(zhǎng)江大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行了大氣液量下水平角度的氣液兩相管流實(shí)驗(yàn)研究，以便掌握大輸量條件下的多相混輸管路中流型以及壓降的變化規(guī)律，為油氣集輸中大輸量多相混輸管路的安全穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也為今后氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)和理論研究奠定基礎(chǔ)［6-10］。

1　實(shí)驗(yàn)部分

本文中設(shè)計(jì)了一種新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)用水從水罐中抽出，經(jīng)液泵增壓、穩(wěn)壓、計(jì)量后再與壓縮氣體混合進(jìn)入測(cè)試管段，最后經(jīng)氣液分離器分離出氣體后回到水罐。測(cè)試管段能測(cè)量壓力、壓差、溫度等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。

該水平角度的氣液兩相流流動(dòng)實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水和空氣；氣體流量范圍為5～2 000 m3/h，液體流量范圍為2~20 m3/h，壓力范圍為0~1 MPa。

實(shí)驗(yàn)中首先調(diào)整試驗(yàn)井筒段達(dá)到水平狀態(tài)，然后采用固定液體體積流量，從小到大改變氣體體積流量的方法，待試驗(yàn)管段內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定后采集相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一組實(shí)驗(yàn)后，改變液體體積流量進(jìn)行下一組工況的實(shí)驗(yàn)。流；氣體流速一定時(shí)，減小液體流速，流型轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鳌謱恿鳎?/p>

2）大輸量條件下，即氣液流速較大時(shí)，水平管中的主要流型為段塞流和環(huán)狀流，當(dāng)氣體流速為20～40 m/s時(shí)，處于段塞流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的區(qū)域，當(dāng)氣體流速大于40 m/s時(shí)，已經(jīng)完全進(jìn)入環(huán)狀流區(qū)域；

圖1　多相流試驗(yàn)裝置流程Fig.1 Multiphase flow test process

圖2　實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在Mandhane流型圖上的位置Fig.2 Experimental points on Mandhane flow diagram

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1水平管氣液兩相流的流型圖

通過測(cè)量氣液兩相的流量，利用公式可得到氣相和液相對(duì)應(yīng)的表觀速度。按照氣液界面總體特征，將大輸量水平以及近水平管內(nèi)氣液兩相流的流型劃分為分層流、泡狀流、段塞流和環(huán)狀流。通過固定液量依次改變氣量得到不同氣液比條件下的典型流型，按流型將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制成流型圖。圖2中給出了本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)在 Mandhane流型圖上的位置。其中，Mandhane流型圖是 1974年由Mandhane［11］等人根據(jù)空氣-水條件下的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而繪制的水平管氣液兩相流型圖。

從圖2可以得到以下結(jié)論：

1）水平管中的氣液兩相流流型變化受氣體流速和液體流速的影響：液體流速一定時(shí)，增大氣體流速，流型轉(zhuǎn)變趨勢(shì)依次為泡狀流—段塞流—環(huán)狀

3）在氣液流速較高的條件下，本實(shí)驗(yàn)所得到的流型分區(qū)與Mandhane流型圖基本吻合，其中段塞流與環(huán)狀流的流型邊界與Mandhane流型圖的流型邊界能夠較好吻合。

2.2水平管氣液兩相流的壓降變化

按照?qǐng)D2中本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的流型劃分，繪制出不同氣流速、液流速下水平管段各典型流型的壓降梯度隨表觀氣流速變化規(guī)律如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，水平管泡狀流區(qū)域的壓降梯度變化特征為：隨著氣流速的增大，不同液流速下的壓降梯度均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；在同一氣流速下，增加液體流速，壓降梯度會(huì)增大。產(chǎn)生這種變化趨勢(shì)的原因是：分散在液相中的氣泡會(huì)占據(jù)管道的部分流動(dòng)截面面積，從而使得液相的真實(shí)流動(dòng)截面面積減小；在氣流量保持不變的情況下，增加液流量，液相與管壁的接觸面積增加，從而壓降也會(huì)增加；隨著氣流量的增加，液相中氣泡含量增加，氣泡變大，這在一定程度上減小了界面濕周（濕壁分?jǐn)?shù)），從而使得水平管內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)總壓降減小。

圖3（b）給出了段塞流區(qū)域在不同液流速下的水平管氣液兩相流的壓降梯度隨表觀氣流速的變化規(guī)律。從圖上可以看出，在段塞流區(qū)域，隨著表觀氣流速的增加，水平管中氣液兩相流的壓降梯度也緩慢上升。對(duì)于壓降梯度的以上變化規(guī)律，是由于段塞流區(qū)域的小氣泡聚集形成Taylor氣泡，相鄰的Taylor氣泡被含有小氣泡的液段分隔開，圖 3（b）給出了段塞流區(qū)域在不同液流速下的水平管氣液兩相流的壓降梯度隨表觀氣流速的變化規(guī)律。

從圖上可以看出，在段塞流區(qū)域，隨著表觀氣流速的增加，水平管中氣液兩相流的壓降梯度也緩慢上升。對(duì)于壓降梯度的以上變化規(guī)律，是由于段塞流區(qū)域的小氣泡聚集形成Taylor氣泡，相鄰的Taylor氣泡被含有小氣泡的液段分隔開，氣相通過Taylor氣泡與液相進(jìn)行動(dòng)量和能量的交換，實(shí)驗(yàn)中可以明顯觀察到氣液兩相在Taylor氣泡的頭部區(qū)域有強(qiáng)烈的混合，紊亂的小氣泡團(tuán)聚集在大氣泡周圍。隨著管中氣相流速的增加，液段被大氣泡所夾帶，液相速度也增加。另外，氣流速的增加使得氣相和液相之間由于相互作用而引起的能量損失也相應(yīng)增加。以上這些因素共同導(dǎo)致段塞流段壓降梯度的增加。

圖3　水平管氣液兩相各典型流型時(shí)的壓降變化Fig.3 Pressure drop change of each typical gas-liquid two-phase flow patterns in horizontal pipe

圖3（c）給出了環(huán)狀流區(qū)域的壓降梯度隨表觀氣流速的變化曲線圖?？梢钥闯?，在較高的氣流速范圍內(nèi)，管中的壓降梯度隨著表觀氣流速的增加而繼續(xù)增加。在環(huán)狀流時(shí)，由于氣體流速較大，氣相形成連續(xù)氣芯在管中心運(yùn)動(dòng)，周圍是一層很薄的連續(xù)液膜。當(dāng)表觀液流速不變時(shí)，管中的氣流速繼續(xù)增加，水平管中的氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)成為充分發(fā)展的環(huán)狀流，此時(shí)管中的截面含氣率也會(huì)顯著上升，液膜的流通面積進(jìn)一步減小，液膜隨著氣相一起運(yùn)動(dòng)，管中的氣相和液相的動(dòng)量和能量交換增強(qiáng)，導(dǎo)致氣液相之間的摩擦阻力增大。環(huán)狀流區(qū)域的以上流動(dòng)特征使得壓降梯度在環(huán)狀流時(shí)繼續(xù)增加。

3　結(jié) 論

（1）通過對(duì)多相混輸過程中的氣液兩相流流動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了流型變化受氣體流速和液體流速的影響：液體流速一定時(shí)，增大氣體流速，流型轉(zhuǎn)變趨勢(shì)依次為泡狀流—段塞流—環(huán)狀流；氣體流速一定時(shí)，減小液體流速，流型轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鳌謱恿鳎?/p>

（2）在較高氣液流速下，本實(shí)驗(yàn)所得到的流型分區(qū)與Mandhane流型圖基本吻合，其中段塞流與環(huán)狀流的流型邊界與Mandhane流型圖的流型邊界能夠較好吻合。

（3）通過對(duì)水平管氣液兩相流動(dòng)過程中的典型流型壓降梯度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)泡狀流區(qū)域壓降梯度隨氣流速的增大而減小，段塞流區(qū)域壓降梯度隨氣流速的增大而緩慢增大，環(huán)狀流區(qū)域壓降梯度隨氣流速的增加而繼續(xù)增大。

［1］ 姜美菊，馮叔初.氣液兩相流動(dòng)流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理和數(shù)學(xué)模型［J］. 油氣田地面工程，1988，7（1）：2-9.

［2］ 劉文紅，郭烈錦，張西民，白博峰，吳鐵軍. 水平管內(nèi)油氣水三相流分流型阻力特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，01：80-83.

［3］ 趙鐸. 水平管內(nèi)氣液兩相流流型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

［4］ 曹琳，康志江，趙輝，章彤，羅興旺. 多模型油藏閉環(huán)管理［J］. 科技導(dǎo)報(bào)，2013，32：52-57.

［5］ 呂宇玲，王鴻膺.氣液兩相流氣液量與流型轉(zhuǎn)變的研究［J］. 油氣田地面工程，2006，25（1）：12-13.

［6］ 陳家瑯，陳濤平，石在虹.非圓形通道中氣液兩相鉛直向上流動(dòng)的壓降計(jì)算［J］. 油氣田地面工程，1995，14（6）：1-2.

［7］ 陳家瑯.石油氣液多相管流研究展望［J］. 油氣田地面工程，1989，8（5）：1-3.

［8］ 羅洪斌，李根生，黃中偉，等.垂直上升圓管氣液兩相流氣泡運(yùn)動(dòng)模型及計(jì)算［J］. 石油鉆探技術(shù)， 2008，36（6）：72-74.

［9］ 許晶禹，吳應(yīng)湘，李東暉.液相物性對(duì)氣液兩相管流流型和壓降影響的研究［J］. 應(yīng)用基 礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，13（2）：111-119.

［10］ 趙鐸.水平管內(nèi)氣液兩相流流型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］. 北京：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

［11］ Mandhane，J.M，Gregory，G.A.Aziz，K. A flow pattern map for gas-liquid flow in horizontal pipes［J］. Int.J.Multiphase flow，1974，1（2）：537-553.

Experimental Study on Gas-liquid Two-phase Flow of Multiphase Pipeline Under the Condition of Large Transport Volume

PENG Zhuang1,2,3，WANG Guo-qin1,2,3
(1. College of Petroleum Engineering,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China; 2. The Branch of Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China; 3. The Multiphase Flow Laboratory of CNPC for Gas-lift Test Base, Hubei Wuhan 430100，China)

In order to study the multiphase pipeline flow characteristics under the condition of high transport volume, taking water and air as experimental mediums in multiphase flow experimental platform of Yangtze University, the two-phase flow simulation experiment of high transport volume was carried out by using 9.4 m length transparent organic glass tube with inner diameter of 60 mm under horizontal condition, and the flow pattern of the experiment was recorded with high-speed camera. Through sorting the experimental flow pattern, the gas-liquid two-phase flow in a horizontal pipe flow pattern was divided into stratified flow, bubble flow, slug flow and annular flow, and they were compared with the typical Mandhane flow pattern map. In addition, pressure drop gradient change rules of several typical flow patterns were studied. The results show that pressure drop gradient in the bubble flow area decreases with the increase of gas velocity, pressure drop gradient in the slug flow area slowly increases with the increase of gas velocity, and the pressure drop gradient in the annular flow area gradient increases with the increase of gas velocity.

high transport volume; gas-liquid two-phase; flow pattern; pressure drop

E-mail：pengzh1230@163.com。

TQ 028

A

1671-0460（2016）05-0897-03

2016-01-07

彭壯（1990-），男，湖北武漢人，碩士研究生，2014年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程，研究方向：從事多相管流的研究。