下倾管-垂直立管严重段塞流数值分析

沈鼎盛,袁 鹏,徐 骁,陈林烽,王庆丰

(1.招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226100;2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212000)

0 引言

通用型浮式生产储油卸油船(FPSO)的船用管网系统较为复杂,受船上设备布置等因素的影响,会导致连接立管的卧底管线不能保证完全的水平布置,从而在倾立管底部弯管处出现积液,诱导系统中出现严重段塞流现象。因此,为保证管系的正常运行,需要研究严重段塞流的形成机理,并提出消除严重段塞流的方法。

起初,严重段塞流这一名词尚未在学术界出现,YOCUM等[1]将其看成水力段塞流所导致的堵管。随后SCHMIDT等[2-4]通过研究倾斜管-垂直立管中的空气-煤油两相流实验,不仅发现了严重段塞流现象,还总结出了段塞流形成所需的必要条件,并定义了严重段塞流I型和严重段塞流II型。EHINMOWO等[5]对这些流动特性进行了数值和理论验证。为了更直观细致地探究严重段塞流的特性,现在的学者往往选取更小尺寸的模型进行分析。陈绍杰等[6]使用显微观测的方法研究煤层气与水产生的段塞流现象,得出气相相对渗透率随着含水饱和度的增大呈现强相关的负指数关系等结论。

除了实验研究以外,许多学者采用数值模拟等方法对严重段塞流进行预测和识别。纪健等[7]建立了管道泄漏几何模型,分析分层流、波浪流、段塞流3种流型下泄漏过程流场参数的变化。

本文基于CFD软件ANSYS FLUENT,对下倾管-垂直立管中的严重段塞流现象进行数值模拟,得到了3种典型严重段塞流在不同流动阶段的相分布云图,并监测了流体流动过程中的压力脉动变化情况,为进一步研究严重段塞流现象提供一定的理论基础。此外,为有效地消除严重段塞流现象,提出一种新的方式,并通过数值模拟的方法成功验证了该方法的有效性。

1 气液两相流数值模型

1.1 数值计算模型

本文选择CFD软件ANSYS FLUENT中VOF模型。VOF法作为一种固定在欧拉网格下的表面跟踪方法,追踪的是网格中的流体体积。

在三维管道数值计算模型中,下倾管的长度为10.0 m,立管高度为4.8 m,内径为40.0 mm,其中下倾管与X轴负半轴成6°的夹角;选择速度入口边界条件、压力出口边界条件和固壁边界条件,其中：气液两相入口流速为定值,初始压力为零。

1.2 网格无关性验证

在实际的模拟仿真中,由于受限于计算机的计算能力,需要选取合理的网格数量进行计算。图1为管道内流域的网格划分图。本文采用结构化网格中的六面体单元划分计算域网格,沿着流体流动方向(轴向)的网格采取均匀分布的形式。

本次模拟在立管底部设立监测点,记录不同网格数量下监测点的最大静压力值并计算了相对误差值,以此来确定网格数量,见表1。

图1 流体网格

表1 网格质量

根据表1可知,不同网格尺寸所划分出的网格单元数相差很大,但计算得到立管底部压力值却相差不大,因此相对误差很小,故选取网格数量较少的最大单元尺寸为1.999 mm的网格模型较为合适。

2 严重段塞流液塞形成机理

为了更加深入地研究严重段塞流对管网系统流动稳定性的影响,结合下倾管中的气液两相分布图、弯管中的液塞形成过程图和液塞运动速度矢量图来对严重段塞流液塞的形成机理进行详细分析。分析结果显示：SSⅠ型、SSⅡ型和SSⅢ型的液塞形成机理较为相似,故本节以SSⅠ型作为案例进行研究。本文选取气相速度Usg=0.056 m/s,液相速度Usl=0.134 m/s。

当下倾管中的液体到达立管底部后,贴着管路连接处的弯管向上流动,液体上跃一段高度后便会以指向X负半轴方向的速度向立管内壁抛出,随后便在重力的作用下下落并形成涡旋,并在下倾管的尾部开始积聚,液层高度由此不断上升。在液层高度上升期间,弯管处的气液两相扰动十分剧烈,随后被吹入立管中的液体会再次受重力的作用而下落。如此往复,直至下倾管尾部的液层触碰上管壁而导致堵管现象,液塞才算形成。

3 严重段塞流压力脉动变化分析

管网系统中出现的流动不稳定性现象往往是由压力波动所引起的,因此压力脉动信号是判断系统稳定与否的关键性参数之一。为此,在本次的数值模拟中,将在下倾管-垂直立管底部设置压力监测点P1、P2,根据监测得到SSⅠ型、SSⅡ型压力脉动变化图(见图2～图3),从图中可以较为直观地分析出流体流动的周期性、管内压力峰值和压力振幅大小的变化情况。

P1、P2—压力监测点。

P1、P2—压力监测点。

由图2和图3可知：SSⅡ型在液塞形成阶段的压力波动情况与SSⅠ型相比显得十分不稳定,表现为剧烈的波动式上升,且随着时间的推移,压力波动的振幅越来越大,直至压力到达峰值并立即发生泄落,表现为典型的锯齿状压力脉动特征。相较于SSⅠ型的典型工况,SSⅡ型的气体流速更大,所以上倾管中气塞压缩膨胀的速度较快。

SSⅢ型压力脉动变化图见图4。由图可知：SSⅢ型在流动周期内的压力波动特性与另外2种流型截然不同,呈现出阶梯式泄落的压力脉动特征,即压力在下降到极小值前会提前发生多次泄落,并在每次压力泄落后继续维持一段时间作轻微振荡,振荡幅值会随着时间的推移越来越明显。

P1、P2—压力监测点。

4 抑制严重段塞流的方法

严重段塞流具有压力振幅大、压降大且周期性明显的特点,如：最为严重的SSⅠ型,其最大压力波动幅值约为20 kPa,巨大的压力波动会使得管道出口处气液流量发生剧烈变化,从而导致分离器出现断流或者溢流现象。因此,为了抑制严重段塞流,本节对节流法和注气法进行对比分析其利弊。

4.1 立管顶部节流法

当严重段塞流进入气液喷发阶段时,气液流量会达到最大值。节流法的原理就是通过在立管顶部增加节流阀,并适当地减小阀门开度,从而使得阀前压力增加,最终达到减缓气液喷发速度的目的。立管顶部节流法示意图见图5。

Pp—下倾管压力;L—下倾管长度;β—下倾管内角度;y—立管液位高度;H —立管高度;α′—入口处气相液相折算流速;α′—注气点气相液相进入立管的折算流速;Ps—分离器背压;PB—分离器前压;P0—分离器气体背压。

立管顶部节流法通过调节节流阀门而产生一定的背压,进而减小流体喷发的加速度,使得管内流速不均匀的现象得到有效地控制。虽然节流法能在一定程度上抑制严重段塞流,但也存在一定的弊端,例如过剩的背压必然会增加上游入口处的回压,从而减小气液流量,对管网系统产生一定的负面影响。

4.2 立管底部注气法

立管底部注气法示意图见图6。要想达到预期的效果,下游立管的注气量至少应为入口气相流量的3倍,这便意味着需要装配一个较大气体容积罐,并配备较高功率的压缩机才能将气体注入立管中,故该方法所需的成本较高,带来的经济性问题将不容小觑。

4.3 “自身”气举法

“自身”气举法示意图见图7。“自身”气举法将管系自身的上游气体通过一根细长的管道导入到下游的垂直立管中。这样做既省去了额外装配气罐和压缩机所带来的高额费用,又达到了减小垂直立管中静水压头的目的,同时也解决了下倾管中常出现的气体压力过大的问题。但导管的插入可能会使得清管球无法正常通过,进而引发堵塞,所以“自身”气举法只是作为一种理论在学术界讨论,并未投产到实际的运用当中。

Pp—下倾管压力;L—下倾管长度;β—下倾管内角度;x—压缩机注气长度;φGL—立管内局部持液率;α—入口处气相液相折算流速;Ps—背压;P0—气体背压。

Pp—下倾管压力;L—下倾管长度;β—下倾管内角度;x—压缩机注气长度;φGL—立管内局部持液率;α—入口处气相液相折算流速;Ps—背压;P0—气体背压。

5 “下倾管”注气法数值模拟

鉴于节流法和注气法均存在某种程度上的弊端,本文提出一种新的注气方法——“下倾管”注气法。该方法从下倾管的某一处开始注气,增加上游气塞的压力,使得立管中的液塞在较低高度的位置时便开始气液喷发,形成一种较为稳定的流型,从而控制管系中剧烈的压力波动及出口处流量变化过大的现象,其中注气口选取在距离立管底部5 m处的下倾管上,图8为注气管与下倾管连接处的局部放大图。通过对“下倾管”注气法所优化过的流型进行数值模拟,得到了管内流体的流动形态及压力脉动变化图,并由此判断该方法的有效性。

数值模拟选取的气液工况为：Usg=0.053 m/s,Usl=0.402 m/s,且下倾管上的注气量=3 m3/h。可以看出该工况相当于在SSⅢ型的基础上继续增加气体流量,即为气液两相流速均比较大的情况。受注气口位置设置的影响,注气口上游的流体始终表现为稳定的分层流,而注气口下游的流体形态则因为气相流量的增大而出现较大的扰动。一个周期内气液两相分布情况见图9。从图中可以看出,经过注气过后的流体流动非常复杂,气液两相彼此参杂程度较高,因而不同于SSⅠ型、SSⅡ型和SSⅢ型,无法在立管中形成高度较高且稳定的液塞。

图8 注气管与下倾管连接处的局部放大图

图9 一个周期内稳定流型的气液相分布图

为了进一步探究“下倾管”注气法的可行性,结合气液两相流动时所产生压力波动来分析管网系统的稳定性。压力脉动变化图见图10。从图中可以看出：在整个压力变化过程中,由于气液两相流动非常复杂,产生的扰动也较大,这使得立管底部无法形成较为完整的液塞,因此压力在波动上升后围绕某一压力值高度作高频波动,且压力振荡幅值较小,仅约3.7 kPa,峰值压力约为27 kPa,称这种高频低振的流型为稳定流型;而严重段塞流能产生具有较大振幅的周期性压力振荡。显然,稳定流型所造成的危害远小于严重段塞流。

6 结论

(1)当气液流速较小时,严重段塞流的液塞形成机理大致相似;而立管底部的气液扰动则较为剧烈,当下倾管尾部的液层高度到达管道上壁时,液塞才算开始形成。

P1、P2—压力监测点。

(2)根据测得的压力脉动变化图,3种严重段塞流的压力脉动变化都具有较为明显的周期性,其中：SSⅠ型具有典型的冠状压力脉动特征,压力峰值约为40 kPa,最大压力振荡幅值约20 kPa;SSⅡ型具有典型的锯齿状压力脉动特征,压力峰值约为25 kPa,最大压力振荡幅值约为10 kPa;SSⅢ型呈现出阶梯式泄落的压力脉动特征,压力峰值约为40 kPa,最大压力振荡幅值约为5 kPa。因此,SSⅠ型引起的管路振动最为明显。

(3)本文提出了一种“下倾管”注气法并进行数值模拟,即在下倾管某处进行注气,从而增大上游气塞压力,进而干扰液塞的形成。根据数值模拟的结果,该方法成功模拟出频率较高、振幅较低的稳定流型,最大压力振荡幅值约4 kPa。