矿场集输管路

1、矿场集输管路 油气集输Oil and Gas Gathering and Transportation第 七 章 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 管路的分类：按管路内流动介质的相数：单相、双相、多相管路按管路工作范围和性质：出油管、集油（气）管、输油（气）管按管路结构：简单管路、复杂管路（变径管、分支管） 油气集输Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 7.1 原油输送管路7.1.1 等

2、温输油管的计算（理想模型）1. 直管阻力损失： Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输水力摩阻系数：雷诺数：相对当量粗糙度: e：管壁绝对当量粗糙度 (0.1 mm)Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输按照雷诺数，将管路内的流体分成不同的流态区，并由此计算水力摩阻系数。为了简化

3、计算，将不同流态区的直管阻力损失与流量，粘度和管内径进行关联见P151，表3-1Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2. 局部阻力损失： 局部摩阻系数： 当量长度：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输3. 简单管路的计算连续性方程：摩擦系数计算式：能量守衡方程： Oil an

4、d Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输4. 复杂管路的计算 等径分配管汇的压降计算Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights

5、Reserved 油气集输异径集油管汇的压降计算 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.1.2 热油管路的工艺计算高凝、高粘原油采用加热方法，实现原油的输送。加热的目的：防止原油在管线中凝固，降低原油粘度，减少摩擦阻力。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输1. 热油管路的

6、轴向温降 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2. 热油管路的压降分段计算平均温度法计算压降平均温度： Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输当管路处于紊流光滑区时，摩擦阻力与粘度0.25次方成正比，管段长度可以取得长一点。当管路处于层流区时，摩擦阻力与粘度1次方成正比，管段长

7、度要取得短一点，一般每一段温度不大于5。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.1.3 含蜡原油管路的工艺计算1. 含蜡原油的流变特性不同温度下，蜡在原油中存在的形式：液体，固体。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输析蜡点：原油中析出的蜡晶开始对原油的粘温性能开始产生影响

8、的温度点。反常点：原油中析出的蜡晶，使原油的粘度不仅随温度变化而变化，而且随剪切速率变化而变化，即原油已从牛顿流体转变为非牛顿流体时的温度点。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输含蜡原油温度从高降到低时，由于原油中蜡晶的形态不同，原油流变性质发生明显变化，从牛顿流体 假塑性流体 屈服塑性流体。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油

9、加工所 All Rights Reserved 油气集输牛顿流体剪切应力: Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输非牛顿流体无时效非牛顿流体：在温度和剪切速率一定时，剪切应力不随剪切持续时间而变化：塑性流体；假塑性流体；膨胀性流体Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输有时效非牛顿

10、流体：在温度和剪切速率一定时，剪切应力随剪切持续时间而变化：随着剪切时间增加，剪切应力减小触变性流体；随着剪切时间增加，剪切应力增加反触变性流体Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输塑性流体：宾汉姆塑性体：只有当外加剪切应力大于极限剪切应力R0时，流体才开始流动。剪切应力:RB：动剪切应力B：塑性粘度Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学

11、石油加工所 All Rights Reserved 油气集输 表观粘度： Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输假塑性流体：剪切应力:表观粘度：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输屈服塑性流体：剪切应力 :Oil and Gas Gathering and Transporta

12、tion七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2.等温含蜡原油管路的工艺计算管流基本方程Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输管路压降计算公式：实测原油流变曲线 选用合适的流变方程，回归出流变方程中的参数 代入具体流变形态的管流方程，求出Rbi 计算出压降。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Co

13、pyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.1.4 输油管路计算中的各项参数1. 原油密度2.原油粘度3.原油比热4.热油管的总传热系数Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.1.5 输油管线中减阻剂的应用减阻剂：当流体中含有某些特定物质时，其在湍流状态下的摩擦阻力会大大降低，这种现象称为减阻，能够实现减阻的添加剂称为减阻剂。Oil and Gas Gathering and T

14、ransportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输具有超高分子量(M106 )的高柔性线型高分子：聚长链 一烯烃（如Conoco公司的CDR102油相减阻剂）优点：用量少1-10ppm，效果好。缺点：存在永久性的、不可逆的剪切降解 ；需要不断补充以维持其减阻效果 。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输表面活性剂类减阻剂是通过在流体中形成胶束而

15、实现减阻的，由于其分子体积很小，在高剪切力作用下不会断裂降解，而被高剪切力破坏了的胶束体系在剪切力减小后会重新恢复起来，即应力控制可逆性，因此，它们具有良好的抗剪切性能。但是，由于要形成可以实现减阻的胶束必须使表面活性剂的含量达到临界浓度，因此，表面活性剂的用量较大。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输缔合性高分子减阻剂聚两性电解质减阻剂NVP，这是一种乙烯基吡啶与苯乙烯及其磺酸盐的三元共聚物Oil and Gas Gathering

16、 and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输极性剂(甲醇)：由于发生分子内缔合现象，高分子链的伸展受到抑制而导致减阻率下降。加入极性剂有助于破坏这种分子内缔合，而使其减阻效果回升。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输分子间缔合性高分子减阻剂：由电子对的给予体(A)和接受体(R)混合构成：A：(甲基)丙烯酸长碳链酯(1218个

17、C)苯乙烯乙烯基吡啶的三元共聚物 油溶性聚胺R：(甲基)丙烯酸长碳链酯(甲基)丙烯酸(005O1mo|)共聚Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.2 输气管路的计算7.2.1 水平输气管路的基本方程气体沿管路流动时，随着压力下降，密度逐渐变小，气体流速增加。基本假定：1)气体在管路中作稳定流动，气体质量流量不变2) 气体在管路中的流动过程为等温过程Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿

18、场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输基本方程连续性方程： 摩擦系数计算式： 能量守衡方程： 气体状态方程： Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输由上述四个方程推出：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输

19、工程标准状态下的体积流量（101.325KPa，20）:Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输水力摩擦系数的计算：计算雷诺数Re 确定管路的流态 选用合适的计算公式 （P.159-160)Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输推荐公式：Oil and Gas Gathering

20、and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输：流态修正系数；0.961.0，粗糙区1.0。 ：管路接口垫环修正系数；无垫环1.0，垫环间距12M时，0.975，垫环间距6M时，0.95。E：输气管效率系数；实际输气量量与计算输气量之比；一般取0.90.95。：天然气对空气的相对密度 适用于水力光滑区、混合摩擦区、粗糙区。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Right

21、s Reserved 油气集输Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输适用于管径小于0.35m，气体净化程度较低的输气管Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输适用于大型长距离输气管。7.2.2 输气管的压力分布和平均压力1.任意一点处的压力： 靠近起点处单位长度上压力下降较慢，距起

22、点越远，压力降落越快。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2.平均压力：输气管沿线压力分布曲线与纵坐标（p），横坐标（x）轴所围成的面积除以管长。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输利用平均压力可以计算输气时的压缩因子Z和管中储气量。7.2.3输气管的温度分布和平均温度1.

23、任意一点处的温度： 输气管沿线温降要比输油管快的多，温降曲线较陡。 由于焦耳汤姆逊效应，输气管温度可以低于周围介质温度。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2.平均温度：输气管沿线温度分布曲线与纵坐标（T），横坐标（x）轴所围成的面积除以管长。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved

24、油气集输利用输气管沿线的温度分布，可以定平均温度，从而确定输气管水力计算参数T和Z，并判断输气管内是否产生水化物。 7.2.4 输气管路计算中的各项参数1. 天然气压缩因子2. 天然气粘度3. 天然气等压摩尔热容4. 焦耳汤姆逊效应系数Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.3 油气混输管路7.3.1 气液两相混输管路的流动参数1.流量：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路

25、Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2. 流速：气相流速：液相流速：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输气相表观流速：液相表观流速：气液两相混合物流速：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输3. 滑差和滑动比滑差：

26、滑动比：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输4. 含气率和含液率质量含气率：体积含气率：截面含气率 :Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输三者之间的关系：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 20

27、07华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输5. 两相混合物的密度流动密度：单位时间内流过截面的两相混合物的质量与体积之比。常用来计算气液混合物沿管路流动时的摩擦损失Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输真实密度：在一定长度的管段内，气液混合物质量与其体积之比。常用来计算气液混合物沿管路运动时的静压损失，既高度变化引起的附加压力损失。Oil and Gas Gathering and Transporta

28、tion七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输6. 摩擦压降的折算系数假定：水平管内气液两相沿管共流，其质量流量为G，在管长dl段上的压降为dp；压降梯度为dp/dl。在相同管路内，只有液相流动，其质量流量为G；压降梯度为（dp/dl）10。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输全液相折算系数：分液相折算系数：分气相折算系数：Oil and Gas Gath

29、ering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输引入折算系数的目的：通过实验方法求出折算系数； 两相管路摩擦压降梯度的问题 单相管路压降梯度相应折算系数Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.3.2 气液两相管流的特点和处理方法1.气液两相管流的特点：1)流型多变：（Alves流型划分法：气泡流、气团流、分层流、波浪流

30、、冲击流、不完全环状流、环状流、弥散流）2)存在相间能量损失3)流动不稳定Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2. 气液两相管流的处理方法：对各相分别列出流体力学的基本方程（质量守恒方程、能量守恒方程）；考虑两相间的相互作用Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输均相流模型：把气

31、液混合物看作一种均匀介质。基本假设： 1)气相和液相的速度相等; 2)气液两相介质达到热力学平衡状态，气液间无热量传递。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输分相流模型：把管内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动。首先确定截面含气率和截面含液率；然后把气相和液相都按单相管路处理，并考虑相互间的作用；最后将气液相方程加以合并。截面含气率和相间作用通过实验求的。Oil and Gas Gathering and Transportatio

32、n七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输基本假定：1)气液两相有各自的按所占流通面积计算的平均速度2)气液两相之间可能有质量交换，但介质达到热力学平衡状态，气液间无热量传递。 Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输流型模型：首先分清两相流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式。 Oil and Gas Gathering and Transp

33、ortation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.3.3 水平气液两相管流的压降计算1.均相流模型压降计算式我国常用算法：Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输C、n：流型参数：气液质量流量之比 g：工程标准状态下管路气体对空气的相对密度 Ra：空气的特性常数，287.0 J / KgK Oil and Gas Gathering and Trans

34、portation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输计算步骤：1. 计算Re数，确定流型2. 代入上式计算3. 分段计算Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输杜克勒算法：气液两相在管路内混合得非常均匀，把两相管路当作单相管路进行计算，计算时用气液混合物的各项参数取代单相流体的参数。 f ：两相混合物的密度Oil and Gas Gathering and

35、 Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2. 分相流模型压降计算式u R-M计算式：基本假定：气液两相间无相互作用。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输R-M参数： Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rig

36、hts Reserved 油气集输杜克勒算法：气液两相流速不同，相间存在滑脱。RL：体积含液率，管路气液体积流率求的HL：截面含液率，与Re数有关，需猜算。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输3. 流型模型压降计算式1）流型的划分 贝克流型图 蔓德汉流型图 布里尔流型图 泰特尔流型图Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 Al

37、l Rights Reserved 油气集输2）压降的计算 贝克压降计算考虑流型对压降的影响。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输7.3.4倾斜气液两相管流的压降计算1.管路起伏对两相管流的影响液相聚集在低处使气体流通面积减少，流速增加，造成较大的摩擦损失和滑脱损失。Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007华东理工大学石油加工所 All Rights Reserved 油气集输2. 弗莱尼根关系式 ：管路上坡段高度之总和。Fe：起伏系数Oil and Gas Gathering and Transportation七 矿场集输管路 Copyright 2007