一小长径比组合立管内液塞长度演化规律

王立满, 何利民, 罗小明

(中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580)

一小长径比组合立管内液塞长度演化规律

王立满, 何利民, 罗小明

(中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580)

以气液柱状旋流分离器(GLCC)入口管之前的小长径比组合立管为对象,建立一套气液两相流试验系统,实验研究组合立管内不同位置的液塞长度统计分布规律。结果表明:液塞从水平入口段进入立管段直至排出的过程中存在液塞减速与加速现象,计算液塞长度时必须考虑。水平入口段、立管段及水平出口段的液塞长度分布均符合对数正态分布;随折算气速增大,入口段平均液塞长度先增大后减小,出口段平均液塞长度则呈减小趋势。在低折算液速下,立管段平均液塞长度随折算气速增大而减小;高折算液速时,平均液塞长度随折算气速增大先增大后减小。液塞通过整个组合立管的过程中,平均液塞长度先增大后减小。

组合立管; 段塞流; 液塞长度; 统计

气液柱状旋流分离器(GLCC)入口管的设计准则是保证管内流型为分层流[1-2],当来流管线中存在段塞流时,可以利用扩径与下倾的方法使液塞在入口管内发生耗散。由于GLCC入口管与来流管线之间存在一定的高差,因此液塞在进入GLCC入口管之前须经过一段小长径比[3]的组合立管,该组合立管由水平进出口管、立管、90°弯管及变径管组成,对该组合立管内的液塞运动规律进行研究,有助于进一步完善GLCC入口管流型的控制策略。目前,对于段塞流的研究主要集中于水平管与垂直管,只有少数学者对弯管和变径管内的段塞流有所研究,Abdulkadir等[4-6]研究了90°垂直弯管内段塞流的特征参数;Saidj等[7]对比了液塞从水平管转入垂直管过程中的速度、频率及长度变化;Lin等[8]通过试验得出了水平管内液塞长度与频率随扩径比的变化规律。这些学者的结论都是基于单一的弯管或变径管形式,并不适于上述的组合立管结构,据此笔者建立一套小长径比组合立管试验系统,深入研究液塞长度在整个管路中的演化规律。

1 试验系统

组合立管试验系统如图1所示。从压缩机来的压缩空气经缓冲罐稳定与孔板流量计计量后进入混合器;储液罐中的水经离心泵与质量流量计计量后进入混合器;混合后的气液两相进入水平发展段形成稳定液塞后再进入组合立管;由组合立管流出的气液混合物经分离器分离后,气相进入大气,液相返回储液罐,重复利用。组合立管采用透明的有机玻璃管,由水平管、弯管、立管及变径管组成,其中,变径前的管道直径d1为30 mm,变径后的管道直径d2为50 mm,立管长径比L/d1=60,变径比d2/d1=5/3。

图1 组合立管试验系统Fig.1 Schematic diagram of experimental facility of combined riser pipe

在组合立管的水平进口段、立管段及水平出口段分别布置了压力传感器与温度传感器,并安装了3组自制的双平行电导探针,采用美国National Instrument公司的PCI-6071E高速采集卡采集压力、流量、温度及电导探针信号。

2 气液折算速度

为区分不同流动条件下的水平管液塞,本试验中统一采用组合立管入口段的气液流速进行表征,并且气液流速以折算速度表示,即气相或液相单独流过整个管路截面时的速度。

折算气速:

(1)

折算液速:

(2)

式中,QG、QL分别为组合立管入口处的气、液流量。

3 液塞长度计算

双平行电导探针之间的电阻随液膜高度变化,同时引起输出电压的变化,因此当有液塞经过时会产生一个脉冲信号,根据上下游两组探针信号的滞后时间和探针间距可以得出液塞运动速度,再结合渡越时间可以计算液塞长度。

LS=lTS/τ.

(3)

式中,l为两组探针的间距,m;τ为滞后时间,s;TS为渡越时间,s。

在水平管段塞流的文献[9]～[11]中,采用互相关方法求取滞后时间,将两组信号x(t)和y(t)组成互相关函数Rxy(τ),取Rxy(τ)峰值对应的时间位移作为滞后时间。

(4)

图2为本试验得到的归一化电导探针信号,上升沿代表液塞到来,下降沿代表液塞离开,本文中的阈值电压为0,与上升沿的交点作为液塞头部,与下降沿的交点作为液塞尾部,tfront为液塞头部时移,ttail为液塞尾部时移。图2(a)为水平进口段的两组探针信号,可以看出tfront小于ttail,由于探针间距固定,因此液塞头部速度大于液塞尾部速度,存在减速现象,这是因为在液塞从进口段到达立管段的过程中,由水平运动转为垂直上升运动,使得一部分动能转化为势能,从而造成整个液塞速度降低。

图2(b)为立管段的两组探针信号,可以看出tfront大于ttail,表明立管段存在液塞加速现象,这是由于立管长径比较小,液塞长度与立管基本相当,液塞的运动过程类似于强烈段塞流的液塞流出阶段[12],起初液塞速度较低,当液塞尾部进入立管时,立管底部有气体窜入,随着液塞不断由水平出口段排出,立管内的液相静压力越来越小,上游管道内压缩的气体压力下降并发生膨胀,气泡加速造成立管内剩余的液相加速运动,导致立管段与水平出口段的液塞尾部速度大于头部速度。

图2(c)为水平出口段的两组探针信号,由于出口段形成不稳定性的液塞,导致液塞速度不稳定,液塞头部速度与尾部速度的相对大小关系不统一,因此出口段液塞具有加速或减速现象。

由于组合立管内的液塞速度不稳定,两个探针信号的相似性变差,互相关方法不再适用,因此提出适合组合立管内液塞长度的计算方法。

图2 归一化电导探针信号Fig.2 Normalized output signals of two successive conductivity probes

(1)水平入口段液塞长度计算。

液塞通过水平入口段电导探针的过程如图3所示。由于液塞头部经过弯头后液塞速度开始降低,因此以液塞头部到达弯头的时刻为分界点,将液塞的运动过程分为两部分。一是液塞头部由探针位置到达弯头,在此过程中液塞速度未受到转向干扰,取液塞头部速度vfront作为液塞平均速度,液塞长度L1即探针与弯头的间距Δl,然后由液塞平均速度与液塞长度求出液塞运动时间。二是液塞头部进入弯头直至液塞尾部离开探针位置,在此过程中液塞速度不断降低,取液塞尾部速度vtail作为液塞平均速度,液塞运动时间等于渡越时间TS减去上一过程中的液塞运动时间,由液塞平均速度和液塞运动时间求出液塞长度L2。

图3 液塞通过电导探针过程示意图Fig.3 Schematic diagram of slug passing through conductivity probe

两部分得出的液塞长度之和即液塞总体长度,其计算公式为

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长度计算方法。

与入口段不同,液塞在立管段与出口段的速度变化没有明确的分界点,因此采用平均速度法[13]求解液塞长度。

(6)

4 试验结果分析

4.1 液塞长度分布

在每组试验中均可同时得到组合立管入口段、立管段及出口段3个位置处的探针信号,对每个位置处的数百个液塞进行统计分析,得到组合立管内的液塞长度分布规律。

图4给出了不同气液流速条件下组合立管内的液塞长度分布(D为管道直径)。由上及下分别代表进口段、立管段、出口段。从图4中可以看出,组合立管内的液塞长度均符合对数正态分布,图中曲线为拟合的对数正态分布函数,不同位置的最大液塞长度、平均液塞长度及标准偏差都有较大变化。出口段的大多数液塞长度都集中在平均值附近,因此标准偏差最小,而立管段的液塞长度分布在较大的范围内,相对比较分散,标准偏差最大。这表明水平管内充分发展的液塞在进入立管段后,液塞长度与分散程度均有所增大,但经过扩径管后液塞长度减小至比较稳定的数值。

图4 组合立管不同位置的液塞长度分布Fig.4 Distributions of measured liquid slug length at different locations of combined riser pipe

4.2 平均液塞长度随气液相流速的变化

图5给出了组合立管3个位置处的液塞长径比随入口气液流速的变化关系。如图5(a)所示,水平进口段的平均液塞长度在25d1～ 37d1之间,这与大多数水平管内液塞长度的研究结果相一致[10-11,14-15],验证了液塞长度计算方法的可靠性。液塞长度在低气速(vSG<4.0 m/s)范围内随着折算气速增大而增大,这是由于在低气速范围内将发生塞状流(plug flow)到段塞流(slug flow)的流型转换,该流速范围与罗小明、Ferre等[10,16]的报道相符。在3.8 m/s

如图5(b)所示,立管段的平均液塞长度在34d1～ 72d1之间,在0.6、0.8、1.0 m/s三种折算液速下,平均液塞长度随气液流速的变化规律与水平进口段相同,而当vSL=0.4 m/s时,平均液塞长度在最低的折算气速下便达到最大值,这主要与立管段的液相回流有关。试验中观察到,当上一个液塞通过立管后,附着在管壁上的液相在自身重力与气相举升力的共同作用下形成振荡液膜,由于低气速导致举升力较小,液膜不断下降,而低液速又导致液塞频率低,使液相积聚时间长,在立管底部产生液相回流,下一个液塞到来时便卷吸这部分液相,从而使液塞长度增大。平均液塞长度随折算液速的变化规律与进口段相一致。

如图5(c)所示,水平出口段的平均液塞长度在7d2～ 15d2之间,在4种折算液速下,平均液塞长度均随折算气速增大而减小,并且当vSG=7.4 m/s时,在0.4、0.6、0.8 m/s三种折算液速下,出现液塞长度为0的情况,表明液塞完全耗散。在最低气速下,平均液塞长度随折算液速增大而增大,当气速增大时,平均液塞长度稳定在8d2附近,当达到最高气速时,平均液塞长度随折算液速增大先稳定在0而后又有上升,这是由于液速增大至一定程度,出口段液塞由完全耗散转变为不完全耗散。

图5 液塞长径比与入口气液流速关系Fig.5 Length-diameter ratio of liquid slug vs. gas superficial velocity for various liquid superficial velocities

4.3 平均液塞长度随不同位置的变化

图6给出了组合立管不同位置处的平均液塞长度变化(横坐标1、2、3分别代表水平入口段、立管段和水平出口段)。在不同入口气液流速下,液塞经过水平进口段、立管段及水平出口段时,平均液塞长度均呈先增大后减小的变化趋势,这主要是由管路形式改变所引起的。液塞由水平管进入立管时,吸收管壁液膜使液塞长度增大,当液塞继续流动经过扩径管后,管道截面积增大,液塞长度减小,且随着折算气速增加,液塞含气率增大,气流冲散扩径管内的液塞,并携带液相排出立管,使水平出口段的液塞持液率降低,当折算气速达到7.4 m/s时,在较低的液速下便无法形成液塞。由此可见,增大管径可以起到减小液塞长度甚至耗散液塞的作用。

对比图6(a)～(d)可以看出,水平进口段与立管段的平均液塞长度差值不断减小,这是因为当气速增大时,气液相间剪切力增大,立管段内气相携液能力增强,使管壁液膜厚度降低,液塞到来时所吸收的液量减小,因此液塞长度的增幅减小。

图6 组合立管不同位置的平均液塞长度变化Fig.6 Mean liquid slug length vs. locations of combined riser pipe

5 结 论

(1)组合立管的结构形式导致液塞加速或减速,在水平入口段、立管段、水平出口段3个位置处的液塞长度均符合对数正态分布。

(2)水平进口段的平均液塞长度在25d1～ 37d1之间,随着折算气速增加先增大后减小;立管段的平均液塞长度在34d1～72d1之间,在低液速下随折算气速增大而减小,当液速增大到一定程度,随折算气速增大变为先增大后减小;水平出口段的平均液塞长度在7d2～ 15d2之间,随折算气速增加而减小。

(3)当液塞经过水平入口段、立管段、水平出口段3个位置时,平均液塞长度先增大后减小,较高的气速有利于出口段液塞完全耗散。

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(编辑 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

国家“863”高技术研究发展计划(2013AA09A213)

王立满(1987-),男,博士研究生,主要从事多相管流及油气田集输技术方面的研究。E-mail:wanglimanupc@163.com。

1673-5005(2015)01-0150-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.022

O 359

A

王立满,何利民,罗小明.小长径比组合立管内液塞长度演化规律[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 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.