气液混输管道管式段塞流捕集器设计原理及实践

袁 英,高强生,魏 纳

(1.中石油南充燃气有限责任公司,四川南充 637000;2.西南石油大学油气藏地质及开发重点实验室,成都610500)

气液混输管道管式段塞流捕集器设计原理及实践

袁 英1,高强生1,魏 纳2

(1.中石油南充燃气有限责任公司,四川南充 637000;2.西南石油大学油气藏地质及开发重点实验室,成都610500)

段塞流是气液混输管道中一种常见的流型流态,对下游设备的压力波动影响极大。从段塞流的动力特性出发,分析了段塞流的物理特性和国外管式段塞流捕集器的结构特点和分离原理,建立了一套管式段塞流捕集器主要参数的设计计算数学模型,对主要设计参数进行了敏感性分析,得出规律性认识并给出设计案例。对研究管式段塞流捕集器的设计方法和优化凝析气田地面工艺流程有积极意义。

管式段塞流捕集器;设计方法;敏感性分析;案例

Abstract:The slug flow for gas-liquid multiphase pipeline is a common flow pattern in terms of flow pattern,its drawback is that for the downstream device has a tremendous pressure fluctuations.In this paper,dynamic characteristics of slug flow starting,first,the physical characteristics of slug flow analysis;Secondly,the foreign pipe slug catcher and the separation principle of structural characteristics was studied;a set of pairs of tubes type slug catcher design and calculation of main parameters of the mathematical model were re-established;Finally,the main design parameters to reach the design sensitivity analysis of the major design considerations and the design case were presented.This study of tubular slug catcher design methods and optimization of process gas condensate field on the ground has a positive significance.

Key words:tube-type slug catcher;design method;sensitivity analysis;case study

在凝析气田的管输过程中,由于温度和压力降而凝析出来的液态烃类物质和井口产出液体会与天然气一起混输,这些液态物质最易在管线低洼处聚集,因此在清管作业中清管器推动气相和液相前进就形成了多相流里常见的流型——段塞流,如图1。

段塞流是在2个气段之间夹杂小气泡向前流动的液体段塞,这种气推液的作用很像活塞向前推进,因此形象地叫段塞流,其流动特点是当混合物继续向前流动,压力逐渐降低,气体不断膨胀,含气率增加,小气泡相互碰撞聚合而形成大气泡,其直径接近于管径,快速运动的段塞超越其前面缓慢移动的液膜,形成不稳定压力波向前传递。某试验管段段塞流压力及3管流测试米压差如图2。

图1 段塞流流型

图2 某试验管段段塞流压力及3管流测试米压差

段塞流对于管道的下游设备,特别是处理厂的压力波动影响特别严重,使用管式段塞流捕集器可稳定段塞波动压力,并进行气液分离,工作流程如图3。

图3 段塞流捕集器工作流程

目前,我国只有管式段塞流捕集器2台,一台是J Z20-2型混输管路终端管式液塞捕集器,容量为600 m3;另一台是正在建设的新疆某凝析气田的长输管道终端管式段塞流捕集器。无论在段塞流捕集器的建设速度和数量上都无法与国外相比,特别是其设计理论和计算方法都掌握在国外公司。因此,急需建立一套适合于气液混输管道压力稳定的管式段塞流捕集器设计理论及计算方法。本文着重研究管式段塞流捕集器的结构、分离原理、设计原则、设计流程和设计方法,并以实际设计案例作为对象进行分析计算,对于建立具有我国自主知识产权的段塞流捕集器设计理论有积极意义。

1 结构组成和分离原理

管式段塞捕集器位于混输管线的下游、中央处理厂的上游,主要有3个方面的作用。

a) 使多相流流型由段塞流向分层流转化,有效分离液体。

b) 在最大段塞到达时,可作为带压液体的临时储存器。

c) 稳定管道压力,确保下游设备正常工作。

1.1 结构组成及作用

管式段塞捕集器[1-2]主要包括:①入口分离段,用于气液分离;②储存段,是一组平行下倾管段,用于储存段体(如图4～5),通常由标准直径的管段制造。

图4 管式段塞流捕集器三维图

图5 管式段塞流捕集器正视图

1.2 分离原理

通过段塞捕集器巨大的容积缓冲和减小混合物的流动速度,使段塞流转变为分层流(如图6),并利用气液之间的密度差来进行重力分离,从而达到分离的目的。

图6 分层流流型

按照均相流理论,气液混合物在管道中的流速为

式中,v为气液混合物流速,m/s;Q为气液混合物体积流量,m3/s;d为管内径,m。

当气液混合物进入管式段塞捕集器后,由于流动空间突然加大,其流速转变为

式中,v′为气液混合物流速,m/s;d′为管内径,m;n为段塞捕集器主管根数。

从式(2)可以看出,当管式段塞捕集器的主管根数较多时,混合物流速将大大低于管道中的气液混合物流速,从而实现减速的目的。另一方面,由于捕集器的倾斜设计,此时的气液相将重力分离,从而达到分离的目的。经过分离的气相介质单一,流动稳定,使下游的中央处理厂压力波动很小。

2 设计参数

2.1 最大集液量

捕集器中单位时间内的集液量可由捕集器入口与出口之间的液体质量差得出,假设液体密度为定值,且忽略液塞的加速度,则集液速率为

集液体积为

式中,vm为混合物速度,m/s;HLS为段塞持液率,无量纲;AP为捕集器入口管线横截面积,m2;qd为液体排量,m3;vt为段塞平移速度,m/s;Lsmax为最大段塞长度,m。

2.2 管径和长度

由 Taitel～Dukler[3-5]公式可以看出,增加总管径并使捕集器向下倾斜可以实现段塞流向分层流的转变,即

式中,v′g为流型转变时的气相速度,m/s;h1为液相高度,m;d为管内径,m;ρl为液相密度,kg/m3;ρg为气相密度,kg/m3;g为重力加速度;Ag为气相横截面积,m2;Al为液相横截面积,m2;α为管子倾角,(°)。

当气体真实速度vg＜v′g时,捕集器内将发生分层流[3]。由于捕集器内的液体可能会滞留,所以,应在此计算基础上增大捕集器管径。增大捕集器管径后联立求解气液分层流动量方程,可以得到工况下的持液率HL。由式(5)可计算在分层流时某一气相速度下的最大液相速度,相应地可以确定流型转变时的真实持液率H′L。由2种持液率差值可求得捕集器内要处理的集液体积。

捕集器长度的计算式为

式中,Lc为捕集器长度,m;Ac为捕集器横截面积,m2;H′L为转变工况持液率,无量纲;HL为操作工况持液率,无量纲。

3 工艺参数敏感性分析

由于捕集器长度是决定段塞流捕集器投资和占地的最主要因素,因此以模拟的基础数据为例,按照所建立的数学模型在VB6.0条件下编制程序,对捕集器的管径、管根数、管长进行敏感性分析,从而得出管式段塞流捕集器工艺设计参数的规律性认识。基础数据如表1。

表1 设计基础数据

在其他参数不变的条件下,计算管根数、管径和管倾角对捕集器长度的影响,如图7～9。由图7～9可以看出,增大管式捕集器的管径可减小捕集器长度,但随管径的增大捕集器长度的减小量下降,在实际设计中可采用混输管道主管道的管径,这样就避免了变径管段;增加捕集器的管数可减少捕集器长度,但随管数的增多捕集器长度的减小量急剧下降,贡献不大,且较多的管数会使来液气不容易达到均匀分配;下倾角在超过1°后捕集器长度的变化很小,因此下倾角最好不超过1°,宜选取0.5°。

图7 不同管数管径对捕集器长度的影响

图8 不同管径管数对捕集器长度的影响

图9 不同管径管倾角对捕集器长度的影响

对于管式捕集器管径、长度和管数的选择,建议采用计算总投资的方法。

4 设计案例

新疆某凝析气田日产气量200×104d、混输管线长25.5 km、清管液相流速3.27 m/s、积液量81 m3、液相密度775 kg/m3、温度32.4 ℃。应用本文建立的数学方程编制程序,设计清管作业及日常生产中的段塞流捕集器,设计参数及工况如表2,设计结果如表3。

由表3知,在相同直径和管倾角条件下,不同管数的捕集器投资管总长基本相同。如果选用4管段塞捕集器,其投资管总长在3种方案中最大,且单根长度达到35.26 m,其入口高度与地面相差0.31 m,施工难度较大。若选用8管段塞捕集器,考虑到8根管段不容易达到每根管段均匀分配来液气,从而影响分离效果。因此,从考虑占地、施工难度以及分离效果来看,建议选用6根管的管式段塞流捕集器。

表2 设计参数基础值

表3 设计结果

5 结论

1) 管式段塞流捕集器可以稳定下游设备压力波动。本文在国外管式段塞流捕集器基本结构设计的基础上,采用流体力学流型流态划分方法,建立了从段塞流向分层流转变的段塞流捕集器设计准则。

2) 根据管式段塞流捕集器的结构特点结合多相流基本理论,建立了结构参数的计算方法和设计流程。

3) 增大管式捕集器的管径可减小捕集器长度,但随管径的增大捕集器长度的减小量下降;增加捕集器的管数也可减少捕集器长度,但随管数的增多捕集器长度的减小量急剧下降;下倾角的选取不宜超过1°。

4) 以新疆某天然气凝析气田中央处理厂上游混输管段基础数据为例,设计了一套管式段塞流捕集器,并对其主要技术参数进行了计算和优化选择。

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Design Principles and Practice of Pipeline-tube Gas-liquid Slug Flow Trap

YUAN Ying1,GANG Qiang-sheng1,WEI Na2
(1.Gas Co.,L td.of Nanchong,CN PC,Nanchong637000,China;2.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

TE973

A

1001-3482(2010)10-0029-04

2010-04-23

科技攻关计划(中俄合作)项目(05GG021-021)

袁 英(1973-),女,四川南充人,工程师,1995年毕业于西南石油大学油气储运专业,从事天然气管道设计工作,E-mail:weina8081@163.com。