气液混输管道持液率计算及清管过程数值模拟研究

1、气液混输管道持液率计算及清管过程数值模拟研究清管是提高管道输送效率, 保障管道安全运行的重要手段。陆上起伏天然气输送管道由于其沿线地形参数复杂, 造成管内液相在低洼处聚集, 增加了清管作业的难度 ; 而海底气液混输管道则由于本身入口液相流量较高 , 且存在立管结构,造成清管器在管内运行时, 清管器运行参数及管内流体的流动参数均出现较大幅度的波动。因此 , 通过数值模拟的方法对陆上起伏天然气输送管道、海底气液混输管道的瞬态清管过程进行研究, 掌握清管过程中相关参数的变化行为 , 将有助于提高管道清管效率, 同时为高效安全地进行现场清管作业提供指导。针对上述问题 ,本文基于ACE算法、流体力学、传

2、热传质学以及数值求解方法等基础原理,采用实验、理论与数值模拟相结合的方法, 建立了气液两相流流型判别模型、持液率计算模型和压降计算模型, 同时 , 建立了分别适用于陆上起伏天然气输送管道与海底气液混输管道的瞬态清管模型, 并以此为基础, 对清管过程中的清管器运行参数、管内流体流动参数的变化行为展开研究。具体内容及取得的主要研究成果如下:(1) 基于已发表的气液两相流流型,将基础流型划分为分层流、泡状流、段塞流与环状流四类, 并结合流型实验数据,采用编程计算的方法对已有的流型判别模型进行对比评价, 根据评价结果, 建立了适用于不同倾角条件下管内两相流流型判别组合模型。(2)基于ACE算法理论和持

3、液率实验数据, 建立了综合考虑管径、 倾角、 气相折算速度、 液相折算速度、压力、 温度以及粘度等因素的两相流持液率计算模型, 通过对比验证得出 : 本文建立的持液率计算模型其计算结果精度较高；同时，采用Spearman相关系数对持液率的各个影响因素进行了综合排序 ; 最后 , 通过引入新建的持液率计算模型改进了原 Beggs-Brill 压降模型 , 并对模型进行了验证, 结果表明 : 改进后的Beggs-Brill 压降模型计算结果准确度更高。(3) 针对水平管道、倾斜管道以及垂直管道中清管器的运行特性以及清管器运行参数的影响因素进行了分析, 建立了考虑清管器自身重力影响的清管器运动模型

4、, 研究了清管器在管道不同倾角条件下的受力情况, 并对模型中的各个基础受力进行了详细的分析与计算, 为气液混输管道清管过程的瞬态数值模拟提供基础。 (4) 针对起伏管道的清管过程, 建立了考虑热力学参数的瞬态清管模型。根据管内流体及清管器在清管过程中的分布情况, 将管道重新划分为四个区域, 即: 上游两相流区、清管器、液塞区与下游两相流区,并对各个流动区域分别建立了对应的瞬态数学模型。 其中 , 对于液塞区 , 考虑到液塞体流型会随管道倾角发生改变 , 建立了上倾管道与水平/ 下倾管道的液塞区瞬态流动模型; 对于两相流区,则考虑了清管过程中热力参数的变化行为 , 基于质量守恒原理、 动量守恒原

5、理以及能量守恒原理的双流体模型建立了两相流瞬态流动模型, 同时建立了热力学平衡与非平衡状态下的气液相间的质量、动量以及能量传递数学模型。(5) 研究了两相流瞬态流动模型的数值求解方法, 以及清管器、液塞区与上、下游两相流间的耦合算法, 利用 Matlab 软件编制了瞬态清管模拟程序 , 并以此为基础 , 对比分析了不同工况下以及现场实际管道的清管过程, 验证结果表明 :1) 本文模型能够较好地描述清管过程中清管器运行参数、管内各节点参数的变化行为 ;2) 对于存在积液的输气管道, 本文模型计算得出的清管器平均运行速度与清管时间 , 其结果精度均高于现场计算得出的理论值;3) 针对不同液相流量条件下的清管参数进行了分析, 结果表明 : 液相流量对清管器的运行参数, 压力以及温度的影响较大。 (6) 建立了适用于海底气液混输管道的瞬态清管模型。海底气液混输管道的清管过程由于受到输送介质、 海管结构以及立管周边环境参数的影响 , 与陆上起伏管道的清管过程存在一定差异, 本文基于新建的起伏管道瞬态清管模型, 对原液塞区瞬态流动模型引入了苏霍夫温降公式 , 并通过耦合原清管器运动方程和两相流瞬态流动模型, 实现对海底气液混输管道清管过程中相关参数的模拟计算, 通过