大起伏角度下V形管道段塞流流型特性

2020-11-10王冬旭胡其会李玉星王鹏鹏

科学技术与工程 2020年28期

王冬旭，胡其会*，李玉星，王鹏鹏，李爽

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，青岛 266580； 2.胜利油田海洋采油厂海底管道管理中心，东营 257000)

在石油与天然气开采过程中，为了节省投资和运行费用，油气混输方案得到广泛应用[1-3]。油田中的混输管线由于受地形起伏的影响，均呈不同倾角铺设。通常在丘陵地带管道起伏较小，但在一些复杂地形区域，会出现大起伏的混输管路。特别是对于深水油田、沙漠油田以及中国川东北和长庆油田的复杂地形地区，集输半径大，导致气液两相在管道内流动状态复杂，给运行管理带来很多问题[4-5]。流型判断是实现管线气液流动参数准确预测的基础，然而以往研究大多集中于水平管道和倾斜管道，对于大倾角起伏管线内的气液流型研究相对较少[6-8]。

管道倾角对于气液两相流动有着十分重要的影响，在不同的倾角下两相流动特性也会表现出很大差异。为此，上述中外的专家学者针对倾斜管道下的两相流动开展了相关研究。Oddie等[9]利用煤油、水和氮气在长11 m，直径为15 cm的透明上倾管内进行了水气、油水和油水气多相流动的稳态和瞬态实验，并对不同流型下的持液率进行了比较和讨论。Perez[10]以空气和水为介质研究了倾角θ(-20°≤θ≤90°)对持液率的影响。黄强[11]研究了高含气起伏管路内的流型和压力变化规律，利用 Pipephase 软件计算了实验管路的沿线压降和流型分布，并与测量得到的实验管路沿线压力、流型进行对比。韩洪升等[12]在直径20 mm的上倾管内以空气、水为介质进行实验，对比5°、15°、25°倾角下流型出现的区域，得到管道倾斜角度对流型变化的影响。Bhagwat等[13]以空气和水为介质研究了倾角为0°、30°、60°、90°时上倾管内流型、持液率、压力变化。王权等[14]利用室内实验装置进行气液混输实验，对大倾角上倾管内气液两相流的流型、压力波动特性进行了研究。实验中观测到6种流型，得到了不同气液流量和倾角下压力波动的时域值、概率密度函数(probability density function，PDF)、累积分布函数(cumulative distribution function，CDF)和功率谱密度(power spectral density，PSD)特征。Zhou等[15]对长管-立管内的气水两相流动进行了实验研究。根据立管压降信号和功率谱密度，将流型分为典型的强段塞流、过渡型强段塞流、振荡流和稳定流。Yang等[16]在内径为150 mm的倾斜地形管线上进行了数值模拟。对管道内的相分布、弯头周围的流速和压力、不同截面处的含液率以及流量等流动参数进行了详细的数值分析。

Oddie等[9]、Perez[10]、韩洪升等[12]、Bhagwat等[13]和王权等[14]的实验研究都是以上倾管道为基础。Zhou等[15]的实验研究是以长管-立管为基础。黄强[11]和Yang等[16]虽以起伏管路为基础分别进行了相关实验和模拟研究，但都存在实验起伏管道倾角范围(实验倾角范围为-6°～6°)过小的问题。以上研究忽略了大起伏角度管路中下倾管道和上倾管道之间的相互影响。V形管道是大起伏地形中较为常见的管路结构，其下倾管道倾角的变化必然会对上倾管道产生影响。目前，针对大起伏角度V形管道内气液两相流流型研究未有显现。因此，本文拟通过实验研究，得出V形起伏管道气液两相流流型特性，并结合实验数据对现有流型判别准则进行验证和修正。

1 实验建立

本实验系统为中国石油大学(华东)室内小型气液两相环道，实验介质采用空气和水，实验装置示意图与现场图如图1所示。实验管道内径D=40 mm，总长45 m，其中下倾段长3.6 m，上倾段长2.4 m，采用透明有机玻璃材质，以便观察管内气液流型变化。上倾管与下倾管之间采用软管连接，以便进行角度调节。下倾角β变化范围为-30°～0°，上倾角α变化范围为45°～90°。管道布置有间距均为0.4 m的双平行电导探针(CP1～CP4)与压力传感器(P1～P5)。采用Iotech6220采集卡进行持液率与压力信号的采集，采样频率为50 Hz，采样时间为60 s。实验中的气体表观流速范围为0.15～11 m/s，液体表观流速范围为0.03～1.2 m/s。

图1 实验装置示意图与现场图Fig.1 Schematic diagram and actual figure of experimental equipment

2 实验结果

2.1 流型介绍

在本实验范围内共观察到7种流型，分别是：严重段塞流Ⅰ(SSⅠ)、严重段塞流Ⅱ(SSⅡ)、严重段塞流Ⅲ(SSⅢ)、段塞流、气团流、乳沫状流和环状流，各流型的典型特征如图2所示。

①严重段塞流Ⅰ(SSⅠ)：气液流量均较小时出现，段塞长度大于上倾管管长，出口压力和气液流量周期性波动；②严重段塞流Ⅱ(SSⅡ)：在SSⅠ的流量基础上增加气体流量，段塞头部还未到达上倾管出口时底部气体已进入上倾管，段塞长度小于上倾管长度，出口气体不出现断流；③严重段塞流Ⅲ(SS Ⅲ)：在SSⅠ的流量基础上继续增加液体流量，此时液体的携带作用增强，使气体以泰勒气泡的形式进入上倾段，出口液体不出现断流；④段塞流：由段塞区和液膜区组成的段塞单元沿上倾管流动，一般在气液流量相对较大时出现；⑤气团流：在气体流量较小的情况下持续增加液体流量，使气体以气团的形式随液相稳定地进入上倾段；⑥乳沫状流：段塞流至环状流的过渡流型，不断增大气体流量，气体对液体会产生强烈的搅拌，液体呈不规则的乳沫状向上流动；⑦环状流：在乳沫状流的基础上继续增加气体流量，使气体在管中心形成连续气芯，此时液体在气液界面摩擦力的作用下以液膜形式沿管壁向上运动。

图2 各流型特征示意图Fig.2 Characteristic sketches of different flow patterns

如图3所示为电导探针CP4采集的持液率信号与功率谱密度(PSD)对比图。从图3中可以看出，严重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ周期性较为明显，在PSD图中拥有明显的主频率；严重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ具有较大的PSD峰值，其由大到小排列依次为SSⅠ>SS Ⅱ>SS Ⅲ；段塞流主频分布在一定区域以内，这表明其持液率信号不是一个标准的周期函数，正如Woods等[17]所证明的那样，段塞的生成过程具有随机性；气团流、乳沫状流、环状流无周期规律，且环状流PSD幅值最小。

图3 不同流型持液率信号与功率谱密度对比Fig.3 The comparison of power spectral density and holdup signal of different flow patterns

2.2 流型分布

改变气液表观流速，调节下倾管角度分别为-30°、-15°，上倾角度分别为45°、75°，将实验观察的上倾管流型绘于图4。从图4中可以看出，当上倾管倾角一定时，V形管道下倾管倾角越大，越容易产生SSⅠ，环状流生成区域越小；当下倾管倾角一定时，V形管道上倾管倾角越大，越容易产生SSⅠ，环状流生成区域越小。这是因为当上倾管角度不变，下倾管倾角增大时，V形管道底部积液增多，段塞长度增加，降低了气液比，这样就降低了管道内的压力递增速度，从而增加了SSⅠ的可能性；底部积液增加，降低了气体进入上倾管中的速度，减小了环状流的生成区域。当下倾管倾角不变，上倾管倾角增大时，V形管道底部积液也会增多，从而增加了SS Ⅰ的可能性；上倾管倾角增大，液膜倒流趋势增强，容易形成液桥阻塞气体流动，因而需要更高的气速保持环状流动。这也说明地形起伏段塞流的产生与地形特性密切相关。

图4 不同管道倾角下流型Fig.4 Flow patterns of different pipe inclinations

2.3 流型数据与改进的Taitel-Dukler流型判别法对比

Barnea[18]以Taitel-Dukler流型判别法为基础，改进得到应用范围更广的流型判别准则。将实验数据与改进的Taitel-Dukler流型判别准则对比，得到不同管道倾角下实验结果与计算结果，如图5所示。分析可知：改进的Taitel-Dukler流型判别准则计算结果与实验数据基本吻合，实验观察气团流区域小于准则计算结果，准则计算环状流区域大于实验观测结果。

图5 不同管道倾角下实验结果与改进的Taitel-Dukler流型判别准则对比Fig.5 The comparison of experimental results and the improved Taitel-Dukler flow pattern criterion at different pipe inclinations

2.4 严重段塞流型研究

Bøe[19]根据严重段塞流的形成过程，假设上倾管中液体压头的增长速率大于管道中压缩气体压力的增加速率，建立了SSⅠ、SSⅡ判别准则。随后，Taitel[20]将液体回流因素考虑到严重段塞流的生成过程中，进一步完善了Bøe准则[式(1)]。Ye等[21]根据实验结果提出了Bøe修正准则[式(2)]，其修正系数C=2。现将Bøe准则与Bøe修正准则与不同管道倾角下实验结果对比，如图6所示。

(1)

(2)

式中：USL为液体流速，m/s；ρG0为标况下气体密度，kg/m3；R为气体常数，J/(kg·K)；T为热力学温度，K；USG0为标况下气体速度，m/s；ρL为液体密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；γ为管线平均含气率；l为下倾管长度，m；α为上倾管倾角，(°)；C为修正系数。

图6 不同管道倾角下实验结果与严重段塞流判别准则对比Fig.6 The comparison of experimental results and the criteria for severe slug flow at different pipe inclinations

由图6可以看出，对于SSⅠ、SSⅡ流型分布，修正Bøe准则判别效果要优于Bøe准则，这与Luo等[22]的研究结果相一致。大起伏角度V形管道前后倾角变化对严重段塞流范围影响较为明显，本实验拟合大起伏角度条件下Bøe准则的修正系数为3，大于Ye等[21]在立管中的研究结果。这是因为大起伏地形增大了气液流动阻力，严重段塞流喷发后液体回流增多，使底部积液增多，段塞长度增加，降低了气液比，降低了管道内的压力递增速度，SSⅠ转化SSⅡ需要更高的表观气速，从而增加了SSⅠ的生成区域。