（油气储运工程专业论文）管式液塞捕集器研制及性能测试研究.pdf

r e s e a r c ho nd e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c et e s to f m u l t i p l e p i p es l u gc a t c h e r l i uh o n g b o ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl iy u - x i n g a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o no ft h e o i l & g a sf i e l d i no c e a n ，p o l a r , d e s e r ta n do f f s h o r e ， m u l t i p h a s ep i p e l i n e so b t a i nc o n t i n u a ld e v e l o p m e n t s l u gf l o ww h i c ha p p e a r si nm a n y o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( n o r m a lo p e r a t i o n ，s t a r t , s h u t d o w n ，t r a n s m i s s i o nc h a n g e ，e t c ) i sa c o 7 u t l o nf l o wp a t t e r no fm u l t i p h a s ef l o w t h es l u go u to fc o n t r o lw i l lg e n e r a t ef o r c e f u l i m p a c to nd o w n s t r e a mp r o c e s s i n ge q u i p m e n t s f o rt h i sr e a s o n ，al i q u i d - r e c e i v i n gf a c i l i t y k n o w na sas l u gc a t c h e ri sa l w a y sc o n n e c t e dt oam u l t i p h a s ep i p e l i n ei nt h et e r m i n a l t h i s p a p e rm a i n l ys t u d i e sm u l t i p l e - p i p es l u gc a t c h e r i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e d u r eo fd e s i g n i n gas l u gc a t c h e rw i l lb eg i v e n w h e nd e s i g na v e s s e lt y p es l u gc a t c h e r , t h er e q u i r e m e n ti nt h i sp r o c e s st h a tg a sc a ns e p a r a t ef r o ml i q u i da n d l i q u i dc a l ls e p a r a t ef r o mg a ss h o u l db es a t i s f i e d d y n a m i cs i m u l a t i o nw a su s e di no p t i m i z i n g t h es l u gc a t c h e rs t r u c t u r e t h ed e s i g na n dr e s e a r c hw o r ko fam u l t i p l e - p i p es l u gc a t c h e rw a s c a r r i e do u tb a s e do nt h ed e s i g no fv e s s e ls l u gc a t c h e r t h er e s e a r c hw o r ko fs l u gc h a r a c t e r i s t i c sm a i n l yi n c l u d es l u gf r e q u e n c y ，s l u gv e l o c i t y a n ds l u gl e n g t h i sc a r r i e do u tb yi n d o o re x p e r i m e n t s t h o s es l u gc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc a n b eo b t a i n e d t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aw h i c hi n c l u d e sp r e s s u r e d a t aa n d d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ed a t ab yu t i l i z i n gt h ec o r r e l a t i o na n do t h e rm a t h e m a t i c a lm e t h o d s t h ep e r f o r m a n c eo ft h em u l t i p l e p i p es l u gc a t c h e ri sv e r i f i e db yi n d o o rt e s t s t h e p r e s s u r ea n dl i q u i dl e v e li nt h es l u gc a t c h e rw a ss t u d i e db yv a r y i n gt h ec o n d i t i o n so fs l u g e n t r a n c e t h et e s t si n d i c a t et h a tt h ep r e s s u r ea n dl i q u i dl e v e lv a r i a t i o n sr e m a i n e dw i t h i nt h e l i a c c e p t a b l el i m i t s t h e n ，t h em u l t i p l e - p i p es l u gc a t c h e rc a ne l i m i n a t et h ei m p a c to fs l u g p r e f e r a b l y k e yw o r d s ：s l u g ，s l u gc a t c h e rd e s i g n i n g ，s l u gc h a r a c t e r i s t i c s ，m u l t i p l e - p i p es l u g c a t c h e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：4 乡雄 日期：年 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 液塞捕集器的研究意义 油、气、水三相混合物的管道输送是石油、天然气工业中最常见的一种运输方式， 它涉及到复杂的多相流动理论和技术。在这种流动中，各相界面和分布状况由于油气比、 管道尺寸和地形起伏等参数的不同，形成了不同的流型。段塞流是多相管流中经常遇到 的一种流型，在许多操作条件下( 正常操作、启动、输量变化、清管) 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。 随海洋石油开发，气液混输管路不断发展，在平台间及平台和陆上终端间采用油气 混输方式输送工艺流体。由于平台和海底的高差较大，会诱发强烈段塞流，对下游的处 理设备产生很大的冲击。 液塞捕集器是消除段塞流的一种有效设备，它可以有效的分离气、液流体，并作为 液体的临时储存器，起缓冲作用，使捕集器向下游气液加工装置提供稳定的气液流量。 液塞捕集器的研究在国内尚处于起步阶段，管式液塞捕集器的国产化研究具有重要意 义。 1 2 液塞捕集器的国内外技术现状【l 】【2 】【3 】 上世纪8 0 年代，国外在液塞捕集器的研究方面做了大量工作，在理论和实践方面 都取得了较大突破。世界上己建成的许多混输管路终端都设有液塞捕集器。 f l a g s 管线位于北海北边的英国一侧海域内。f l a g s 海底管道起点为b r e n t 油田，在 苏格兰的s t f e r g u s 登陆，管径为9 1 4 m m ( 3 6 英寸) ，壁厚2 2 m m ( 0 8 6 7 英寸) ，全长4 4 8 k m ， 是世界上最大的海底管道之一，于1 9 8 4 年竣工。管道最大输气量为2 8 3 m m 3 d 第一章绪论 ( 1 0 0 0 m f l 3 d ) ，伴生凝析液量1 5 9 1 0 4 l 锄3 d ( 1 0 5 b b l d ) ，气液比为1 7 8 0 n m 3 m 3 ，最大 操作压力1 4 m p a 。s t f e r g u s 处理厂设有额定处理为1 5 9 0m 3 管式液塞捕集器。 c a t s ( c e n t e r a r e at r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 是北海中部地区英国一侧的气体输送系统， 是输送压力最高的输气管道之一。c a t s 海底管道起点为北海中部e v e r s t 和l o m o n d 凝 析气田，在英国的t e e s s i d e 登陆，长4 0 0 k m ( 2 5 5 英里) ，管径为9 1 4 m m ( 3 6 英寸) ，管 道设计压力为1 7 9 b a r ，起点压力为1 7 2 b a r ，终点压力为l l o b a r ，输送能力为4 5 3 m m 3 d 。 该管道采用密相输送，正常输送时管内应无凝析液，只有管道启动、停输、管内压 力小于露点压力才出现逆向凝析，这种管道的液塞捕集器容积小于常规天然气凝析液管 道的液塞捕集器。管道终点设有两套管式液塞捕集器，液塞捕集器内的液体由输液泵送 往临近的t e e s s i d e 气体处理厂。 与国外相比，国内对液塞捕集器的研究差距非常大。目前国内尚无具有独立知识产 权的液塞捕集器产品，国内油气田应用的液塞捕集器均为国外设计和制造生产，每套约 为2 0 0 万美元，国内已有数台捕集器投入使用：j z 2 0 - _ 2 凝析气田海上平台上长6 m 、容 量1 0 m 3 的容器式液塞捕集器；j z 2 0 一2 凝析气田混输管路终端容量5 9 9 m 3 的管式液塞 捕集器；从平湖油气田输送到上海南汇咀的陆上气体处理厂容量7 0 0 m 3 的管式液塞捕集 器，春晓油气田陆上终端管式液塞捕集器；东方1 1 陆上终端工程首次使用了2 x8 0 m 的双筒式管式液塞捕集器【4 1 。 锦州j z 2 0 2 凝析气田位于渤海湾。该气田由一个主生产平台m n w ，一个公用生活 平台m u q 和另外三个井口平台( s w 、m s w 、n w ) 组成。开发初期，只建成s w 井 口平台( 有四口井) ，从s w 到m n w 有一条天然气、凝析油和乙二醇水溶液的海底管 线，从m n w ( 有四口井) 到辽宁省兴城市气体处理厂有一条混输天然气、凝析油和乙 二醇水溶液的海底管线。 ( 1 ) m n w 平台上的捕集器 s w - m n w 海底管线管径2 0 3 2 m m ( 8 ”) ，长约l o k m 。其设计生产能力( 头五年) 为 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 8 0 0 k m 3 d ，之后为5 0 0k m 3 d 。在m n w 平台上，管线终端设有一台容器式捕集器，容 积1 0 1 m 3 ，长6 m 。其设计压力为8 3 m p a ，设计温度2 0 6 2 ( 2 ，操作压力7 5 m p a ，操作 温度3 3 2 ，液位控制在6 0 0 m m 。捕集器有四个液位控制阀，分别是高高液位li o o m m 、 高液位10 0 0i t u t i 、低液位4 0 0m m 、低低液位2 5 0n l n l 。 针对海上平台晃动，为解决捕集器稳定性，在捕集器底部设有两个鞍形支座，使捕 集器稳定地安装于支座上。捕集器高3 8 0 0m n l 。 ( 2 ) 岸上终端液塞捕集器 从m n w 平台到陆上气体处理厂，管线全长5 1 k m ，其中m n w 到登陆点长为4 7 5 k m ， 从登陆点到气体处理厂长3 5 k m ，管外径壁厚为3 2 3 8 5 1 0 31 m m ( 1 2 7 5 o 4 0 6 ) 。 管线外敷5 m m 煤焦油瓷漆防腐层，5 0 m m 混凝土加重层。管材为x 5 2 ，立管区管材为 x 5 6 。海管为开沟敷设，覆土高度2 m 以上，采用自然覆土法，只在离着陆点4 k m 范围 内采用局部覆土。海管的最大水深为1 5 4 2 5 m ，每1 0 个焊口设牺牲阳极一个，管道着陆 点处有绝缘接头。设计使用寿命2 0 年。海管于9 2 年5 l o 月施工，年底投产。 管线设计压力为7 4 m p a ，设计温度3 2 7 。投产后，管线起点压力6 0 6 5 m p a ， 终点压力5 m p a ，平均输气量1 2 m m 3 d ，气体密度0 8 2 8 7 k g m 3 ，凝析油6 0 0 m 3 d 。管道 气液比约为2 0 0 0 n m 3 m 3 ，操作条件下气液比为3 3 3 n m 3 m 3 。 海管起点，即m n w 平台设有清管球发送装置，陆上处理厂有清管球接收装置和多 管式液塞捕集器。捕集器共有8 根平行管组成，容积为5 9 9 m 3 ，基本设计和工艺配管设 计均由英国环球公司完成，并经过了d n v 新加坡公司和美国h u d s i n 公司审核认可，结 构形式见图1 1 。设计压力8 5 m p a ，最小操作压力5 m p a 。 第一章绪论 图1 - 1j z 2 0 - 2 液塞捕集器 f i g l 1 j z 2 0 - 2s l u gc a t c h e r 平湖油气田位于东海海域，距上海市南汇咀东南方向约3 6 5 2 k m ，海水深8 7 5 m 。 上海气体处理厂位于上海市南汇县新港乡新陆村，距海上湿天然气管道登陆点( 南汇县 泸潮港) 约2 1 k i n 。 气井的气流在平台经油气分离、三甘醇脱水后，由a p i5 lx 5 2 的钢管道( 设计寿 命3 0 年) 从平湖油气田输送到上海南汇咀的陆上气体处理厂。 管道系统的操作是在接收终端的回压控制下进行，气体流量由井口处的节流阀控 制。平台处管道压力由陆上回压和管道中的压力损失设定。 设计的管道操作参数为： 最大入口压力k p a1 0 ，5 0 0 最大出口压力k p a9 , 4 0 0 ( 最小输量时的压力) 最大流量s m 3 d 1 , 5 3 0 ，0 0 0 最小流量s m 3 d6 9 0 ，0 0 0 设计入口最高温度 4 0 最大出口温度 2 3 8 最小出口温度 7 0 管道输送最大滞液量为3 6 0 m 3 ，瞬时最大滞液量为4 5 7m 3 。管道清管时的最大段塞 流量预计5 0 0m 3 。整条管道均处于气液两相流操作状态。平台上有清管器发送筒，气体 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 处理厂有清管器接收筒和液塞捕集器。其工艺流程和控制系统见下图。捕集器由四条平 行的直径长度为1 2 1 9 m m 1 5 0 m 管子组成，坡度l ，起储存液体作用。上方有小型 气液分离器，起管式捕集器分离段作用。除了管道投产时进行了清管器排水、干燥等作 业外，9 9 年4 月投产以来未进行清管作业，该捕集器由德士古公司设计，见图l - 2 。 图l - 2管式捕集器 f i g l - 2m u t i p l e - p i p es l u gc a t c h e r 1 3 液塞捕集器的作用及分类2 】 液塞捕集器是位于两相流管线或密相流管线终端的油气初级分离设备。它有以下两 方面的作用： ( 1 ) 有效地进行气液分离并捕集气体内央带的液塞，确保下游设备正常工作； 第一章绪论 ( 2 ) 混输管道内最大液塞达到捕集器时，捕集器能作为液体的临时储存器起缓冲 作用，使捕集器向下游气液加工装置提供稳定的气液流量。 液塞捕集器基本上可以分为两类： ( 1 ) 容器式：对于泡沫常成为气液分离主要问题的原油伴生气混合流体，往往采用 容器式液塞捕集器。另外，由于容器式液塞捕集器占地面积小，所以安装于海上平台上 的液塞捕集器往往都是容器式的。 ( 2 ) 管式：在处理气体凝析液流的设备中，管式应用较广。虽然气体比较干净而且 产生的液量也较少，但清管时往往产生很大的液塞。在正常操作和清扫管线过程中，液 体流量差别很大，所以这种捕集器应能吸收合理的液体波动量。管式液塞捕集器与容器 式液塞捕集器相比，虽然占地面积大，但操作简单，而且能处理较大流量。本文主要阐 述管式捕集器。 1 4 液塞捕集器的结构【2 l 【5 】f 6 】 1 4 。1 容器式捕集器 容器式一般用于海洋平台上，接收其他平台通过海底管道送来的油气，结构与陆上 油气分离器类同，只是有较大的缓冲容积，以满足气液瞬时流量的剧烈变化。捕集器设 有高高液位、高液位、低液位、低低液位，正常工作时捕集器内液位应在高、低液位间， 液位达到高( 低) 液位时报警，达到高高( 或低低) 液位时自动切断捕集器进口( 或排 液) 管道。 1 4 2 管式液塞捕集器 大型的液塞捕集器，通常用一些标准管段来制造，即管式液塞捕集器。管式液塞捕 集器的储存段由许多倾斜的平行管组成。如图1 3 所示，管式液塞捕集器主要包括两部 分： ( 1 ) 入口分离部分：用于气液分离； ( 2 ) 储液部分：是一组平行下倾管段，用于贮存液体，常由标准直径的管段制造。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 入口 液体出口 口 图1 - 3 管式液塞捕集器的组成 f i g1 - 3g e o m e t r yo f t h em u 缸p l e - p i p es l u gc a t c h e r 1 4 3 管式液塞分离器的工作方式 按液塞进入捕集器时气体离开平行管的方式，管式液塞捕集器可分为同向流式、逆 向流式和混合式，如图1 4 所示。 ( 1 ) 逆向流：在逆向流动的情况下，在离开储存器的气体与进入的液体之间的界 面存在一个大的速度差，然而它应该满足的条件为，当一段塞流进入捕集器时，气体将 在没有明显阻力的情况下离开储存器。因此，液塞捕集器的储存容器必须以一定的倾斜 角度安装，以便使管子底部的液位高度降到最低当段塞流的入口速度增大时，储存容 器内的液位将增高，从而导致液体上方的气体流动空间减小，并且气体流速将会急剧增 高，当段塞流的入口速度超过一定值时，在捕集器中也将出现段塞流，它可能阻碍气体 从储存器中流出。因而可能产生的最坏的结果，即所有的液体将通过液塞捕集器项部的 气体管汇排出捕集器。 7 第一章绪论 铋芝一 气液 气体出口 图l _ 4 气、液同向流和逆向流 f i g1 - 4s a m ef l o wa n dc o u n t e rf l o w ( 2 ) 同向流：同向流动情况下，沿液塞捕集器，每隔一段距离就设置一个分离气 体的出口管汇。这一特点使捕集器容器内气体和液体在流动过程中不会产生相互干扰， 预计该种段塞流捕集器的气、液分离效率接近于1 0 0 ，而且没有明显的液体携带现象 产生。在同向流动的液塞捕集器中，气体排出储存容器的流动阻力系数比逆向流动的液 塞捕集器低很多，因此，同向流动储存容器的倾斜度比逆向流动要小。 1 4 4g a s u n i e “双倾角 的设计 1 9 8 7 年，挪威g a s u n i e 在实验基础上提出了管式液塞捕集器“双倾角 的设计方案 ( 见图1 5 ) ，在该系统中，应用了气液同向流动的原理，容器的分离段与储存段之间 具有不同的倾斜角度。g a s u n i e 所提出的这种特殊形状，具有储存容器的体积能得到充 分利用的优点。这种“双重角度设计的另一优点是，当容器以相对较小的倾斜角配合 时，降低了液塞捕集器所需的支承结构的高度，节省了费用。这种g a s u n i e 液塞捕集器 也是一个好的气液分离器，对气体中游离液体的实测捕集效率可达到9 9 以上，而对 照有一个段塞流时它的捕集效率几乎可达到10 0 。这种类型的液塞捕集器在世界上 已建成几套并且正在操作运行中。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 入a 图l - 5 管式捕集器的双倾角 f i g l - 5d u a la n g l et y p es l u gc a t c h e r 气俸出口 毫体出口 图1 - 6 储存段有弯曲和无弯曲 隐1 - 6s t o r a g eb o t t l ew i t hb e n da n ds t o r a g eb o t t l ew i t h o u tb e n d 1 4 5 管式液塞捕集器的优缺点 管式液塞捕集器最大的优点是气液分离效果好、处理量大并易于操作，除了管内液 位控制外，不需要别的设备。但是也有许多缺点： ( 1 ) 来流液体在平行管中的分配是否均匀很重要，否则由于某一根平行管的负荷过大 将发生气流中严重夹带液体的现象。 ( 2 ) 来流液体进入平行管时，驱出气体，形成逆向流动。如果气液相对流速超过某一 临界值时，气液界面将不稳定，形成严重的波浪甚至可能堵塞流道，引起过高的液体夹 带率。平行管倾角大小对气流中液体夹带率有很大的影响。 ( 3 ) 管式液塞捕集器内气液的三维流动性质相当复杂，理论上难以解决。 9 第一章绪论 ( 4 ) 占地面积大。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 观测段塞流的形成与发展，验证多相流的流型转变的判别准则。 ( 2 ) 测量水平管路段塞流的特性参数，包括液塞长度，液塞频率，液塞速度等。 ( 3 ) 进行捕集器的设计研究。 ( 4 ) 完成管式液塞捕集器的性能测试。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章段塞流的形成及其特性参数 2 1 段塞流的分类 7 1 段塞流通常分为三类： 1 ) 水动力段塞流( h y d r o d y n a m i cs l u g g i n g ) 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，这种段塞流一般在气液流量较大发生； 2 ) 地形起伏诱发段塞流( t e r r a i ns l u g s )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； 3 ) 强烈段塞流( s e v e r es l u g g i n g ) 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。 2 2 段塞流的形成机理 不同的段塞流，其产生机理也不相同： 2 2 1 水动力段塞流的产生机理 当管道内气液流量较小时，流动呈分层流型。当管内液体流量较大，液位较高时， 被气流吹起的液波可能高达管顶，阻塞整个管路流通面积形成液塞，流型由分层流转变 为段塞流。这是由于在波浪顶峰处，由于伯诺利效应，气体流速增大将使该处的压力降 低，在波峰周围压力下，波浪有增大趋势。另一方面，液体所受的重力将使波浪减小。 如前者的影响大于后者，则波浪增大直至管顶，形成段塞( 见图2 1 ) 。水动力段塞流型 区可根据管道条件由流型图判别，或用以t a i t e l d u k l e r l 8 】或x i a o 9 】流型划分法为基础的 各种流型计算相关法判别。 第二章段塞流的形成及其特性参数 2 2 2 地形起伏诱发段塞流 图2 - 1 段塞的不稳定性 f i 9 2 - 1 i n s t a b i l i t yo f t h es l u g 图2 2 表示低输量下湿天然气管道的流动情况。在下坡管段中含液率仅百分之几， 气液处于分层流。下坡段的液体到达管道低部，下游上坡段的部分液体倒流，使管道低 部聚集液体，并阻碍气体流动。于是，管道底部的气体流速增大，带液能力增强，使上 坡段的含液率大幅增加，可达5 0 左右，在上坡段就形成了段塞流。由上看出，这类段 塞流在低气液流量下发生。 休i 日j 歇排放 图2 - 2 地形起伏段塞流 f i 9 2 - 2s l u gf l o wc a u s e db yt o p o g r a p h i cr e l i e f 2 2 3 强烈段塞流 强烈段塞流呈现周期性，在一个周期内大约可分为四个过程，见图2 3 。 1 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 3 立管诱导型强烈段塞流形成原理 v i 9 2 - 3 s e v e r es l u g g i n gc a u s e db yr i s e r ( 1 ) 液体堵塞和液塞变长 在立管内较小气流速度下，管内的液体向下流动，积聚在立管底部。它堵塞了管道 内流来的气液混合物，使液塞上游的管道压力增大，液塞变长。管道出口几乎没有液体 流出，排出的气量也很小； ( 2 ) 气体压力增大 管道内压力增大，同时液体继续积聚液塞增长，立管内的液位逐渐上升。当管道压 力高于立管液体静压头时，才有液体从立管顶部流出； ( 3 ) 液塞流出 当管道压力足以举升立管内的液柱时，液体开始由立管顶部排出。起初排液速度较 低，当气体窜入立管后液体加速，在很短时间内液体流量达到峰值流量( 常为平均流量 的几倍) ，如果分离器或捕集器没有控制系统，它们内部的液位将会超出正常范围； ( 4 ) 管道气体排出 第二章段塞流的形成及其特性参数 最后，液塞上游积聚的气体极快排出立管，进入平台的接收装置，使装置工作失常。 此时，立管内气体流速减小，管道压力下降，又开始新一轮循环。 2 3 常见的段塞流特征参数的计算模型 液塞单元通常分为4 个区，即： ( 1 ) 混合区：液塞前锋的部分，它的速度大于其前方的液膜和气泡，在该区内液塞吸 收前方的液膜和气体并进行混合； ( 2 ) 液塞区：其长度包括混合区； ( 3 ) 液膜区：气泡下方的液膜部分； ( 4 ) 气泡区：液膜上方的气泡部分。 2 3 1b r i l l 模型1 0 1 该模型是1 9 8 1 年b r i l l 等人基于以下假设提出的： ( 1 ) 液塞中的小气泡和液相以相同的速度运动； ( 2 ) 液膜内不含小气泡； ( 3 ) 忽略气泡中的液滴； ( 4 ) 液塞的液滴速度为混合物速度。 在上述假设的基础上，根据液塞单元内液体的总质量平衡得到各参数间的关系，从 而得出某些段塞流特性参数的计算关系式： 液塞含液率 h l s = 1 0 - 0 0 1 e x p 【a + b l n v s g + c ( i n v ，g ) 2 】 ( 2 - ，) 其中： a = 一0 5 2 7 2 8 + 0 4 3 8 3 9 v 吐 b = 2 0 1 4 5 1 一o 1 7 8 7 8 v s c = 一0 2 0 2 7 1 + o 0 1 8 1 9 v 此 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 液膜含液率 其中： 平均含液率 其中： 气泡前锋速度 液膜速度 如= ，o o 0 1 e x p 口州岷+ d - ) 2 】 口= 4 4 7 1 0 8 0 1 3 6 9 1 v s l b = - 0 0 5 8 31 + o - 0 8 0 7 v s l c = 0 0 2 1 2 4 0 0 11 6 9 v s l 吼乩o - o 0 1 e x p n v 踞+ c ( 1 n v , g ) 2 】 气泡内气相平均速度 = 口= 4 2 7 1 4 3 0 2 6 1 7 2 v s l b = 0 0 6 4 5 9 + 0 1 2 9 9 2 v 。7 j 上j c = 0 0 0 4 0 6 0 0 1 8 2 6 v s l v s f v | hl s hl hl _ = ( v m 一啊) 鲁+ 2 啊一( 一) 鼍 式中：v 。一相折算速度；v s l 液相折算速度；v 。厂混合物折算速度。 2 3 2d u k l e r 模型【1 1 9 7 5 年，d u k l e r 和h u b b a r d 基于以下假设提出了该模型： 1 5 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章段寒流的形成及其特性参数 ( 1 ) 液塞体内气液相间的滑脱忽略不计； ( 2 ) 液膜内不含分散气泡； ( 3 ) 液塞长度保持不变。 通过分析液塞单元各部分的流体动力学机理，得到一组方程式，如表2 1 所示。 表2 - 1d u k l e r 液塞单元参数相关式 t a b l e2 - 1d u k l e re q u a t i o n 序号方程 参数说明 。，p l h l s + p g ( 1 一h l ”l d 管径；v s 一液塞平均速 1 瓯2 删pl l ；b hl r s 度；r e s 液塞雷诺数 v s 一液塞平均速度；1 3 1 l 、 2 v 。= 1 pl + 等 m g - 液、气相质量流量； a 一管面积 h l f c 液膜尾部含液率5 3 x 三= p 三彳h 厶膨卜f v 乃) v t 液塞平移速度；v f e 一液 膜尾部速度 4l ：o 0 2 1 i n r e j + o 0 2 2 ；c p l h l s , 4 v s 。 5 月 _ 州p l 警n l s 彳一( 1 + c k 1 6 中国后油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 1d u l d e r 液塞单元参数相关式( 续) 啭苌w d h 叮= 等 l f - 液膜长度；h b 液塞 6 w = 曾专产哮呜；瞄舻嘭； 含液率；h t r 液膜含液 率；0 液面与管中心夹 角；入f - 液膜摩阻系数； 川一l 睁i l j o 一爿5 i f ：等 q f 如l s厶vvsn 扒、l m l s 。l e i l a v s l f e + c 白厶一胃l f e ) 7 - 液塞频率 r心r 8 l ，2 t q s 9 、f2 默s 、f2 戡s 2 3 3x i a o 模型 9 1 1 9 9 0 年，x i a o 等人基于以下假设提出了该模型： ( 1 ) 液膜高度均匀一致； ( 2 ) 液相为不可压缩流体。 根据质量守衡得到以下段塞流特性参数关系式： 液塞中液相平均速度 液膜速度 。一k v 。( 1 一吼。) 2 1 f 1 7 ( 2 7 ) 第二章段塞流的形成及其特性参数 气泡中气相平均速度 v f = v t - - ( p 嚣 。 v s vr h i ， k 2 1 j 芦 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 液塞单兀平均含液翠 吼= 些型竽 ( 2 - 1 0 ) 液塞单元长度 驴t 鬻 ( 2 _ 1 1 ) v r v ，爿r ， 液塞长度由s c o t t ( 19 8 7 ) 关系式计算1 1 2 】 l n ( l 。) = 一2 6 6 + 2 8 5 ( 1 n j + 3 6 7 ) 。- 1m (2-12) 式中d 一管径，m 。 液塞中分散气泡速度由a n s a r i ( 1 9 8 8 年) 关系式计算： 纠加s “5 3 捌n 2 5 帕球 陋 液膜含液率的计算是根据分层流动量方程，而液塞含液率的计算是利用 g r e g o r y ( 19 7 8 ) 经验关系式。 2 4 段塞流的相关特性参数1 3 】 2 4 1 段塞流模型的建立 通过研究，为了准确计算捕集器入口的段塞流特征参数，建立了两种段塞流模型， 如图2 - 4 所示。模型i ，液膜高度均匀一致，液膜含液率和液膜速度为定值；模型i i ， 液膜高度是变化的，液膜含液率和液膜速度也随之变化。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 o oo 鬈 k 二 o ，一 一一一上一一一：【一一 毖 o o 上 o。 模型i 模型 图2 _ 4 液塞单元模型 f i 9 2 - 4t y p i c a ls l u gu n i tf o rt w om o d e l s 段塞流模型的建立基于以下几个假设： ( 1 ) 液塞内的小气泡和液相以相同的速度运动，并且都是以混合物速度运动； ( 2 ) 液膜内不含小气泡，气泡中也不含小液滴； ( 3 ) 液塞前锋拾液量和尾部脱液量相等，即液塞长度保持不变。 1 、模型i 根据液塞单元的液相质量守衡 v s l h = v s hl s l s + v f h v l b q - 1 q 式中： 液相折算速度；k 液塞速度； 吩液膜速度；广液塞含液率； 三，液膜含液率；液塞单元长度； 三广液塞长度：6 气泡长度。 根据物料的守衡，对于液相： ( v t - - v s ) 凡= ( _ 一_ ) ( 2 1 5 ) 1 9 第二章段塞流的形成及其特性参数 式中：矿广平移速度。 对于气相： p ，一v s ) ( 1 - h 厶) = ( v ，一1 ，6 ) ( 1 一h 矽) ( 2 1 6 ) 式中：咯气泡速度。 由于液膜高度均匀一致，液膜区可以看作分层流。因此，对于水平管段塞流，液膜 区的动量方程为 f 毗卺一一t s ( 去+ 去1 = 。 c 2 - 7 ， 式中： f 记液相与壁面的剪切应力；f 愕气相与壁面的剪切应力； f ，气液界面剪切应力；既液相湿周； & 气相湿周； s ，气液界面湿周； 以液相截面积； a g 气相截面积； 2 、模型i i 如图2 5 所示。z = 0 时，液膜含液率等于液塞含液率，液膜速度等于液塞速度；在 液膜区内随z 值的增大，液膜含液率和液膜速度减小；当z 为某一值时，随z 值的增 大液膜含液率和液膜速度保持不变，该点称为平衡点，平衡点同所有边界一样以平移速 度运动。 图2 - 5 平衡点位置 f i 9 2 - 5 p o s i t i o no f t h ee q u i l i b r i u mp o i n t 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 v f e 平赢r 亍 ( a ) ( b ) 图2 - 6 包含平衡点在内的液膜控制体 f i 9 2 - 6 c o n t r o lv o l u m eo f t h ef i l ma r o u n dt h ee q u i l i b r i u mp o i n t 在液膜区内确定一个包含平衡点在内的控制体，如图2 - 6 ( a ) 所示，控制体内的液相 质量保持不变。整个控制体沿流动方向移动，出时间，断面1 从i i 移至i 一i ，移动 的距离为v f e d t ，断面2 从一移至i i - i i ，平衡点沿流动方向的位移为v ：d t ，如图2 - 6 ( b ) 所示。 将t 和t + d t 时间两个控制体相应于平衡点叠加i 如图2 - 6 ( c ) 所示。双阴影部分的动 量保持不变，控制体的动量改变量等于两个单阴影部分动量之差，即 d ( 聊v ) = 彳，p 4 ( 少( 1 ) d i 一v 夕n v l e ) d t 】 由于两个单阴影部分体积相等 ( ，) d ，缍( v ，- v f e ) d t 因此 2 1 第二章段塞流的形成及其特性参数 d ( 掰0 = a p p 。( _ 一) ( _ ( z ) 一) d ， 对于水平管段塞流，忽略微元管段e 液膜的应力损失，则流动方向上作用于液膜上 的力有壁面剪切力和界面剪切力，冲量之和 ，d t = ( f 。a 。一f ，a ，) d t 根据牛顿第二定律，作用于控制体内流体上所有力和冲量之和等于控制体内流体的 动量改变量，则 f 儿a 儿- - t j a ，= a p p 。( v ，- v f e ) ( v 必) 一) ( 2 - 1 8 ) 式中： 以管截面积；如液相与管壁的接触面积； 彳j 气液截面积；h 蜘平衡液膜含液率； 平衡液膜速度；_ ( ，) 距平衡点- 处的液膜速度。 见液相密度。 2 4 2 段塞流特性参数的计算 段塞流特性的参数有很多，基本上可以分为两大类： ( 1 ) 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； ( 2 ) 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。 液塞区特性参数计算： 由于液塞前锋的拾液和尾部的脱液，液塞前锋的运动速度比液塞体内流体的运动速 度快，称其为平移速度。1 9 7 5 年，d u k l c r 和h u b b a r d 提出了一个计算平移速度的模型， 即 1 ，= v s ( 1 + c ) ( 2 1 9 ) 其中 2 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c = 0 0 2 1 1 n ( r e s ) + 0 0 2 2 式中：r e s 液塞雷诺数； 。& 气相密度； 胞液相粘度； 以气相粘度。 1 、液塞含液率和液塞长度的计算往往是由经验关系式确定。 液塞含液率的确定主要有以下两种方法： ( 1 ) g r e g o r y ( 1 9 7 8 ) 经验关系式 玩2 可杀矿 陆2 。) 式中混合物速度的单位为米秒。 ( 2 ) b r i l l ( 1 9 8 1 ) 经验关系式 乩= 1 o - o 0 1 e x p 【口+ 6 l n k + c1 n v 蹭) 2 】( 2 - 2 1 ) 其中： a = - 0 5 2 7 2 8 + 0 4 38 3 9 v s z ； b = 2 0 1 4 51 一o 17 8 7 8 v s l c = 一0 2 0 2 7 1 + 0 0 1 8 1 9 v s l 式中所有速度单位为英尺秒。 2 、平均液塞长度的确定主要有以下三种方法： ( 1 ) b r i l l ( 1 9 8 1 ) 经验关系式 l n ( 丘) = 乏6 6 3 + 5 4 4 1 ( 1 nd ) 0 5 + o 0 5 9 ( 1 n1 ，。) ( 2 - 2 2 ) 式中混合物速度的单位为英尺秒，管径的单位为英寸，平均液塞长度的单位为英尺。 ( 2 ) n o r r i s ( 1 9 8 2 ) 经验关系式 l n ( 丘) = _ 2 0 9 9 “8 5 9 ( 1 n 功0 5 ( 2 - 2 3 ) 式中管径的单位为英寸，平均液寨长度的单位为英尺。 第二章段塞流的形成及其特性参数 ( 3 ) s c o t t ( 1 9 8 7 ) 经验关系式 l n ( 云) - 一2 5 4 14 4 + 2 8 4 9 4 8 ( 1 n 功0 1 ( 2 - 2 4 ) 3 、最大液塞长度的确定主要有两种方法： ( 1 ) n o r r i s ( 1 9 8 2 ) 经验关系式 三一1 5 4 + i n 1 ( 2 ) 假设液塞长度按对数正态分布，最大液塞长度出现的概率为0 0 0 1 ，则 三s m 觚= e 冲3 0 8 0 r + i n l s l ( 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 式中盯为液塞长度标准偏差，盯= o 4 0 6 ，当盯= o 。5 时式( 3 - 2 5 ) 和式( 3 2 6 ) 完全相同。 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章液塞捕集器的设计 3 1 管式液塞捕集器的设计原则 管式液塞捕集器主要用于海底天然气凝析液长距离混输管路的陆上终端，而这类管 路常常在清管工况下才会出现最大段塞。因此，其工艺计算原则上应考虑两方面因素， 即：来流不管处于什么流型，在管束分离段内应转变为分层流型，这