上斜管线两相流型转换条件的研究

2015-08-10韦燕兰

石油化工应用 2015年12期

马俊，韦燕兰

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

近几十年来，国内外对气液两相流的流型及其变化条件进行了广泛深入的研究，并得到了很多理论和经验公式以及相应的流型图。对水平管和竖直管内的流动形态相对较多，而对倾斜管多相流的研究却较少。国外的研究主要开始于二十世纪七八十年代，Tatel、Dukler 在1976 年对小角度管线的流型进行了初步研究，奠定了理论基础。随后Barnea（1980）等[1]进一步加强了对向下、上倾斜管内气液两相流型的研究，初步给定了流型转换的条件。Weisman 和Kang[2]（1981）对小角度倾斜管线内的气液两相流型进行了实验研究。在对管道整个倾角变化范围内的弹状流向泡状流转变分析方面，Brill 等给出了相应的理论模型。后来Barnea等[3]给出了0～90°的向上倾斜管内流型转变的数据，并绘制了流型图。

国内关于倾斜管线流型的研究也相对较少。荆建刚[4]研究了倾角分别为2.5°、10°及20°的流型图，观察到了6 种流型，分别描述了其特征并给出了流型之间的转换条件。曹夏昕[5]进行了倾角为15°和30°的流型研究，给出了相应的流型图，并与水平管流型进行对比，分析了倾角对于流型的影响。刘晓娟等[6]给出了倾斜井筒不同流型条件下的压降模型，并进行了应用对比研究。

上面大多数研究的都是小角度管线或微倾斜管线，对倾斜角度相对较大的管线的研究涉及较少。本文对10°、30°、45°和60° 4 种不同倾斜管线内的两相流型进行了实验研究，结合实验数据，分析了流型转变过程中的特点，给出了相应的流型图和转变条件。

1 实验装置及实验方法

本实验是在长江大学多相流重点实验室中进行的，其流程图（见图1）。实验管段的内径为40 mm，长度为10 m，可以通过变换管段角度（10°、30°、45°和60°），实现不同倾角流型的研究。实验在常温下进行，气相体积流量的变化范围是0 m3/h～80 m3/h，液相体积流量的变化范围是0 m3/h～10 m3/h。

循环水系统主要由水泵、流量计和调节阀三部分组成，调节阀分为小中大三档，根据实验要求变换不同档位。

空气供给系统由气泵、过滤器、减压阀、压力表、流量计、逆止阀、闸阀组成。调节阀也分为三个不同的档位。

计算机采集系统主要搜集的数据为：气体流量，液体流量，温度，实验管段压力及压差等。

实验开始前，首先启动空压机，对管路进行吹扫；再启动水泵将气液分离并进行导管充水，保持一个恒定的进液量；然后由小到大改变气体流量。待两相流量、压降都相对稳定后开始采集各种工况数据；同时观察、记录每个工况下的流型。待气量达到最大值后，再改变液量，并重复上述工作。最后根据四组实验数据分别绘制出相应倾角的流型图，比较不同倾角的流型图以及流型之间转换的不同条件，进而得出实验结果。

图1 空气-水两相流型测试流实验装置流程图

2 实验结果及分析

2.1 试验管段中所观测到的流型及其特征

在倾斜上升管线中，Barnea 将其中的流型划分为：弥散泡状流、气泡流、波状流、弹状流和环状流。曹夏昕[2]将倾斜上升管段流型划分为两大类和四小类：连续型（泡状流、环流）、间歇型（弹状流、准弹状流）。根据国内外文献，倾斜上升管线中的流型主要有：泡流、弹状流、准弹状流、环流和雾流。在实验过程中，所观测到的流型以及其特征（见图2）。

图2 所观测到的流型及其流动特征

泡流（Bubble Flow）：在气相相对液相流量较小的情况下会产生泡状流。基本特征是液相为连续相，大小不一的气泡分散在液相内。由于重力的作用，气泡较多的聚集在管段的上端面。气泡的大小、形状、频率、上升速度都随气液流速的变化而变化。由于液面湍动的影响，气泡会发生聚集和一分为二的现象。根据气液两相速度的相对大小，泡流又可细分为一般泡流和弥散气泡流（Dispersed Bubble Flow）。

弹状流（Slug flow）：这是在流型图上所占面积区域最大的流型。液相仍为连续相，气相为非连续相。由于气相流速的增大，小气泡不断聚集到一起形成气柱，气柱处于管段的上端，直径和管线内径接近或稍小。这种流型最明显的特征是在气柱的前端会有很多小气泡产生。产生的原因是在重力作用下，管线内的液体向下运动，而气泡由于浮力向上运动，这样气柱前端受到液体的冲击之后就形成了很多小气泡。

准弹状流（Churn flow）：这是弹状流和环流之间的过渡流型，也有的文献称之为波状流。在流型图上依然占据着较大面积。当气体流量进一步加大时，气柱的高速流动会冲垮气柱之间的液桥，使气柱之间联通以形成连续相。但与气体接触的液面的波动非常大，就像破浪一样随着气体翻滚前进，管线的某些部位上下波动的液面也会形成液桥将气柱隔开。由于气量还不足够大，下壁面的液体呈现出三种运动趋势：向下、静止不动和向上流动。

环状流（Annular Flow）：其特征是沿管壁周围有一层液膜，液面较为光滑，没有明显的波浪。管线中间是高速流动的气体，这里液相和气相都是连续的。由于重力和倾角的影响，下壁面的液膜厚度明显要大于上壁面。这时候气量足以携带着液体向上运动。由于气液流速的不同，在气相主体中会出现不同程度的液滴夹带或较大的液团，在液膜中也可能夹带有小气泡。

雾状流（Mist Flow）：随气体流率的继续增高，当气量足够大时，环状流可以转变为雾状流。现在气相变为连续相，液相全部以雾滴状分散在连续的气相中，气相以高速度带动液相流动，液相不会出现向下流动的趋势。

3 实验数据分析及实验结果

本次实验管线内径为40 mm，管长为10 m，根据气液流量，由式（1）可以计算出相应的气液折算速度。再将相应的气液折算速度绘于坐标轴上，从而得出相应的流型图。

式中：Jg、Jw分别为气、液折算速度，m/s；Qg、Qw分别为气、液体积流量，m3/s；A-管线横截面积，m2。

倾角为10°、30°、45°和60°的管段流型图（见图3、图4、图5 和图6）。

分析上述4 种倾角的流型图可知：

倾斜角度的变化对泡状流型没有明显的影响，只是随着角度增大时，由于重力和浮力作用，气泡的位置并不仅仅局限于管段上截面，而是逐渐出现在整个管道。由泡状流转变为弹状流过程中，小气泡不断聚集为大气泡，最终形成较大的柱状泡。由于管柱倾斜的关系，气柱都靠近管柱的上壁面，随着倾角的增大，弹状流和准弹状流流型都向流型图的右侧延伸，也就是说倾角越大，由弹状流向准弹状流、准弹状流向环流过渡所需的气量增大。无论倾斜角度多大，弹状流和准弹状流都占据着流型图中的绝大部分面积，为主要流型。当气量进一步增大后，准弹状流会转变为环流，从图中可以看出随着倾角的增大，准弹状流转变为环流所需的气量也相应增大了。

当管线的倾斜角度为10°，管线中为准弹状流时，有时会出现波状分层流的现象，液相与气相暂时都成为了连续相。根据Weisman 等的结论，当倾角θ＞sin-1（D/L），光滑分层流就消失了，其主要原因是液相重力沿管线方向的分力与液相流动方向相反，阻碍了分层流的产生。但是在大于这个角度的某个范围内可能还存在着波状分层流。这表明本实验与其结论是吻合的。

图3 当倾角为10°时的流型图

图4 当倾角为30°时的流型图

图5 当倾角为45°时的流型图

图6 当倾角为60°时的流型图

因此，可以得出如下结论：随着倾角的逐渐增大，由一种流型过渡为另一种流型所需的气量变大。因为不同倾斜角度下，重力梯度中的持液率和摩擦梯度中的摩擦系数不同。随着倾角增加，液相倒流的趋势加强，使得气相在管线中的流动阻力增大，只有通过增加气量，增加气相的惯性力，才能够克服逆流的液相阻力，实现流型之间的转换。

通过对实验数据的处理分析，可以得到管径为40 mm 在不同倾角下的流型转变条件：

（1）泡流和弹状流的转变界限为：

（2）准弹状流和环流的转变界限为：

式中，Vsg-气相折算流速；Vsl-液相折算流速；σ-气液表面张力；θ-管线倾角；ρg-空气密度；ρl-液体密度；D-管线直径；g-重力加速度。

不同流型下的流动阻力可能相差几倍甚至几十倍，同时流型也影响着流体流动时的压力损失、热交换系数以及截面含气率等等，因此不同的流型对管线中的流动情况有着极大地影响。通过对气-液两相流流型转换条件的研究，将能够可以通过改变气、液流量来控制各种条件下管线中的流态，这对于减小石油天然气的钻采和储运过程中热能损失、压力损失有着重要作用，对相应的工业设备设计及提高其运行效率、安全可靠性，能源的节约等，也起着至关重要的作用。