大起伏角度下V形管道段塞流流型特性

王冬旭， 胡其會*， 李玉星， 王鵬鵬， 李 爽

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 青島 266580； 2.勝利油田海洋采油廠海底管道管理中心， 東營 257000)

在石油與天然氣開采過程中，為了節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用，油氣混輸方案得到廣泛應(yīng)用[1-3]。油田中的混輸管線由于受地形起伏的影響，均呈不同傾角鋪設(shè)。通常在丘陵地帶管道起伏較小，但在一些復(fù)雜地形區(qū)域，會出現(xiàn)大起伏的混輸管路。特別是對于深水油田、沙漠油田以及中國川東北和長慶油田的復(fù)雜地形地區(qū)，集輸半徑大，導(dǎo)致氣液兩相在管道內(nèi)流動狀態(tài)復(fù)雜，給運(yùn)行管理帶來很多問題[4-5]。流型判斷是實(shí)現(xiàn)管線氣液流動參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)測的基礎(chǔ)，然而以往研究大多集中于水平管道和傾斜管道，對于大傾角起伏管線內(nèi)的氣液流型研究相對較少[6-8]。

管道傾角對于氣液兩相流動有著十分重要的影響，在不同的傾角下兩相流動特性也會表現(xiàn)出很大差異。為此，上述中外的專家學(xué)者針對傾斜管道下的兩相流動開展了相關(guān)研究。Oddie等[9]利用煤油、水和氮?dú)庠陂L11 m，直徑為15 cm的透明上傾管內(nèi)進(jìn)行了水氣、油水和油水氣多相流動的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，并對不同流型下的持液率進(jìn)行了比較和討論。Perez[10]以空氣和水為介質(zhì)研究了傾角θ(-20°≤θ≤90°)對持液率的影響。黃強(qiáng)[11]研究了高含氣起伏管路內(nèi)的流型和壓力變化規(guī)律，利用 Pipephase 軟件計(jì)算了實(shí)驗(yàn)管路的沿線壓降和流型分布，并與測量得到的實(shí)驗(yàn)管路沿線壓力、流型進(jìn)行對比。韓洪升等[12]在直徑20 mm的上傾管內(nèi)以空氣、水為介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對比5°、15°、25°傾角下流型出現(xiàn)的區(qū)域，得到管道傾斜角度對流型變化的影響。Bhagwat等[13]以空氣和水為介質(zhì)研究了傾角為0°、30°、60°、90°時(shí)上傾管內(nèi)流型、持液率、壓力變化。王權(quán)等[14]利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行氣液混輸實(shí)驗(yàn)，對大傾角上傾管內(nèi)氣液兩相流的流型、壓力波動特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中觀測到6種流型，得到了不同氣液流量和傾角下壓力波動的時(shí)域值、概率密度函數(shù)(probability density function，PDF)、累積分布函數(shù)(cumulative distribution function，CDF)和功率譜密度(power spectral density，PSD)特征。Zhou等[15]對長管-立管內(nèi)的氣水兩相流動進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)立管壓降信號和功率譜密度，將流型分為典型的強(qiáng)段塞流、過渡型強(qiáng)段塞流、振蕩流和穩(wěn)定流。Yang等[16]在內(nèi)徑為150 mm的傾斜地形管線上進(jìn)行了數(shù)值模擬。對管道內(nèi)的相分布、彎頭周圍的流速和壓力、不同截面處的含液率以及流量等流動參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析。

Oddie等[9]、Perez[10]、韓洪升等[12]、Bhagwat等[13]和王權(quán)等[14]的實(shí)驗(yàn)研究都是以上傾管道為基礎(chǔ)。Zhou等[15]的實(shí)驗(yàn)研究是以長管-立管為基礎(chǔ)。黃強(qiáng)[11]和Yang等[16]雖以起伏管路為基礎(chǔ)分別進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模擬研究，但都存在實(shí)驗(yàn)起伏管道傾角范圍(實(shí)驗(yàn)傾角范圍為-6°～6°)過小的問題。以上研究忽略了大起伏角度管路中下傾管道和上傾管道之間的相互影響。V形管道是大起伏地形中較為常見的管路結(jié)構(gòu)，其下傾管道傾角的變化必然會對上傾管道產(chǎn)生影響。目前，針對大起伏角度V形管道內(nèi)氣液兩相流流型研究未有顯現(xiàn)。因此，本文擬通過實(shí)驗(yàn)研究，得出V形起伏管道氣液兩相流流型特性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對現(xiàn)有流型判別準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

1 實(shí)驗(yàn)建立

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為中國石油大學(xué)(華東)室內(nèi)小型氣液兩相環(huán)道，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用空氣和水，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與現(xiàn)場圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑D=40 mm，總長45 m，其中下傾段長3.6 m，上傾段長2.4 m，采用透明有機(jī)玻璃材質(zhì)，以便觀察管內(nèi)氣液流型變化。上傾管與下傾管之間采用軟管連接，以便進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。下傾角β變化范圍為-30°～0°，上傾角α變化范圍為45°～90°。管道布置有間距均為0.4 m的雙平行電導(dǎo)探針(CP1～CP4)與壓力傳感器(P1～P5)。采用Iotech6220采集卡進(jìn)行持液率與壓力信號的采集，采樣頻率為50 Hz，采樣時(shí)間為60 s。實(shí)驗(yàn)中的氣體表觀流速范圍為0.15～11 m/s，液體表觀流速范圍為0.03～1.2 m/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與現(xiàn)場圖Fig.1 Schematic diagram and actual figure of experimental equipment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 流型介紹

在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)共觀察到7種流型，分別是：嚴(yán)重段塞流Ⅰ(SSⅠ)、嚴(yán)重段塞流Ⅱ(SSⅡ)、嚴(yán)重段塞流Ⅲ(SSⅢ)、段塞流、氣團(tuán)流、乳沫狀流和環(huán)狀流，各流型的典型特征如圖2所示。

①嚴(yán)重段塞流Ⅰ(SSⅠ)：氣液流量均較小時(shí)出現(xiàn)，段塞長度大于上傾管管長，出口壓力和氣液流量周期性波動；②嚴(yán)重段塞流Ⅱ(SSⅡ)：在SSⅠ的流量基礎(chǔ)上增加氣體流量，段塞頭部還未到達(dá)上傾管出口時(shí)底部氣體已進(jìn)入上傾管，段塞長度小于上傾管長度，出口氣體不出現(xiàn)斷流；③嚴(yán)重段塞流Ⅲ(SS Ⅲ)：在SSⅠ的流量基礎(chǔ)上繼續(xù)增加液體流量，此時(shí)液體的攜帶作用增強(qiáng)，使氣體以泰勒氣泡的形式進(jìn)入上傾段，出口液體不出現(xiàn)斷流；④段塞流：由段塞區(qū)和液膜區(qū)組成的段塞單元沿上傾管流動，一般在氣液流量相對較大時(shí)出現(xiàn)；⑤氣團(tuán)流：在氣體流量較小的情況下持續(xù)增加液體流量，使氣體以氣團(tuán)的形式隨液相穩(wěn)定地進(jìn)入上傾段；⑥乳沫狀流：段塞流至環(huán)狀流的過渡流型，不斷增大氣體流量，氣體對液體會產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌，液體呈不規(guī)則的乳沫狀向上流動；⑦環(huán)狀流：在乳沫狀流的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加氣體流量，使氣體在管中心形成連續(xù)氣芯，此時(shí)液體在氣液界面摩擦力的作用下以液膜形式沿管壁向上運(yùn)動。

圖2 各流型特征示意圖Fig.2 Characteristic sketches of different flow patterns

如圖3所示為電導(dǎo)探針CP4采集的持液率信號與功率譜密度(PSD)對比圖。從圖3中可以看出，嚴(yán)重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ周期性較為明顯，在PSD圖中擁有明顯的主頻率；嚴(yán)重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ具有較大的PSD峰值，其由大到小排列依次為SSⅠ>SS Ⅱ>SS Ⅲ；段塞流主頻分布在一定區(qū)域以內(nèi)，這表明其持液率信號不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的周期函數(shù)，正如Woods等[17]所證明的那樣，段塞的生成過程具有隨機(jī)性；氣團(tuán)流、乳沫狀流、環(huán)狀流無周期規(guī)律，且環(huán)狀流PSD幅值最小。

圖3 不同流型持液率信號與功率譜密度對比Fig.3 The comparison of power spectral density and holdup signal of different flow patterns

2.2 流型分布

改變氣液表觀流速，調(diào)節(jié)下傾管角度分別為-30°、-15°，上傾角度分別為45°、75°，將實(shí)驗(yàn)觀察的上傾管流型繪于圖4。從圖4中可以看出，當(dāng)上傾管傾角一定時(shí)，V形管道下傾管傾角越大，越容易產(chǎn)生SSⅠ，環(huán)狀流生成區(qū)域越?。划?dāng)下傾管傾角一定時(shí)，V形管道上傾管傾角越大，越容易產(chǎn)生SSⅠ，環(huán)狀流生成區(qū)域越小。這是因?yàn)楫?dāng)上傾管角度不變，下傾管傾角增大時(shí)，V形管道底部積液增多，段塞長度增加，降低了氣液比，這樣就降低了管道內(nèi)的壓力遞增速度，從而增加了SSⅠ的可能性；底部積液增加，降低了氣體進(jìn)入上傾管中的速度，減小了環(huán)狀流的生成區(qū)域。當(dāng)下傾管傾角不變，上傾管傾角增大時(shí)，V形管道底部積液也會增多，從而增加了SS Ⅰ的可能性；上傾管傾角增大，液膜倒流趨勢增強(qiáng)，容易形成液橋阻塞氣體流動，因而需要更高的氣速保持環(huán)狀流動。這也說明地形起伏段塞流的產(chǎn)生與地形特性密切相關(guān)。

圖4 不同管道傾角下流型Fig.4 Flow patterns of different pipe inclinations

2.3 流型數(shù)據(jù)與改進(jìn)的Taitel-Dukler流型判別法對比

Barnea[18]以Taitel-Dukler流型判別法為基礎(chǔ)，改進(jìn)得到應(yīng)用范圍更廣的流型判別準(zhǔn)則。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與改進(jìn)的Taitel-Dukler流型判別準(zhǔn)則對比，得到不同管道傾角下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。分析可知：改進(jìn)的Taitel-Dukler流型判別準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，實(shí)驗(yàn)觀察氣團(tuán)流區(qū)域小于準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)則計(jì)算環(huán)狀流區(qū)域大于實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果。

圖5 不同管道傾角下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)的Taitel-Dukler流型判別準(zhǔn)則對比Fig.5 The comparison of experimental results and the improved Taitel-Dukler flow pattern criterion at different pipe inclinations

2.4 嚴(yán)重段塞流型研究

B?e[19]根據(jù)嚴(yán)重段塞流的形成過程，假設(shè)上傾管中液體壓頭的增長速率大于管道中壓縮氣體壓力的增加速率，建立了SSⅠ、SSⅡ判別準(zhǔn)則。隨后，Taitel[20]將液體回流因素考慮到嚴(yán)重段塞流的生成過程中，進(jìn)一步完善了B?e準(zhǔn)則[式(1)]。Ye等[21]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了B?e修正準(zhǔn)則[式(2)]，其修正系數(shù)C=2。現(xiàn)將B?e準(zhǔn)則與B?e修正準(zhǔn)則與不同管道傾角下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，如圖6所示。

(1)

(2)

式中：USL為液體流速，m/s；ρG0為標(biāo)況下氣體密度，kg/m3；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；USG0為標(biāo)況下氣體速度，m/s；ρL為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；γ為管線平均含氣率；l為下傾管長度，m；α為上傾管傾角，(°)；C為修正系數(shù)。

圖6 不同管道傾角下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與嚴(yán)重段塞流判別準(zhǔn)則對比Fig.6 The comparison of experimental results and the criteria for severe slug flow at different pipe inclinations

由圖6可以看出，對于SSⅠ、SSⅡ流型分布，修正B?e準(zhǔn)則判別效果要優(yōu)于B?e準(zhǔn)則，這與Luo等[22]的研究結(jié)果相一致。大起伏角度V形管道前后傾角變化對嚴(yán)重段塞流范圍影響較為明顯，本實(shí)驗(yàn)擬合大起伏角度條件下B?e準(zhǔn)則的修正系數(shù)為3，大于Ye等[21]在立管中的研究結(jié)果。這是因?yàn)榇笃鸱匦卧龃罅藲庖毫鲃幼枇?，?yán)重段塞流噴發(fā)后液體回流增多，使底部積液增多，段塞長度增加，降低了氣液比，降低了管道內(nèi)的壓力遞增速度，SSⅠ轉(zhuǎn)化SSⅡ需要更高的表觀氣速，從而增加了SSⅠ的生成區(qū)域。

3 結(jié)論

對大起伏角度條件下V形管道流型特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了前后管道傾斜角度對流型變化規(guī)律的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對常用的流型判別準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證，具體結(jié)論如下：

(1)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)觀測到7種流型，SSⅠ、SSⅡ、SS Ⅲ、周期性較為明顯，在PSD圖中擁有明顯的主頻率；嚴(yán)重段塞流SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ、具有較大的PSD峰值，其由大到小排列依次為SSⅠ>SSⅡ>SS Ⅲ；段塞流、氣團(tuán)流、乳沫狀流、環(huán)狀流無周期規(guī)律，且環(huán)狀流PSD幅值最小。

(2)當(dāng)V形管道下傾管傾角或者上傾管傾角增大時(shí)，管道底部下凹區(qū)域積液量增多，SSⅠ生成區(qū)域增大，環(huán)狀流生成區(qū)域減小。

(3)改進(jìn)的Taitel-Dukler流型判別準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果與不同傾角下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，實(shí)驗(yàn)觀察氣團(tuán)流區(qū)域小于準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果，準(zhǔn)則計(jì)算環(huán)狀流區(qū)域大于實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果。

(4)V形管道前后傾角變化對嚴(yán)重段塞流范圍影響較為明顯，修正B?e準(zhǔn)則對于SSⅠ、SSⅡ流型判別效果要優(yōu)于B?e準(zhǔn)則。由于V形管道底部的積液效果，使段塞長度增加，SSⅠ轉(zhuǎn)化SSⅡ需要更高的表觀氣速，從而增加了SSⅠ的生成區(qū)域。本實(shí)驗(yàn)擬合大起伏角度條件下B?e準(zhǔn)則的修正系數(shù)C=3。