水平管內(nèi)油氣兩相流流型及流型轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)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(yīng)用。為了滿足工程實(shí)際的需要,世界各國積極開展對(duì)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(jì)劃。油氣混輸技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)混輸管線內(nèi)油氣流動(dòng)特性及其規(guī)律的了解,這是一個(gè)典型的兩相流動(dòng)問題。兩相流動(dòng)體系廣泛存在于化工、冶金、能源、環(huán)保、輕工和軍工等各個(gè)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(xué)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(dòng)的間歇性,引起管道中持液率和壓力的急劇波動(dòng),并使得運(yùn)行在該流型下的油氣混輸管道不得不承受間歇性應(yīng)力沖擊,離開管道末端的大液塞會(huì)引起下游油氣處理設(shè)備中的液位劇烈波動(dòng)。工程上對(duì)許多多相流系統(tǒng)事故進(jìn)行分析時(shí),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(shè)備的最優(yōu)設(shè)計(jì)和安全操作,對(duì)流型

3、特性,尤其是段塞流特性,進(jìn)行準(zhǔn)確分析以及流型轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)至關(guān)重要。本文對(duì)水平管內(nèi)油氣兩相流動(dòng)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(dòng)態(tài)特性理論的研究,對(duì)分層流向段塞流的轉(zhuǎn)變影響因素進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái),并用空氣和0＃柴油的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了流型圖。根據(jù)系統(tǒng)的

4、動(dòng)力學(xué)原理,采用壓力和差壓變送器、數(shù)據(jù)采集器獲得實(shí)驗(yàn)管段的壓力以壓差信號(hào)數(shù)據(jù),繪制出相應(yīng)的功率譜密度圖,并由此來推斷流型,與可視化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)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(dòng)理論模型對(duì)水平管內(nèi)油氣兩相流的分層流向段塞流的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。Taitel&Dukler半理論模型是根據(jù)Kelvin-Helmholtz波動(dòng)理論對(duì)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(gè)條件作為分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的理論判據(jù),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn)兩者吻合的較好。進(jìn)一步在一維波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上,根據(jù)該理論中提出的兩相流動(dòng)連續(xù)波和動(dòng)力波傳播速度的相互關(guān)系,把連續(xù)波追上動(dòng)力波作為分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的理論判據(jù),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式兩方面,深入探討了分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的機(jī)理。對(duì)油氣混輸水平管道內(nèi)兩相流的流型及流型變化進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,得