水平管內(nèi)油氣兩相流流型及流型轉(zhuǎn)換的實驗和理論研究.pdf

1、在石油工業(yè)中,油氣混輸技術(shù)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(shù)的研究,我國也已經(jīng)將混輸技術(shù)的研究納入國家863計劃。油氣混輸技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)在于對混輸管線內(nèi)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(lǐng)域,促使兩相流領(lǐng)域的研究工作迅速發(fā)展,成為國內(nèi)外給予極大關(guān)注的前沿學科。工程上的油氣混輸系統(tǒng),由于受流量、介質(zhì)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(tǒng)事故進行分析時,常常發(fā)現(xiàn)是由于流型的不明確造成誤算或誤操作的結(jié)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(zhuǎn)變預測至關(guān)重要。本文對水平管內(nèi)油氣兩相流動的流型及其轉(zhuǎn)變特性,特別是結(jié)合油氣混輸工程和多相流動態(tài)特性理論的研究,對分層流向段塞流的轉(zhuǎn)變影響因素進行了較系統(tǒng)的理論和實驗研究。
　　本文研究的主要內(nèi)容為:與課題組其他成員共同搭建了25.4mm的油氣兩相流實驗平臺,并用空氣和0＃柴油的實驗介質(zhì),通過不斷調(diào)節(jié)油氣流量,觀察到分層流、波形分層流、段塞流等流型,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制了流型圖。根據(jù)系統(tǒng)的

4、動力學原理,采用壓力和差壓變送器、數(shù)據(jù)采集器獲得實驗管段的壓力以壓差信號數(shù)據(jù),繪制出相應的功率譜密度圖,并由此來推斷流型,與可視化實驗的結(jié)果進行比較,獲得了比較一致的結(jié)果。利用經(jīng)典的Taitel&Dukler半理論模型和一維波動理論模型對水平管內(nèi)油氣兩相流的分層流向段塞流的轉(zhuǎn)變進行了理論預測。Taitel&Dukler半理論模型是根據(jù)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

5、件。并將這個條件作為分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的理論判據(jù),與實驗結(jié)果進行比較分析,發(fā)現(xiàn)兩者吻合的較好。進一步在一維波動理論的基礎(chǔ)上,根據(jù)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(guān)系,把連續(xù)波追上動力波作為分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的理論判據(jù),與實驗結(jié)果進行比較分析,兩者吻合的較好。在前人研究的基礎(chǔ)上,從理論公式和實驗經(jīng)驗公式兩方面,深入探討了分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的機理。對油氣混輸水平管道內(nèi)兩相流的流型及流型變化進行了深入的實驗研究和理論分析,得