多相流工艺计算

多相混输工艺技术MultiphaseFlowInPipelines中国石油大学储建学院储运工程系李玉星2007年11月19日内容基本概念多相流的研究简况和难度多相混输管路的特点及处理方法热物性及温降计算流型判断水力计算模型段塞流计算段塞流捕集器多相流计量技术1、基本概念持液率滑脱滑动比表观速度与真实速度相间摩阻流动密度真实密度SgSiSlτττgwgilw2、气液两相流的研究简况二十世纪三十年代，美若干研究生的论文中开始出现“two-phase”这一术语43年俄国人Kosterin在发表的论文“水平管内两相介质流动结构研究中”，首次采用“two-phase”术语。66年有人统计，共收集到8000余篇有关两相流的论文，48-66年期间，有关气液两相流的文章以成倍的速度增加油气两相混输的研究起步较晚，约在50年代初期。美国的Martineli和俄国的Armand是两位最早对气液两相流进行系统研究的学者。70年代北海石油的开采对油气混输技术起极大的推动作用3、研究深度划分早期的研究中，大部分把气液两相的流速认为相等，即采用均相流模型、混合物密度按气液比例求得，并按单相流体求压降梯度。如锅炉分相流模型：Martineli，Duckler流型模型：Beggs-Brill,Eaton,Olimens,Xiao-Brill难度气液两相管路中所遇到的变量多，在某些流动型态下流动很不稳定，且难以识别。参数很难测准常遇到的某些变量有：（1）气液流量（2）含气率（3）气液密度（4）管路倾角（5）流型（6）气液相粘度(7)表面张力等。若上述变量每相均取5个数据，则需取59=200万次实验。4、混输管路的特点流型变化多存在相间能量交换和能量损失存在传质现象。流动不稳定。气液两相管路的处理方法均相流模型：均相流模型是把气液混合物看成为一种介质，因此可以把气液两相管路当成单相管路来处理。分相流模型：分相流模型把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动:Martineli，Duckler流型模型：首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式:Beggs-Brill,Eaton,Olimens,Xiao-Brill5、热物性计算黑油模型黑油模型凝析气模型凝析油模型计算简单、编程方便、运算速度快等组分模型：利用组分模型能够准确地模拟管道沿线随着温度和压力的变化气液相间的质量传递、凝析和反凝析、管段内气液相的组成以及管道内是否形成水合物等复杂问题。黑油模型(BlackoilModel)需已知在工程标准状态下的气、液相对密度、气油比、粘温关系和管路压力温度条件，计算以经验公式和图表为主。溶解气油比（SolutionGas/oilRatio）油体积系数（oilformationvolumefactor）粘度：油粘度、气粘度、油水混合粘度溶气油的表面张力比热油水混合粘度:未形成油水乳状液:可以采用体积平均和API14B12方法乳状液:爱因斯坦（Einstein）公式凡德(Vand)公式理查森(Richardson)公式爱因斯坦公式适用于体积含水率值不大于0.2；其他公式用于体积含水率小于0.405.21o322.1631.75.21okoexp组分模型根据混合物的组成计算压力温度变化时气液相的密度、粘度、表面张力、压缩因子等参数。前提条件：已知组成混合物的烃类和非烃类组分的摩尔百分数，除此之外不需要其他参数。一旦组成确定，流体性质确定100150200250300350020004000600080001000012000临界冷凝温度露点线反凝析区临界冷凝压力两相区泡点线临界点BAP(kPa)T(K)状态方程(EOS)利用状态方程作为模型利用液相逸度系数作为模型SRK方程PR方程BWRS方程与热力学关系式结合，计算物性（焓、气液相密度、熵、比热等）温度计算及焓平衡方程温降计算：焓平衡方程计算ddddddddHxvvxgZxQx基础：能量守恒定律00()()exp()()[1exp()]ZRwgpgRZipTTbTTbaLxcPPDaLcaL流型—流型测定方法简介目测方法根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种关系，依此确定流型，Hewitt建议，按管路压力波动量和x射线被管路流体吸收的波动来确定流型。此外，还可在管内放入探针，用探针与管壁间导电率的波动量来确定流型。根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度和流型，包括：x射线照相和多束γ射线密度计。水平管中的流型埃尔乌斯流型划分法较好地说明了气液两相流动的流型变化特点。埃尔乌斯把两相管路的流型分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、不完全环状流、环状流和弥散流等八种不同学者具有不划分方法和依据经验流型图1954年，Baker最早提出一幅水平两相流型图1962年Govier和Omer提出了一幅流型图1974年，Mandhane又提出了一幅流型图布里尔流型图它们大都根据小管径、低压条件下的实验数据绘制。当应用于大口径、较高压力系统时存在着偏差；不便于上机纵横坐标不一致不便于比较。半理论方法得到的流型图76年Taitel和Dukler模型对低中粘度液体较适用，但对高粘度液体的偏差较大对间歇流和分散气泡流的判别准则中，没有考虑表面张力的影响。把作为间歇流环雾流的分界线，偏高，与实验结果不符。Barnea流型划分法各种流型模型水力计算方法提出的流型准化准则时5.0dhl倾斜管中的流型分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感管路向下倾斜时很容易产生分层流，上倾时则易产生间歇流。常利用下倾管气液易于分离的特点作两相流管道的终点设备。如：分离器、管式液塞捕集器等。管路倾角对分散气泡流/间歇流和间歇流/环雾流过渡的影响不大。水力计算模型分相流模型Lockhart-Martinelli压降计算法：该法适用于管径较小、气油比不高的油气混输管路DuklerII压降计算法：只适用于水平两相流管路，也没有考虑加速压降损失项。流型模型Beggs&Brill压降计算法：对持液率的计算结果偏大；在流型分界处持液率和水力摩阻系数的数值都不连续；只预测水平管线的流型，没有考虑管道倾斜对流型的影响，其使用范围还有一定的限制。Eaton压降计算法Mukherjee&Brill压降计算法Oliemans压降计算法Xiao-Brill模型组合模型模型及代码流型划分相关式持液率相关式摩阻压降高程压降加速压降Dukler-Eaton-Flanigan(DEF)无EatonDuklerFlaniganEatonDuklerFlanigan(DF)无DuklerDuklerFlanign无Eaton-Flanigan(EF)无EatonEatonFlaniganEatonLockhart&Martinelli(LM)无LMLMDukler(DUKLER)无DUKLERDUKLEREaton(EATON)EATONEATIONEATONBeggs&Brill(BB)BBBBBBBBBBBeggs&Brill-Moody(BBM)BBBBBBwithmoodyFrictionBBBBBeggs&Brill-NoSlip(BBNS)BBNO-SlipHoldupBBwithmoodyFrictionBB(No-slip)BBMukherjee&Brill-Eaton(MUBE)MBEaton*MBMBMBBeggs&Brill-MoodyDukler(BBMD)BBDukler*BBwithmoodyFrictionBBBBBeggs&Brill-MoodyEaton(BBME)BBEaton*BBwithmoodyFrictionBBBBOlimens(OLIM)无EatonOliemansOliemansOliemansBBmoody-Hage-dorn&Brow(BBMHB)Hagedorn&BrownBBBBwithmoodyfrictionBBBBMukherjee&Brill(MB)MBMBMBMBMB段塞流抑制技术段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，在许多操作条件下（正常操作、启动、输量变化）混输管道中常出现段塞流。其特点是气体和液体交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，气团下方沿管底部流动的是分层液膜。管道内多相流体呈段塞流时，管道压力、管道出口气液瞬时流量有很大波动，并伴随有强烈的振动，对管道及与管道相连的设备有很大的破坏，使管道下游的工艺装置很难正常工作。段塞流形成机理段塞流分类水动力段塞流(hydrodynamicslugging)管道内气液折算速度正好处于流型图段塞流的范围内所诱发的段塞流，水动力段塞流又可细分为：普通稳态水力段塞流和由于气液流量变化诱发的瞬态段塞流，发生这种段塞流时一般气液流量较大;地形起伏诱发段塞流地形起伏诱发段塞流由于液相在管道低洼处积聚堵塞气体通道而诱发的段塞流，常在低气液流量下发生强烈段塞流(severeslugging)段塞流形成机理强烈段塞流(severeslugging)通常在两海洋平台间的连接管道上发生。定义为：液塞长度大于立管高度的段塞流。这是一种压力波动最大、管道出口气液瞬时流量变化最大的段塞流，对管道和管道下游相应设备正常工作危害最大的一种段塞流。和地形起伏诱发段塞流相似，常在低气液流量下发生。段塞流形成机理水动力段塞流段塞流形成机理地形起伏诱发段塞流段塞流形成机理强烈段塞流段塞流的抑制方法水动力和地形诱发段塞流的抑制在多相流管道设计中，可选择合适的管径使管道处于非段塞流工况下工作。若必须在段塞流下工作，由于水动力、地形起伏、以及陆上集油管线进入油气分离器时配有立管（高度较小）引发的段塞流，其段塞长度和冲击强度远小于海洋油气田，常在分离器入口处安装消能器，吸收油气混合物的冲击能量即可。段塞流的抑制方法强烈段塞流的抑制法减小出油管直径，增加气液流速；立管底部注气，减小立管内气液混合物柱的静压，使气体带液能力增强采用海底气液分离器如海下液塞捕集器在海底或平台利用多相泵增压；立管顶部节流－最经济、实用的抑制方法立管顶部节流原理为使系统稳定运行，必须在立管底部出现新液塞并在立管内增长至顶部前，将液塞排出立管，使气液混合物在系统中连续流动，即把混合物速度Umix（定义为气液折算速度之和）作为控制参数。若Umix减小表示发生阻塞，为举升刚形成的液塞，出油管道的压力应高于立管下游分离器或捕集器正常平均操作压力。立管顶部节流可增大管道和捕集器之间的差压，利于在立管内刚形成的小液塞流向捕集器。控制强烈段塞流的实例带小分离器的控制方法A．它必须作用于密度不同的两相流体；B．不能直接测量立管顶部两相流混合物的速度Umix（两相流流量测量很困难，需要复杂的传感器）。段塞流计算气泡液膜液塞气泡长度液塞长度液塞单元长度段塞流特征参数计算模型液塞区特性参数：包括液塞含液率，平均液塞长度，最大液塞长度，液塞速度以及平移速度；液膜区特性参数：包括液膜含液率，液膜速度，气泡速度和平均气泡长度。vvfvs模型II段塞流特征参数计算模型Brill模型(1981年)Dukler模型(1975年)Xiao模型(1990年)液塞含液率:HvLsm11866139/..平均液塞长度:ln..ln.LDs25414428494801最大液塞长度:sLsLln54.1expmax段塞流捕集器——功能有效分离和捕集液体，确保下游设备正常工作；在最大液塞到达时，可作为带压液体的临时储存器，能连续向下游供气。降低冲击能量因此在设计时，既要考虑气液分离，又要考虑对段塞的捕集。段塞流捕集器——捕集器结构容器式：一般用于海洋平台上，结构与陆上油气分离