机动管线气顶排空过程持液率特性的实验研究

姜俊泽，张伟明，雍歧卫，蒋 明

机动管线气顶排空过程持液率特性的实验研究

姜俊泽＊，张伟明，雍歧卫，蒋 明

（后勤工程学院军事供油工程系，重庆 401331）

根据钢质机动管线的结构特点，利用空气和水具有不同介电常数的性质，设计制作了双丝电容探针持液率检测装置，并用该装置对排空过程中管内的持液率进行了实测。实验发现，双丝电容探针对钢制机动管线的持液率变化敏感，可用于管线截面持液率的测量，并可通过持液率判断排空过程的主要流型。另外，管内的持液率与排气量和气压力密切相关，排气量越大，管内越容易形成段塞，且段塞内部的持液率较低，管内的平均含气率较高。相反，排气压力越大，管内出现段塞的频率和数量越少，且段塞内部的持液率较高，说明较大的排气压力可以提高管内的平均持液率，有利于接力泵的连续工作，提高排空速度。

机动管线；气顶排空；双丝探针；持液率；压力；流量

0 引 言

机动管线是用快装接头连接、地面铺设的一类管线系统，具有输油方向灵活、机动性强的特点，在清管、撤收或改输油品时需要将管内的油品排出，这一过程称为排空。气顶排空作为一种主要的排空方法，具有不受环境条件限制，不需要充足水源的优点。但由于受限于现役空压机的性能，一般需要使用接力的方法排空，也就是泵在前、空压机在后，形成前拉后推的作业模式。而在排空过程中，管内会形成气液两相流，当气液混合物经过离心泵时，会发生气蚀，对泵的叶轮产生冲击，使泵受到机械损伤，降低其工作效率。因此，若要保证排空不间断地进行，关键是要准确预测管内气液混合物的位置或是管内某一截面处的持液率，分析持液率的变化规律，同时持液率也是两相流系统的一个重要运行参数。很多学者都对不同工况下两相流的持液率进行了研究。吕宇玲等［1］利用环状探针和双平行探针对47mm管道内的气液两相流的持液率进行了检测研究，得到了持液率随气、液量和压力的变化特点。王海琴［2］等针对内径50mm的水平管段，采用双平行电导探针对段塞流持液率与压力波动的关系以及折算气速、折算液速变化对持液率的影响等问题进行了研究，研究发现，波动能更真实地反映段塞流动特性，可以用来确定液塞频率。罗小明等分析了持液率波动的概率密度与段塞流中各区域的对应关系［3］。张友波等［4］对油气混输管线中影响持液率的因素进行了定量分析。肖荣鸽等［5］采用双圆环界面模型来计算低液量水平管道中气液两相分层流的持液率，建立了气液分层流的计算机理模型，得到了较好的预测效果。西安交通大学的郭烈锦等［6］设计制作了电容探针用于有机玻璃管内气液两相流持液率测量的装置，该装置对于典型的气液两相流型的持液率变化较为敏感。虽然对气液两相管流持液率的检测取得了一定成果，但对于排空过程管流持液率的研究还未见报道。本文作者在前人研究方法的基础上，结合机动管线的结构和作业实际，设计制作了持液率检测装置，用于分析排空过程中气液两相流的持液率特性，指导管线的气顶排空作业。

1 持液率测量原理

1.1装置的设计

在两相流系统里，影响持液率的因素很多，除了流体物性以外，还包括管径、管线倾角、气液流速等因素。目前用于管内截面持液率测量的方法主要分为接触式测量和非接触式测量［7］。非接触式测量方法主要有射线法（γ、χ等射线）、光学法、热学法、核磁共振法和微波法等。非接触式测量的优点在于不破坏管线系统，不会对管内的流体造成扰动，但测量精度和分辨率不高，且成本较高。接触式测量的基本原理主要有电导法、电容法和快关阀法等，接触式测量具有检测精度高，实时性好的优点，更适合实验环境下使用，因此，本文选用双电容探针进行排空过程持液率的测量。

系统的测量原理和具体制作方法如下：采用不锈钢丝作为探针的两极，不锈钢丝具有较好的强度和良好的导电性，在不锈钢丝外均匀地喷涂聚四氟乙烯层，该环状聚四氟乙烯层即成为电容探针的固定电解质。当导电流体接触探针时，电极内的钢丝与聚四氟乙烯和导电液体共同组成了一个电容器，输出的电容值随与液体接触长度的变化而变化，将得到的电容信号转变成电压信号输入数据采集系统，便可得到管内截面上的持液率或含气率。由于聚四氟乙烯有稳定的电学性质，其电绝缘性和介电常数在很宽的范围内不受环境温度和激励频率的影响，且具有固体材料中最小的表面张力，不会粘附被测流体，所以对截面持液率的测量十分灵敏和精确。

当导电流体与探针在某处的接触长度为h时，该处形成的柱状电容值为C1：

式（1）和（2）中：ε为聚四氟乙烯的介电常数，D，d分别为电容探针外径的中心位置和不锈钢丝的直径。当导电流体与探针完全接触时的电容为：

2根探针在导电流体的连接下，形成1个串联的电容器，电容值为C2：

由式（2）、（3）得：

式（4）中，h为与置于管线内电容探针接触的导电流体的总长度。

式（1）中的ε，D，d都是确定的常数，由式（2）可知任何时刻从电容探针检测到的电容值只跟与流体接触的探针长度有关且成正比。管内截面的持液率用hL表示，含气率用α表示，那么截面持液率和含气率的关系可表示为：

（1）电容传感器

电容传感器即为前面所述的2根涂有聚四氟乙烯的探针，为了满足密封的要求，设计制作了探针支架和密封零件，其结构如图1所示，在管线上的安装如图2所示。

（2）电容电压转换电路

电容电压转换电路由2部分组成：一是电容电压转换部分，采用CAV424芯片将电容转化为标准1～5V电压信号；二是放大电路，采用AM401芯片将前面的输出信号放大，提高采集系统的分辨率，如图3所示。

1.2探针的标定

标定前，先测量管线内的单丝电容探针全部浸没在纯水中时输出的最大电压，然后测量无水状态下系统输出的电压值，设置量程的上下限，完成对测量系统的初始化。标定过程中，用量筒向管内注水，记录每次注入水的体积，通过式（6）计算出液层高度和注水体积之间的关系，测量每次输出的电压值。

图1 双丝电容探针结构图Fig.1 Structure schematic of capacitance probe

图2 探针在管线上的安装Fig.2 Probe installing on the pipe

图3 信号处理电路Fig.3 Signal processing circuit

式中：R为管线半径；h为探针测得的液位高度；L为管长；θ为半径与液体间形成扇形的顶角的一半。

装置的标定结果如图4所示。图中横坐标是管内无量纲液位高度，纵坐标是输出电压值。标定结果表明，系统的输出信号与相含率具有良好的线性关系和测量精度。另外，在进行实验之前，使用探针对排空过程管内的持液率变化情况进行了多次测量，结果基本一致，因此认为检测装置的工作是稳定的。

图4 持液率测量系统的线性标定Fig.4 Linear fitting of liquid holdup measurement

2 实验流程

在室外铺设1100m的DN100水平管线，管线沿线等距布置6个双丝电容探针和压力变送器，每组探针距离入口分别为126，246，366，488，780和906m，实验流程见图5。实验时，用泵将储液罐中的水充满管线，这时需关闭ZF3，打开ZF1、ZF2和ZF4，充水即将结束时，先缓慢关闭ZF1再停泵，以保证水充满管线；排空时将ZF1和ZF4关闭，打开ZF2和ZF3，打开空压机，将水排回到储液罐，检测沿线的持液率和压力变化。

图5 实验流程图Fig.5 Flow chart of experiment

3 各点持液率随时间的变化特征

图6描述的是空压机排气量为5m3／min，排气力为0.5MPa时的管线沿线持液率变化情况，图（a）～（f）分别对应1～6号测点。

由图5可见，排空开始后，管内沿线各点的持液率发生变化，先是平滑下降，而后出现剧烈波动，说明探针对管内截面的持液率变化敏感。另外，分析各图中持液率的变化情况，在57s时，第1个测点的持液率开始下降，而其他各点的持液率没有变化，到220s时该点持液率基本维持稳定，说明在排空过程中管线上游一直存在一个极薄的液层，这是分层流的主要特征［8］。随着排空的进行，2、3、4测点的持液率也开始下降并出现近似周期性的波动，但在前期没有形成液桥，说明在管线上游形成了准段塞流［9－10］。随后测点2的持液率又急剧增加到1，表明液体已经完全占据该截面，测点的持液率变化表现出明显的间歇性特征，说明管内形成段塞流［11－12］。3、4、5测点的这一规律表现也较为明显，而接近管线下游的6号测点则表现出剧烈的跳动和下降趋势，说明气液混合段的尾端即将离开测点，并且在排空段的末端出现环空的雾状流［13－14］，当形成雾状流时，气体为连续相，液体为分散相，当小液滴以随机方式碰撞探针时，会出现持液率的剧烈波动。根据各测点持液率的变化情况，排空过程气液两相流应该经历了分层流—准段塞—段塞流—雾状流的演变过程，这与文献［15］的模拟结果是一致的。

图6 排空过程各测点的持液率变化Fig.6 Liquid holdup variation during draining

4 排气量对管内持液率的影响

图7描述的是排气压力为0.7MPa，排气量分别为5，7和10m3／min工况下，管内各点持液率的变化情况。

图7 相同压力，不同气体流量下的持液率Fig.7 Liquid holdup influenced by gas flow rate

如图7（a）所示，不同气体流量下气体前锋到达第1个测点T1的时间分别为52，51和49s，说明排气量对气体流速的影响不大，但当排空进行到400s左右时，随着气体流量的增大，T1处的持液率分别逐渐减小。在80s以后，2、3、4、5测点已具有明显的段塞流特征，随着气体流量的增大，段塞的液塞和液层处的持液率均降低，管内的平均持液率也降低。而且由图7（b）可见，排气量越大，越容易形成段塞。根据K－H不稳定性准则［16］，这是由于增加气体流量时，气液两相局部表观速度差也随之增大，更容易满足段塞形成的条件。

5 排气压力对管内持液率的影响

图8描述的是在空压机排气量为5m3／min，排气压力分别为0.5，0.6和0.7MPa时管内各点持液率的变化情况。

如图8（a）所示，随着排气压力的增加，气体到达T1的时间不断缩短，说明排气压力对气体流速的影响较大。当排空进行到100s时，T2测点开始形成段塞，随着排气压力的增大，段塞内液层区的持液率升高，但段塞的频率和数量减少。这说明在较大的排气压力下，管内的持液率可以维持在较高水平，管内平均气体含量降低了，也就是管内更不易形成气液混合物，这有利于接力泵的连续工作，可有效提高排空速

图8 相同气体流量，不同压力下的持液率Fig.8 Liquid holdup influenced by gas pressure

6 结 论

根据钢质机动管线的结构特点，设计制作了双丝电容探针持液率检测装置，并使用该装置对气顶排空过程管内的持液率进行了实测。主要得到以下结论：

（1）该装置对钢质机动管线管内持液率的变化敏感，通过持液率的变化可以判断出排空过程管内的主要流型，有分层流、段塞流和雾状流。

（2）管内的持液率与排气压力和排气量密切相关。当排气量增大时，管内更容易形成段塞，且段塞内部的持液率较低，这是由于增大了气液表观速度差引起的；而当排气压力增大时，管内出现段塞流的频率和数量有所降低，且段塞内部的持液率较高，说明较大的排气压力可以提高管内的平均持液率，有利于接力泵的连续工作，提高排空速度。

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Experimental study on characteristics of the liquid holdup during mobile pipe draining

Jiang Junze＊，Zhang Weiming，Yong Qiwei，Jiang Ming
（Department of Oil Supply Engineering，Logistics Engineering University，Chongqing 401331，China）

According to the structure of the steel mobile pipeline，a suit of liquid holdup detecting device with two capacitance probes is designed and manufactured based on the different permittivity values between the water and the gas.The device was applied to measure the liquidholdup during mobile pipeline draining.Some results are found.First，the device is sensitive to the variation of liquid－holdup，so it can be used to measure the liquid－holdup during the draining online continuously，and the gas－liquid two phase flow pattern could also be judged by analyzing the liquid holdup variation.In addition，the liquid－holdup in the draining process is closely related to the gas pressure and flow rate.The higher the flow rate is，the more likely the slug flow occurs，the liquid－holdup is relatively low，and the gas percentage in the pipe is relatively high.On the contrary，the higher the pressure is，the lower the frequency and quantity of the slug flow occurrence are，and the liquid－holdup in the slug flow is relatively high.It shows that high pressure can increase the average liquid－holdup of the pipe，which is beneficial for keeping the pump working continuously and saving the time of draining.

mobile pipeline；draining pipe with compressed air；probe；liquid holdup；pressure；flow rate

TE832

：A

（编辑：张巧芸）

1672－9897（2016）04－0048－08

10.11729／syltlx20150152

2015－12－12；

2016－03－10

后勤工程学院青年基金资助项目（YQ13－421126）

＊通信作者E－mail：154950688＠qq.com

Jiang J Z，Zhang W M，Yong Q W，et al.Experimental study on characteristics of the liquid holdup during mobile pipe draining.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：48－55.姜俊泽，张伟明，雍歧卫，等.机动管线气顶排空过程持液率特性的实验研究.实验流体力学，2016，30（4）：48－55.

姜俊泽（1984－），男，吉林省梅河口市人，讲师，博士。研究方向：油气输送技术与装备研究。通信地址：重庆市沙坪坝区大学城后勤工程学院军事供油工程系（401331）。E－mail：154950688＠qq.com