水平管道油气二相段塞流稳态流动特性.pdf

第 3 8卷 第 5期 2 0 1 0年 5月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E R I N G C H I N A Vo 1 ． 3 8 N o ． 5 Ma y 2 01 0 水平管道油气二相段塞流稳态流动特性 黄阿勇，李艳红 ，王 经 ，刘夷平 上海交通大学 机械 与动力工程学 院，上海2 0 0 2 4 0 摘要 使用通过自行设计并搭建的实验装置， 对水平管道油气二相段塞流稳态流动特性进行了实验研究。采用压力信号 互相关方法测量了段塞流平均液塞速度， 通过分析得到了液塞速度、 液塞长度和液塞频率随气、 液相折算速度的变化规 律。结果表明， 当液相折算速度恒定时， 随着气相折算速度的增大 ， 液塞速度基本上呈线性增大 ， 而液塞长度呈双曲线减 小 ； 当气相折算速度恒定时 ， 随着液相折算速度的增大， 液塞频率基本呈线性增大 ， 而液塞长度呈双曲线减小。 关键词 段塞流； 液塞速度； 液塞长度； 液塞频率 中图分类号 T Q 0 3 5 9 ． 1 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 9 9 5 4 2 0 1 0 0 5 - 0 0 2 6 - 0 4 Fl o w c h a r a c t e r i s t i c s o f s t a b l e o i l g a s t wo - p h a s e s l u g flo w i n h o r i z o n t a l p i p e HUANG A- y o n g，LI Ya n - h o n g，W ANG J i n g，LI U Yi - p i n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e ri n g T h e r m a l P h y s i c s ，S c h o o l o f Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g ， S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a Abs t r a c t An e x p e r i me n t al i n s t all a t i o n wa s d e s i g ne d a nd us e d f o r s t ud y i n g t h e flo w c h a r a c t e ris t i c s o f s t a b l e o i l g a s t wo p ha s e s l u g flo w i n h o riz o n t al p i pe ．Th e a v e r a g e s l u g v e l o c i t y wa s me a s u r e d a n d t he r u l e s o f s l u g v e l o c i t y，s l u g l e n g t h a n d s l u ge qu e n c y c h a n g i n g wi t h s u p e r f i c i a l v e l o c i t y we r e d i s c l o s e d b y u s i n g p r e s s ur e s i gn al c r o s s c o r r e l a t i o n me t h o d ．T h e e x p e r i me n t al r e s u l t s s h o w t h a t w h e n l i q u i d r e d u c e d v e l o c i t v i S c o n s t a n t 。the s l u g v e l o c i t y i n c r e a s e s l i n e a r l y wi t h t h e i n c r e a s e o f g a s r e d u c e d v e l o c i t y，w h i l e t h e s l u g l e n gth d e c r e a s e s b y h y p e r b o l a ． Wh e n g a s s u p e r fi c i al v e l o c i t y i s c o n s t a n t ，t h e s l u g e q u e n e y i n c r e a s e s b a s i c all y l i n e a r l y w i t h t h e i n c r e a s e o f l i q u i d s u p e rfic i al v e l o c i t y，w h i l e t h e s l u g l e n gth d e c r e a s e s b y h y p e r b o l a ． Ke y wo r d s s l u g fl o w；s l u g v e l o c i t y；s l u g l e n gth；s l u g e q u e n c y 段塞流是气 汽 液二相流比较常见 的流型。油 气混输工程中， 在许多操作条件下 ， 包括正常操作、 启 动、 停输、 清管 、 输变量变化等都会出现段塞流。段塞 流可以描述为充满整个管道横截面的液塞与大气泡 其下方有液膜 的交替流动 ， 其不稳定性会引起管线 中含气率和压降的急剧波动， 呈现典型的不稳定性。 特别是离开管线末端的大液塞会引起下游油气处理 设备中的液位激烈波动。表征段塞流的特征参数有 液塞 区和大气泡区的运动速度、 各部分的截面含气 率、 液塞长度、 最大液塞长度、 液塞频率等。为保证管 线和下游油气处理设备的最优化设计和操作 ， 必需预 测液塞的速度、 大小 、 频率以及它们的关系。 国内外研究资料表 明， 对油气二相段塞流的出 现进行 了大量的研究 ， 其中 L i n P Y等 和 S i l v a F S 等 采用压力信号互相关方法测量 了段塞 流平均 液塞速度 ； B a me a D和 T a i t e l Y等 。 将确定最小稳 定液塞长度的方法应用于水平管道 ， 得到了水平管 道最小稳定液塞长度。 本文在前人研究的基础上 ， 针对影响流动稳定 性的主要因素段塞流的液塞速度问题通过实验 对压力 、 差压波动信号的分析 ， 采用压力信号互相关 方法 ， 得到了液塞速度、 液塞长度和液塞频率的变化 规律 ， 并得出了最大液塞长度的经验公式。 1 液塞速度、 长度、 频率的测量和确定 实验测量段塞流液塞速度的方法有 激光测速 技术 、 计算机数字图像分析技术 、 过程层析成像技术 等。压力 差压 波动分析技术是近年来发展起来 的一种新的测量技术， 由于其价格低廉， 现场因素对 它的影 响小 ， 是一种 比较 可取 的方法。本文采 用 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 2 0 0 6 A A 0 9 Z 3 3 3 资助项 目 作者简介 黄阿勇 1 9 8 5 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为气液二相流流型转变 机理和数值模拟 ， 电话 0 2 1 3 4 2 0 3 2 0 9 ， E- m a i l h u a n g a y o n g s j t u ． e d u ． c n ； 李艳红 ， 通讯联 系人， E m a i l l i y h s j t u ． e d u ． c n 。 黄阿勇等水平管道油气二相段塞流稳态流动特性 2 7 I _j n等n 和 S i l v a等 的压力信号 互相关方法测量 了段塞流平均液塞速度 、 液塞长度和液塞频率以及 它们的变化规律。 相关法求滞后 时间的方法是将上下游 的信 号 和 y r 作相关运算 1 R x v ．r 寺上 y ‘ ￡ 一 r d r 1 式 中 R为相关 函数 ； 为分析时间； t 为延迟时间 ； 7 ． 为函数变量。 该 函数曲线的峰值 r 。就是计算 液塞速度 时所 需的滞后时间， 液塞长度可以从上游压力信号图中 确定出液塞经过取压点所需的时间与液塞速度的乘 积求得。液塞频率是通过差压波动曲线找出某液塞 头和下一液塞头经过某一测压点 的时间间隔倒数 ； 实验中可通过计数法 ， 即数 出一段 时间内经过测压 点的液塞个数 ， 该个数与计数 时间长度之商 即为该 点在计数时间长度内的平均液塞频率。 2实验装置 实验系统 主要 由动力设备、 控制设备 、 测量管路 和标准测量 仪表 和信号 采集 系统 几部 分组成 ， 如 图 1 所示 图中 D N为公称直径 ， 单位为 m m 。 图 1 水平管道油气 二相流 实验装 置示意 图 F i g ． 1 E x p e r i me n t a l e q u i pme n t o f o i l - g a s h o r i z o n ta l fl o w 实验管道直径 D为 2 5 mm， 长为 6 m， 其中有机 玻璃管段 观测段 为 2 m。实验介质为常温下的空 气和 O 柴油。柴油由磁力泵驱动进人实验 系统 ， 供 气装 置 采 用 T A- 1 0 0空 气 压 缩 机 ， 排 气 量 为 O 一 1 m ／ mi n ， 压力可调节范围 0 ． 7 MP a 。为减小流 体的脉动干扰， 气相和油相在进入管路前均通过稳 压罐稳压。气体稳压 罐的压力 由空压机设定 ， 油稳 压罐的压力通过 回流 阀进行调节。气相稳压罐的工 作压力一般控制在 0 ． 4 M P a ， 油相稳压罐的工作压 力一般控制在 0 ． 2 MP a 。各相流体 由流量调节 阀调 节流量后 ， 经玻璃转子流量计测量其流量 。 为了获取有效的压降变化数据， 本实验差压传 感器取压距离为 1 5 0 0 mm， 即约为 6 8 D。 实验 数 据 采 集 系 统 选 A g i l e n t公 司 生 产 的 3 4 9 7 0 A数据采集器配合 3 4 9 0 1 A 2 0通道多路转换 器模块 ， 该系统数据采集 卡有 6 ． 5位 2 2 b i t s 分辨 率 ， 0 ． 0 0 4 ％的基本直 流电压 精度和 2 5 0通 道／ s的 扫描率。本次实验传感器均采用差分接法。实验段 传感器布置如图 2所示 图 中数据为压力传感器 间 的距离， 单位为 m m 。 图 2实验段 传感器布置 示意图 F i g ． 2 C o n fi g u r a t i o n o f p r e s s u r e d i ff e r e n t i a l p r e s s u r e t r a n s mi t t e r 2 8 化学工程2 0 1 0年第 3 8卷第 5期 3 实 验结 果及分 析 实验共进行了 1 0 0组流量稳定实验 。采样频率 为 1 0 0 0 H z ， 采样时问为 3 S 。 3 ． 1 液塞速度 图 3为不同液相折算速度 下 ， 液塞速度 和气相折算速度 M 的关系。在液相折算速度不变 的条件下 ， 液塞速度随气相折算速度的增 大而线性 增大 ， 这和文献 [ 1 ] 规律基本相 同。这是 因为分离 器中压力保持恒定 ， 当液体在 流动方 向的后方形成 段塞后 ， 液塞在水平管 中不段增长而流入分离器过 程 中， 液塞所受压力等于管道 中压力与分离器 中压 力之差 。因而 ， 气体压力随时间的变化决定 了液塞 速度的变化。但液相折算速度不同， 液塞速度随气 相折算速度增加的斜率会不同。当液相折算速度大 于 0 ． 8 m／ s 时 ， 液塞速度 和气相折算速度的变化规 律和液相折算速度基本无关 。 ， 一I、 use ,／ m ‘ S 图 3液塞速 度和气相折算速度的关系 F i g ． 3 Re l a ti o n s h i p b e t we e n e x p e r i me n t a l s l u g v e l o c i t y a n d g a s s u p e r fi c i al v e l o c i t y 3 ． 2 液 塞长 度 当气相折算速度恒定时， 液塞长度会随液相折算 速度的增加而呈双曲线减小。图 4所示为液塞长度 和液相折算速度的对数关系图。由图可看出液塞长 度 L 和液相折算速度 “ 也 之间呈幂 函数关系， 其 中幂 指数为 一1 ， 即气相折算速度一定 时， L o c u 2 。因为 在不同气相折算速度下的关系直线是平行的， 所以指 数 一1与气相折算速度是相互独立的。又 因为直线 不重合 ， 在液塞长度与液相折算速度的关系式中存在 一 个与气相折算速度有关的常数项 C 。因而 ， L C 1 u 2 2 当液相折算速度恒定时， 液塞长度随气相折算 速度的增加而基本呈双曲线减小 。图 5所示为液塞 长度和气相折算速度 的对数关 系图。图 5表 明， 液 塞长度和气相折算速度 u 之间也呈幂函数关系， 其 幂指数为 一1 ． 3 5 。因而液塞长度可以表示为 L。C2 L Ⅱ 图 4 平均液塞长度和液相折算速度的对数关系 F i g ． 4 L o g l o g r e l a ti o n b e twe e n a v e r a g e s l u g l e n g t h a n d l i q u i d s u pe rfic i a l v e l o c i t y u s g ／ m ‘ S 圈 5 平均液塞长度和气相折算速度的对数关系 F i g ． 5 L o g l o g r e l a t i o n be twe e n a v e r a g e s l u g l e n g t h a n d g as s u pe rfic i a l v e l o c i t y 3 综合式 2 ， 3 ， 得到液塞 长度 和 2个折算速 度之间的关系为 L C s Ⅱ u 2 4 图 6所示为最大液塞长度 与 2个折算速度 之间的关系。图中直线斜率在 0 ． 4左右 ， 因此最大 液塞长度与两折算速度之间的关系为 一 0 ． 4 M u 2 5 “s g “s L 图 6 最大液塞长度和两流 速之间的关 系 F i g ． 6 Re l a t i o nbetwe e nln mu l n s l u gl e n g t h a n d s u p e rf i c i a l v doci ty 黄阿勇等水平管道油气二相段塞流稳态流动特性 2 9 图 6表明， 在液塞 比较短 L1 6 D 时， 液塞长 度的分布和该直线非常吻合。对于 ≥0 ． 0 5 m的液 塞 ， 在一定气液组合速度下 ， 可用这条直线来判断液 塞长度是否达到其上限值 。管道中的液塞在一定条 件下会增长。在液塞前面的液体 比较充足时 ， 液塞 就会吸收一定量的液体并增长， 直到它能达到 的最 大值 。直线下面的点说明测量过程 中并非所有的液 塞都达到了最大值。图中所有的点是平均最大液塞 长度 ， 因为有些液塞会扩散 ， 所以有些点在该直线上 面 。 3 ． 3液塞频率 图 7所示是液塞频率与液相和气相折算速度的 关系。对所有不 同的液相折算速度 ， 液塞频率和气 相折算速度之间的关系都非常相似。 “ g ， m s - 1 图 7 液塞频率和气相折算速度之间的关系 F i g ． 7 Re l a t i o n b e t we e n s l u g f r e q ue n c y a n d g a s s u p e r fic i a l v e l o c i ty 液相折算速度恒定时 ， 液塞频率随气相折算速 度的增 大 呈先 减小 后增 大 的变 化规 律。在 “ 。 3 ． 5 m ／ s 时 ， 液塞频率局部最小。在气相折算速度较 高 “ ≥1 0 m ／ s 时， 液塞频率和气相速度无关而只 会随液相速度的不同而改变。而且在液塞频率和液 相速度之间存在一种线性关 系。当液相速度增加 ， 如图所示 ， u 从 0 ． 5 m ／ s 增加到 1 ． 2 m ／ s ， 液塞频率 也会相应地增加。 4结论 1 液相折算速度 恒定时 ， 液塞速度 随气相折 算速度的增大而增 大。对于不同的液相折算速度 ， 液塞速度随气相折算速度增加幅度有所不同。当液 相折算速度大于 0 ． 8 m ／ s ， 液 塞速度和液相折算速 度基本无关 。 2 气相折算速度恒定 时 ， 液塞 长度 随液相折 算速度增加而呈双 曲线减 小 。液相折算速度 恒定 时 ， 液塞长度 随气 相折 算速度 增加 而基本 呈双 曲 线减小 。从 中得到 了液塞 长度关于二相折算 速度 的经验关系式 ， 因而可以通过 来预测最大液塞 长度 。 3 M 。 3 ． 5 m／ s 时 ， 液塞频率局部最 小 ， u ≥ 1 0 m／ s 时 ， 液塞频率随液相折算速度 的增加而近似 呈线性增大 。 参考文献 [ 1 ] L I N P Y，H A N R A T F Y T J ．D e t e c t i o n o f s l u g fl o w f r o m p r e s s u r e m e a s u r e m e n t s[ J ] ．I n t J M u h i p h a s e F l o w， 1 9 8 7 ， 1 3 1 1 3 - 2 1 ． [ 2 ] S I L V A F S ， T O L E D O V M， Q t a N T O D P ， e t a 1 ．E x p e il m e n t a l s l u g fl o w c h a r a c t e r i z a t i o n i n a h o r i z o n t a l p i p e [ M] ／ ／ E x p e il me n t a l He a t T r a n s f e r ，F l u i d Me c h an i c s an d T h e r mo d y n a mi c s ． P h i l a d e l p h i a T a y l o r ＆F r a n c i s ， I n c ， 1 9 97 89 3- 90 0． [ 3 ] T A I T E L Y，B A R N E A D ．S i mp l i fi e d t r ans i e n t s i m u l a t i o n o f t wo p ha s e flo w us i n g qu a s i e q u i l i b r i um mo me n t um b a l a n c e s[ J ] ．I n t J M u h i p h a s e F l o w，1 9 9 7 ， 2 3 3 4 9 3 501 ． [ 4 ] B A R N E A D， T A I T E L Y．A m o d e l f o r s l u g l e n g t h d i s t il b u fi o n i n g a s l i q u i d s l u g fl o w [ J ] ． I n t J Mu l t i p h a s e F l o w， 1 9 9 3 ， 1 9 5 8 2 9 43 8 ． [ 5 ] T A I T E L Y，D U K L E R A E ．A m o d e l f o r s l u g f r e q u e n c y d u ring g as l i q ui d flo w i n ho r i z o nt a l an d Re a l “h o r i z o n t a l p i p e s[ J ] ．I n t J Mu h i p h a s e F l o w， 1 9 7 7 ， 3 6 5 8 5 - 5 9 6 ． [ 6 ] J A N S O N F E， S H O H A M 0， T A I T E L Y ．T h e e l i m i n a t i o n o f s e v e r e s l u g g i n g e x p e ri m e n t s and mo d e l i n g[ J ] ．I n t J Mu h i p h ase F l o w， 1 9 9 6 ， 2 2 6 1 0 5 5 - 1 0 7 2 ． [ 7 ] MA T S U I G ．A u t o m a t i c i d e n t i fi c a t i o n o f n O W r e g i m e s i n v e r t i c al t wo - p h a s e fl o w u s i n g d i ff e r e n t i al p r e s s u r e fl u c t u a - t i o n s[ J ] ．N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n ，1 9 8 6 ， 9 5 7 2 2 1 - 2 3 1 ．