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湿气管道积液模型研究现状
发布时间:2015-10-08 18:10 作者: 阅读次数: 文章出自:

                                                             湿气管道积液模型研究现状

                                                                                 粟紫葳,武琳,王珊,雷雨,赵振

                                                                               (西安石油大学  陕西 西安 710065

 

摘要:天然气凝析液输管道输送过程中会产生少量积液,但对管道压降却影响巨大,本文介绍了目前的低液量管道的界面模型并根据现有实验这些模型的应用情况进行了总结。

关键字:天然气;低含液量;界面模型

     

     近年来,随着页岩气等新的天然气资源的可采量日渐丰富,世界正在经历一场天然气革命。国际能源署(IEA)甚至称之为“天然气黄金时代”的来临,展示了天然气可以产生的巨大经济和环境潜力。然而,在天然气输送过程中会因为同管壁和周围环境的热交换,管道内部流体的温度逐渐降低,在一定的条件下会有凝析液析出;并且随着开采的不断进行,在气田中可能也会导致在管线中产生积液。而积液的存在不但会导致管道输送效率的降低,还对管道产生腐蚀的影响,严重则会造成安全事故。可见,开展湿气管道输送的工艺计算是一项重要的研究课题。【1】。

 

1.国内外实验模拟研究现状

     湿天然气长距离混输技术在实际生产中已经受到越来越多的重视,但我国仍处于起步阶段。目前,在近水平湿气管道的实验研究还比较少。

宋承毅(1993)【3】采用给直径为77.93mm水平管道通球,计量其排除液的体积来测量提取持液率数据,实验使用了三种不同的两相混合物。提出了两个新的计算水平管持液率关系式,把实验数据与若干预测方法的预估值进行比较,并对模型进行评价。

Meng(1999)【4】在管径为50.1mm的实验环道上进行了近水平湿气管道的流动研究,实验介质为空气和油。研究结果表明,在低含液率管道中,存在从光滑分层流向间歇流的转换区域,当气速较低时在气体核心发生卷吸同时产生液滴沉积,气体速度在较大的变化区间不会增加液体卷吸分数,但液体的流速增加会导致其增大。在环状流型区域中当确定表观气速的情况下,当液体流速增大时液膜速度和持液率会减少,卷吸分数增大。

Fan(2007)【2】在管径分别为51mm和150mm的两套实验设备中以空气和水为介质进行了流动研究。对于湿壁分数、液壁摩擦系数、相间摩擦系数给出了新的闭合关系式。对比实验数据发现吻合良好,只有在表观气速为7.5m/s时150mm管道预测低于实验值。并且将Espedal(1998)和SINTEF数据同实验数据进行了比对。

Dong&Zhang等人(2009)【5】在管径为152.4mm的水平管内进行了油-气-水三相低含液率在不同气体流速、积液程度和含水率下的流动特性研究,观察了气-液流型、油-水分布。是首例在大直径管道内的三相研究,发现了可能只有在大管径中才会产生的带有水流通道的新的油水流型,随着含水率的增大压降和持液率都先减小再增大,随表观气速的增大湿壁分数先减小再增大。并对Fan、Zhang、Zhang&Sarica和OLGA 5模型同实验数据进行比对评价。

 

2.国内外理论模型研究现状

在气液两相分层流的研究计算中,摩擦阻力压降等水力特性的准确预测对于气液混输管路的设计、动力消耗以及安全运行有着至关重要的影响。分层流水力特性受气液物性、界面形状、气液相流速等众多因素的影响。在推导整理经验相关式时,界面气液分布形状是关键因素,由于气液两相流动的复杂性在于两相之间存在着快速变形的气液相界面,在空间分布上表现出很强的随机性和复杂性。【6】目前针对湿气管线两相流界面的理论模型还较少,根据气液界面假设,现有的理论模型有三种:Taitel&Dukler(1976)FLAT模型、Hart等人(1989)ARS模型、Chen等人(1997)MARS模型。

 

2.1 FLAT 模型【7】

分层流平面界面模型(如图1),是将气液界面看做是一个水平面,Zhang(2011)【8】首次将液膜重心高度引入界面分析中,平界面模型重心高度可表示为:,截面含液率与中心角以及湿壁分数Θ之间的关系为:。气相面积,液相面积,气相湿周,液相湿周,界面长度

2.2 ARS ( Apparent Rough Surface)模型【9】

   弧形表面粗糙界面模型(如图2),是将液膜厚度看为均匀一致的,中心角α与2π的比值?的计算关系式有 其中 ,。各项代入后Hart给出了计算中心角α的经验关系式:,应用该公式及其余各几何关系式则可得出计算压降所需参数。

2.3 MARS (Modified ApparentRough Surface)模型【6】

模型称作双圆环界面模型(如图3),是将气-液相界面作为一个虚拟圆的圆弧,当虚拟圆的直径远远大于管道直径时则为FLAT模型,虚拟圆的半径由湿壁分数以及液膜持液率决定。双圆模型的液膜重心可表示为:的几何关系为:。虚拟圆直径和管道直径的关系为,气相湿周,液相湿周,界面周长

 

        Flat模型              ARS模型               MARS模型

3.模型评价

   张卫敏等【10】对FLAT模型和MARS模型进行了建模分析,应用两种模型对持液率进行计算并利用实验数据进行对比评价,选择工况为:

 

液相表观速度

m/s

0.0015

0.003

0.0045

0.01

气相表观速度

m/s

5~25

5~20

                    表1  气液表观速度

对比结果分析在实验气液表流速度范围内,MARS模型都要优与FLAT模型,推荐湿气管道界面含液率计算中选择MARS模型。

宋立群【11】等建立了预测持液率和管输压降水力计算模型,采用了MARS模型进行计算,在大型多相实验环道上进行了低持液率三相混输管道流动实验,结果表明MARS模型预测值与实验数据吻合良好,可以较准确的预测管道压降等流动参数。

田强【12】等采用了上述介绍的三种界面模型对水平管段塞流压降梯度进行预测计算,以空气和水为介质在内径为80mm的环道内进行实验研究。实验重点研究大管径高气相折速的情况,所选工况为:

液相折算速度m/s

0.16

0.22

气相折算速度m/s

13.85~33.35

                     表2  气液体折算速度

发现在气液相流速较低时,三种模型预测值都较实际值偏低,当气相折算速度在20~25m/s时,ARS和MARS模型越来越接近实际值,高于25m/s时,则偏高于实际值;而FLAT模型则均低于实际值。在气相速度较高,考虑液膜影响时,推荐MARS模型对段塞流进行参数计算。

肖荣鸽等【13】【14】以气相为空气,液相为水或HVIW150基础油为介质,在不锈钢管管径为80mm,全长为350m中国石油大学(华东)大型多相流试验环道上进行实验,分别采用ARS和MARS界面模型进行水力摩阻压降预测计算。所选取工况为:

 

气相速度m/s

液相速度m/s

ARS模型

10~25

0.02~0.08

 MARS模型

6~27

空气-水

空气-基础油

0.06

0.042

                        表3  气液速度

结果表明ARS模型在空气-水实验中预测较高,在空气-基础油实验中预测较低,但都与实测值符合较好,在低液量高气量时,预测值与实测值极为接近。在实验中当气相速度低于15m/s时,MARS模型能更接近实测值,误差不超过13.2%;当高于15m/s时,ARS模型则能更好的进行预测,误差普遍介于0~15.94%之间。

曹文学等【15】同样在内径为80mm全长为350m的不锈钢管内,以空气和水为介质,研究了高气液比分层流特性。采用上述三种界面模型对水平管气液两相分层流压力梯度和截面含气率进行计算,并与实验数据进行比对。实验所选工况为:

液相折算速度m/s

0.001~0.046

气相折算速度m/s

15

                         表4  气液折算速度

结果显示,在对压力梯度进行预测时,三种模型预测结果均偏高,在实验范围内,FLAT模型最大误差达到53.37%,ARS和MARS模型误差在30%之内。在持液率的预测中,ARS和MARS模型预测值与实验值非常接近,且在液相速度偏低时误差最小,FLAT的预测值误差较大,最大为1.147%,ARS模型最大误差为1.150%,MARS为0.982%。高气相流速推荐ARS和MARS。

邓道明等【16】发现目前针对长距离、大管径、高压、高低起伏条件的天然气-凝析管道流动研究较少,作者曾采用曲面界面模型对长度为380km的富气输送管道进行压降预测,与生产数据相符,但对于积液量的预测与OLGA等其他软件模拟结果相差巨大,并且在程序调试过程中发现曲面模型的不妥之处。选取某天然气公司运营的天然气多相流管道——NN管道,长100km,沿流动方向,管道先下坡再整体呈缓慢上升趋势,基于该管道的10组现场生产数据,发现采用水平界面模拟要比曲面界面更接近于真实生产数据。

 

4.结论

   综上,现有的三种界面模型通过文献论述可得在近水平管道内低液量高气速情况下,持液率与压降预测选取MARS模型,其中当气相速度高于15m/s时预测压降选取ARS模型更接近实测值;在起伏管道低液量高压大管径流动中,则选取FLAT模型更准确预测压降等流动参数。

我国目前对低含液量气液两相流模型研究还需要提高,基本上都以国外模型为基础进行研究,没有自己的一套理论模型。相关实验无论是国内外资料都较少,并且大部分都是在水平或近水平的小管径管道(小于77.9mm)内进行的,所以起伏管道、大管径的实验研究还待开展,以便更好地指导实际应用。

 

 

参考文献

[1] 梁法春,曹学文,魏江东,陈婧.积液量预测方法在海底天然气管道中的应用[J],天然气工业,2009,29(1):103-104.

[2]  Fan,Y.Q.,WangQ.,ZhangH.Q.Thomas J.,ConocoPhilips.Com Sarica.A model To Predict Liquid Holdup and Pressure Gradient of Near-Horizontal Wet-Gas Pipelines[D].The university of TULSA2007.

[3] 宋承毅.湿气管线中的持液率[J].国外油田工程,1993,5:18~19.

[4] MengW.2001. Low-liquid Loading Gas Liquid Two-phase Flow in Near Horizontal PipesPhD DissertationU. of  TulsaTulsaOK

[5] Hongkun DongH-Q ZhangC Sarica. An Experimental Study of Low Liquid Loading Gas-Oil- Water Flow in Horizontal Pipes[D]. The university of TULSA2009.

[6] Chen XTCai X D,Brill J P:Gas liquid Stratified wavy Flow in Horizontal Pipelines.Journal of Energy Resources Technology,1997,119( 4) .

[7] Taitel Y,Dukler,A E. A Model for Predicting Flow Regine Transitions in Horizontal and Near Horizontal Gas-Liquid Flow[J]. AICHEJ,1976,22(1): 47-55.

[8] Hong-Quan Zhang,Com Sarica.A Model for Wetted-Wall Fraction and Gravity Center of Liquid Film in Gas/Liquid Pipe Flow[D].University of Tulsa,2011.

[9] Hart J,Hamersma P J,Fortuin J M H. Correlations Predicting Frictional Pressure Drop and Liquid Holdup During Horizontal Gas Liquid Pipe Flow With a Small Liquid Holdup[J]. Int,Journal of Multiphase Flow,1989,15(6).

[10] 张卫敏,周中强,张春. 湿气管道内气-油-水三相界面模型研究[J].化学工程与装备,20131:24-26.

[11] 宋立群,李玉星,周中强. 低持液率湿天然气集输管道的水力计算模型[J].油气储运,2011,304:283-287.

[12] 田强,赵翠华,李金霞,张海潮. 液膜区气液界面形状对水平管段塞流压降计算的影响[J].油气田地面工程,2010,298:1-2.

[13] 肖荣鸽,郭雄昂,张雷,刘长兰,陈栋刚.低液量水平管气液分层流摩阻压降的计算[J].2006,25(10):38-41.

[14] 肖荣鸽,王立洋,邓治安,郭雄昂,张蕾.凝析天然气管道分层流动相间水力摩阻系数计算式评价[J].西安石油大学学报(自然科学版).2006,21(3):55-57.

[15] 曹学文, 梁法春,黄庆萱,林宗虎.水平管气液分层流压力梯度和含气率计算方法研究[J].西安交通大学学报.2003,375:444-446.

[16] 邓道明,董勇,涂多运,张强,宫敬,李清平. 高大直径天然气凝析管流计算模型[J].化工学报.2013,649:3096-3101.

 


 

 

 








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