水平管內油氣兩相流層狀流向段塞流轉變機理的研究.pdf

1、在石油工業(yè)中，油氣混輸技術已得到越來越廣泛的應用。為了滿足工程實際的需要，世界各國積極開展對混輸技術的研究，我國也已經將混輸技術的研究納入國家863計劃。油氣混輸技術研究的關鍵技術在于對混輸管線內油氣流動特性及其規(guī)律的了解，這是一個典型的兩相流動問題。兩相流動體系廣泛存在于化工、冶金、能源、環(huán)保、輕工和軍工等各個工業(yè)領域，促使兩相流領域的研究工作迅速發(fā)展，成為國內外給予極大關注的前沿學科。工程上的油氣混輸系統，由于受流量、介質物性、管道

2、形式以及傾斜角度等因素影響，使得管道截面含氣率變化，引起各種不同流型的生成。段塞流是油氣混輸管道中一種最常見的流型，由于流動的間歇性，引起管道中持液率和壓力的急劇波動，并使得運行在該流型下的油氣混輸管道不得不承受間歇性應力沖擊，離開管道末端的大液塞會引起下游油氣處理設備中的液位劇烈波動。工程上對許多多相流系統事故進行分析時，常常發(fā)現是由于流型的不明確造成誤算或誤操作的結果。因此，為了保證管線和下游油氣處理設備的最優(yōu)設計和安全操作，對流型

3、特性，尤其是段塞流特性，進行準確分析以及流型轉變預測至關重要。 本文對水平管內油氣兩相流動的流型及其轉變特性，特別是結合油氣混輸工程和多相流動態(tài)特性理論的研究，對層狀流向段塞流的轉變影響因素進行了較系統的理論和實驗研究。本文實驗是在油氣水多相流實驗平臺上進行的，管道選擇內徑分別為40mm、50mm的水平管道，實驗介質為空氣和0＃柴油。實驗中，不斷調節(jié)油氣流量，在有機玻璃管段觀察記錄流型特征，實驗中能夠觀察到分層流、波形層狀流、段

4、塞流、環(huán)狀流、塞狀流、泡狀流等流型。同時，采用差壓變送器、數據采集器獲得實驗管段的壓力以及各相的流量數據。分析實驗數據，繪制相應的流型圖。比較兩種管徑下的流型圖表明，不同內徑的水平管道內出現的流型分布特征基本相似，只是流型轉變的邊界出現位移。模擬結果和實驗研究表明，管徑對管內流型分布的影響主要表現在層狀流向段塞流轉變的邊界上。管徑越大，管內形成段塞流所要求的液相表觀速度顯著增大。也就是說，管徑越大，段塞流的形成越困難。 在對流型

5、轉變的研究中，首先建立了分層流動的數學模型，利用經典的Taitel&Dukler半理論模型和一維波動理論模型對層狀流向段塞流的轉變進行了理論預測。Taitel&Dukler半理論模型是根據Kelvin-Helmholtz波動理論對界面波開始生長的條件作了定性分析，給出了界面波生長需要滿足的條件。本文將這個條件作為層狀流向段塞流轉變的理論判據，并將理論預測結果跟實驗結果進行比較分析，發(fā)現兩者吻合的較好。同時，本文進一步在一維波動理論的基礎

6、上，根據該理論中提出的兩相流動連續(xù)波和動力波傳播速度的相互關系，即認為連續(xù)波追上動力波時，流動將是不穩(wěn)定的，此時即表明層狀流開始向段塞流轉變。因此，本文將這一條件作為層狀流向段塞流轉變的理論判據，與實驗結果進行比較分析，兩者吻合的較好。從理論公式和實驗經驗公式兩方面，深入探討了層狀流向段塞流轉變的機理。 本文還研究了傾斜角度、管徑大小和介質物性對流型分布和流型轉變的影響。研究這些因素對管內流型的影響，對工程實際有重要意義。本文利

7、用一維波動模型模擬了這些因素對管內流型分布和轉變因素的影響，并和實驗結果進行了比較。研究表明，管道傾角對管內流型分布及其轉變特征影響顯著，水平管道和傾斜管道內流型分布結構區(qū)別明顯。水平管道內，管徑大小和介質物性主要對管內流型的轉變邊界產生影響，并不能改變流型的整體分布結構。 在前人研究的基礎上，本文對油氣混輸水平管道內氣液兩相流的流型從層狀流到段塞流的轉變特性、影響因素進行了實驗研究和理論探討，得到了一些涉及工程設計和運行的結論