应用Ω型管调整气液分层流动特性实验研究

邢兰昌蒋亚莉华陈权耿艳峰

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东青岛266580)

应用Ω型管调整气液分层流动特性实验研究

邢兰昌,蒋亚莉,华陈权,耿艳峰

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东青岛266580)

为了开发抑制严重段塞流的被动式方法,利用所提出的新型流动调整装置—“Ω型管”在水平管内气液分层流条件下开展了实验研究,讨论了Ω型管结构参数对其流动调整作用的影响规律,分析了Ω型管流动调整作用的机理。研究表明,气液分层流流过Ω型管后,液相截面含率的波动强度增加且间歇性增强,具体表现为波动曲线的标准差增加、最大值增加、最小值降低、波动范围增加和波动周期增加;Ω型管能够将气液分层流调整为气液间歇流型,其流动调整能力随主弯管弯曲半径和基本单元个数的增加而增强,受基本单元之间距离的影响相对较小;Ω型管对气液分层流流动特性的调整作用机理可以归结为两个物理过程:液体阻塞和气体携带。研究结果为进一步优化设计Ω型管以及将其应用于立管系统以抑制严重段塞流奠定了基础。

气液两相流; 流动调整; Ω型管; 严重段塞流; 实验研究

在油气田开发的初期和末期油气产量较低时,严重段塞流经常在集输管线立管系统中形成[1-2]。严重段塞流对整个油气生产系统的安全性和稳定性构成了极大威胁,严重段塞流的控制是深水石油开采输送领域急需解决的流动安全保障问题之一。形成严重段塞流有三个必要条件[1,3]:(a)立管上游管线内为气液分层流;(b)立管底部气相压力的增加速率小于立管内液柱所产生静压力的增加速率;(c)沿立管的压力降随入口气相流量的增加而减小。控制或抑制严重段塞流,即把严重段塞流转化为其他流型,可通过消除以上必要条件来实现。依据是否需要系统外部资源的注入,严重段塞流的抑制方法可分为两大类[4-6]:主动式和被动式。主动式方法的实施需要外部资源,通常导致系统的结构和运行机制较复杂[7-12];被动式方法无需外部资源,通常采用系统自身结构改造的形式[13-15]。

被动式方法中的流动调整法是指在立管上游的管线内安装流动调整装置将气液分层流转变为其他流型,以消除严重段塞流形成的必要条件(a)。A. R.Almeida等[13]提出了文丘里管的流动调整装置,该装置对气液两相流产生混合作用并把分层流转换成其他流型,但是其“缩颈”段给管线的清管操作带来困难。T.Makogan等[14]提出重丘型装置以将严重段塞流的长液塞截断成为一系列短液塞,但是流体流动方向急剧变化会对重丘型装置产生较大的冲击,易使装置产生机械损伤。

本研究前期提出了一种新型流动调整装置—“Ω型管”,并针对Ω型管的几何结构优化设计开展了数值模拟研究[15],在此基础上确定了用于开展室内模拟实验的Ω型管的结构参数。本文应用所设计的Ω型管开展了水平管内气液两相分层流条件下的模拟实验,讨论了Ω型管的结构参数对其流动调整作用的影响规律,分析了Ω型管流动调整作用的机理,为Ω型管的优化设计和在严重段塞流中的应用奠定了基础。

1 实验部分

1.1 Ω型管的结构组成

图1为Ω型管的基本单元,从1至5分别为前直管段、前弯头、180°主弯管、后弯头和后直管段。D为管径;幅度A为管道轴线和主弯管轴线之间距离;R为主弯管弯曲半径;Li为第i个基本单元的长度。

图1 Ω型管的基本单元Fig.1 A basic unit of theΩ-shaped pipe

Ω型管可由一个或多个基本单元组成,图2所示为实验中所采用的包含两个基本单元的Ω型管,基本单元之间距离(前一基本单元主弯管出口轴线与后一基本单元主弯管入口轴线之间的距离)为d,前后法兰之间距离为Ω型管的总长度L。为了便于对管内气液两相流动状态进行观察和录像,采用透明的有机玻璃材料对Ω型管进行了加工制作。

图2 两个基本单元组成的Ω型管Fig.2 TheΩ-shaped pipe with two basic units

1.2 实验系统

本实验在天津大学油气水多相流实验装置上完成,实验装置的详细介绍参见文献[16]。本实验所采用的气相和液相实验介质分别为空气和水。其中液相由离心泵从水罐泵出至高32 m的水塔,通过在水塔顶部形成溢流达到稳定液相压力的目的,液相流出水塔后进入计量管排;气相动力源为空气压缩机,经稳压和干燥后进入计量管排。气液两相经混合器混合后进入流型发展管段和测试管段,经过测试管段的气液两相流进入分离罐实现两相分离,水流回到水罐以循环使用。

流型发展管段和测试管段为水平环状实验管道,总长约15 m,内径50 mm。所测试的Ω型管安装于测试管段,如图3所示。Ω型管的上游和下游均安装电导环传感器以实时测量液相截面含率[17]。

图3 测试管段Ω型管和电导环传感器的安装示意图Fig.3 Schematic of installation of theΩ-shaped pipe and conductivity ring sensors in the testing section

1.3 实验方法

实验中流型条件:Ω型管入口处为气液两相分层流型。依据泰特尔流型图,在分层流区域选择了30个实验点进行了测试,实验矩阵如图4所示。气相和液相的折算速度范围分别为0.1～0.7 m/s和0.01～0.30 m/s。

图4 实验矩阵图Fig.4 Chart of the experimental matrix

实验过程中首先固定液相流量,通过改变气相流量实现实验矩阵中每一行实验点的测试,然后改变液相流量,完成对所有实验点的测试。所采集的数据主要包括:气相和液相的流量、气路和液路的压力和温度、气液两相混合后的压力和温度、Ω型管上游和下游的液相截面含率、Ω型管内流动过程的视频图像。

为了考察Ω型管的结构参数对其流动调整作用的影响规律,实验中测试了如表1所列三组Ω型管。

表1 实验中测试的Ω型管的结构参数Table 1 Geometrical parameters of theΩ-shaped pipes tested in the experiments

2 结果与讨论

通过对Ω型管上游和下游液相截面含率变化曲线的分析,并与Ω型管内气液两相流动过程视频图像相结合,着重讨论了不同流动条件下Ω型管对气液两相流动特性的调整作用及其结构参数的影响规律,进一步分析了Ω型管流动调整作用的机理。

2.1 主弯管弯曲半径的影响

实验中测试了不同主弯管弯曲半径/管径比(R/D=3、4、5和8)的Ω型管。实验数据表明,Ω型管下游液相截面含率变化曲线波动剧烈,考虑到如把R/D=3、4、5和8四种条件下的液相截面含率变化曲线同时展示,将无法观察出各自的变化规律,因此下文以R/D=4和8两种情况为例进行分析讨论(若分析R/D=3和5的情况,也可得到相同的结论)。图5所示为气相和液相折算速度分别为0.25 m/s和0.03 m/s,R/D=4和8时Ω型管上游和下游的液相截面含率的变化曲线。

由图5可知,Ω型管上游液相截面含率围绕平均值0.83在小范围内波动,曲线波动的标准差为0.04,Ω型管下游液相截面含率围绕平均值上下波动,但是其平均值和标准差相对于上游均发生了变化,其平均值分别降低至0.74(R/D=4)和0.71(R/D=8),标准差分别上升至0.06(R/D=4)和0.10 (R/D=8);R/D=8时相含率最大值大于R/D=4时,最小值小于R/D=4时,即波动范围有所增加;R/D=8时相含率的波动周期大于R/D=4时。

图5 不同的主弯管弯曲半径/管径比的Ω型管上下游液相截面含率的变化图(R/D=4和8)Fig.5 Variations of liquid holdups upstream and downstream of theΩ-shaped pipes with different ratios of the radius of the main bent to the pipe diameter(R/D=4 and 8)

Ω型管上游液相截面含率平均值高于下游,原因在于气液两相流流过Ω型管时液体在Ω型管向上流动段底部累积,部分气体先于液体通过主弯管,从而使得上游液相截面含率增高。

Ω型管下游液相截面含率的波动强度增加,表现在标准差增加、最大值增加、最小值降低、波动范围增加。在Ω型管的主弯管向上流动段底部累积的液塞间歇地被上游气体冲开,气体携带部分液体进入Ω型管的主弯管向下流动段,使得Ω型管下游的气液两相流动表现出间歇性。

当R/D增加时上述间歇性流动的周期性更加明显、周期也有所增加,可见增加Ω型管的主弯管弯曲半径使得其流动调整作用增强。

2.2 基本单元个数的影响

实验中测试了含有不同基本单元个数(N=1和2)的Ω型管。图6所示为气相和液相折算速度分别为0.41 m/s和0.02 m/s时Ω型管下游的液相截面含率的变化曲线。

由图6可知,Ω型管的基本单元个数增加时,下游液相含率曲线随时间波动更加剧烈,主要表现在标准差增加和最小值降低,标准差由N=1时的0.07增加至N=2时的0.10,最小值由0.47降低至0.31;Ω型管的基本单元个数增加时,下游液相截面含率的波动周期明显增大。

图6 基本单元个数不同的Ω型管下游液相截面含率的变化图(N=1和2)Fig.6 Variations of liquid holdups downstream of theΩ-shaped pipes with different counts of the main bent(N=1 and 2)

由以上对主弯管弯曲半径影响的分析可知,当Ω型管含有1个基本单元时,下游液相截面含率的最大值即可达到0.95以上(甚至1),即Ω型管下游已经出现了高液相含率的液塞。当Ω型管的基本单元个数大于1时,其对两相流动特性的影响主要表现在间歇性方面(波动周期增加),即经过若干个基本单元的调整作用后,气液分层流型转变为更加显著且稳定的间歇流型。

2.3 基本单元之间距离的影响

实验中测试了当Ω型管含有2个基本单元时,基本单元之间的距离(d/D=2、4和6)的影响。图7所示为气相和液相折算速度分别为0.42 m/s和0.03 m/s时Ω型管下游的液相截面含率的变化曲线。

图7 基本单元之间的距离/管径比不同的Ω型管下游液相截面含率的变化图(d/D=2、4和6)Fig.7 Variations of liquid holdups downstream of theΩ-shaped pipes with different ratios of the distance between two adjacent main bents to the pipe diameter (d/D=2,4 and 6)

由图7可知,基本单元之间距离的变化对下游液相截面含率的波动影响不显著,当d/D由2增加至6时,下游液相截面含率波动曲线的标准差由0.09分别增加至0.11和0.11,液相截面含率的最小值有所降低,因此其波动范围随d/D的增加而稍微增加。

2.4 流动调整作用机理

通过讨论Ω型管的结构参数对其流动调整作用的影响规律,并结合实验过程中所记录的视频图像进行分析,将Ω型管对气液两相分层流流动特性的调整作用机理归结为两个物理过程:液体阻塞和气体携带。Ω型管流动调整作用的实施主要依赖于主弯管结构参数,而基本单元之间距离的影响相对较小。

具体分析如下:

(a)液体阻塞:在Ω型管的基本单元主弯管入口处,由于液体流速较低且密度较大,液体在入口处出现一定程度的累积并趋向于堵塞入口,从而对气体的流动产生阻碍作用。

(b)气体携带:气体流速较大具有较高的动能,从而间歇地冲破液体的阻挡而进入主弯管中,同时也携带部分液体进入主弯管,此部分被携带的液体一部分回落,另一部分被继续携带到主弯管的向下流动段中,进而流出主弯管进入下游。

3 结论与展望

为了开发抑制严重段塞流的被动式方法,利用所提出的新型流动调整装置—“Ω型管”,在水平管内气液分层流条件下开展了室内模拟实验研究,讨论了Ω型管的结构参数对其流动调整作用的影响规律,分析了Ω型管流动调整作用的机理。

(1)气液两相分层流流过Ω型管后,液相截面含率的波动强度增加且间歇性增强,具体表现在波动曲线的标准差增加、最大值增加、最小值降低、波动范围增加和波动周期增加。

(2)Ω型管能够将气液两相分层流调整为气液间歇流型,其流动调整能力随主弯管弯曲半径和基本单元个数的增加而增强,受基本单元之间距离的影响相对较小。

(3)Ω型管对气液两相分层流流动特性的调整作用机理可以归结为两个物理过程:液体阻塞和气体携带。

下一步将依照实验室内立管系统的结构和尺寸对Ω型管的结构参数进行优化设计,并将Ω型管安装于立管底部上游的管道中,采用物理模拟实验和数值模拟的手段研究基于Ω型管气液两相流动调整机理的严重段塞流抑制方法。

[1] Schmidt Z,Doty D R,Dutta R K.Severe slugging in offshore pipeline riser-pipe systems[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1985,25(1):27-38.

[2] Taitel Y,Simkhis M,Tevelev A,et al.Transient gas liquid flow in hilly terrain pipelines[J].International Journal of Multiphase Flow,2016,86:21-27.

[3] Taitel Y.Stability of severe slugging[J].International Journal of Multiphase Flow,1986,12:203-217.

[4] Xing L,Yeung H,Shen J,et al.A new flow conditioner for mitigatingsevere slugging in pipeline/riser system[J]. International Journal of Multiphase Flow,2013,51:65-72.

[5] Pedersen S,Durdevic P,Yang Z.Challenges in slug modeling and control for offshore oil and gas productions:A review study[J].International Journal of Multiphase Flow,2017,88:270-284.

[6] 张爱娟,唱永磊.强烈段塞流抑制措施模拟研究[J].石油化工高等学校学报,2016,29(3):92-96. Zhang Aijuan,Chang Yonglei.The simulation study on control technology of severe slugging[J].Journal of Petrochemical Universities,2016,29(3):92-96.

[7] 吕宇玲,何利民,牛殿国,等.自控泵吸法消除强烈段塞流[J].化工学报,2011,62(7):1846-1851. LüYuling,He Limin,Niu Dianguo,et al.Auto-pumping method for severe slugging elimination[J].CIESC Journal, 2011,62(7):1846-1851.

[8] 邱伟伟,宫敬.分流法消除严重段塞流实验研究[J].科学技术与工程,2015,15(1):135-138 Qiu Weiwei,Gong Jing.Elimination experiment of severe slugging in the riser[J].Science Technology and Engineering, 2015,15(1):135-138.

[9] 李东,吴玉国,潘振,等.气举法消除严重段塞流的模拟分析研究[J].石油化工高等学校学报,2016,29(3):87-91. Li Dong,Wu Yuguo,Pan Zhen,et al.Simulation analysis of the gas-lift to eliminate severe slugging[J].Journal of Petrochemical Universities,2016,29(3):87-91.

[10] Storkaas E.Stabilizing control and controllability:Control solutions to avoid slug flow in pipeline-riser systems[D]. Norway:Norwegian University of Science and Technology,2005.

[11] Ogazi A I.Multiphase severe slug flow control[D].UK:Cranfield University,2011.

[12] 周宏亮,郭烈锦,闫翰,等.集输立管内流型分类及流型控制实验研究[J].工程热物理学报,2016,37(3):562-566. Zhou Hongliang,Guo Liejin,Yan Han,et al.Experimental study of flow pattern classification and severe slugging control in a pipeline-riser system[J].Journal of Engineering Thermophysics,2016,37(3):562-566.

[13] Almeida A R,Goncalves M A L.Venturi for severeslugging elimination[C].Proceedings of the 9th International Conference on Multiphase Production,BHRg.Cannes,France:[s.n.],1999:149-158.

[14] Makogan T,Estange D,Sarica C.A new passive technique for severe slugging attenuation[C].Proceedings of the 15th International Conference on Multiphase Production Technology,BHRg.Cannes,France:[s.n.],2011:385-396.

[15] 蒋亚莉,邢兰昌,华陈权,等.Ω型管段对气液分层流流动调整作用的数值模拟研究[C].中国工程热物理学会多相流学术年会.南京:中国工程热物理学会,2015,156061.

[16] Tan C,Li P,Dai W,et al.Characterization of oil-water two-phase pipe flow with a combined conductivity/capacitance sensor and wavelet analysis[J].Chemical Engineering Science,2015,134:153-168.

[17] Wu H,Tan C,Dong X,et al.Design of a conductance and capacitance combination sensor for water holdup measurement in oil-water two-phase flow[J].Flow Measurement and Instrumentation,2015,46:218-229.

(编辑 王亚新)

Experimental Study on Conditioning Gas-Liquid Stratified Flow Characteristics with a New Flow ConditionerΩ-Shaped Pipe

Xing Lanchang,Jiang Yali,Hua Chenquan,Geng Yanfeng
(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao Shandong266580,China)

To develop a passive approach for mitigating severe slugging in pipeline-riser systems,a new flow conditioner,Ω-shaped pipe,had been proposed.TheΩ-shaped pipe was investigated experimentally under gas-liquid two-phase stratified flow conditions in a horizontal pipeline.The effects of the geometrical parameters ofΩ-shaped pipe on its flow conditioning capacity and the flow conditioning mechanism were discussed based on the experimental data.It has been demonstrated that:after the gas-liquid flow passes through theΩ-shaped pipe,the fluctuation intensity and intermittency of liquid holdup time traces increased with increasing of standard deviation,maximum value,fluctuation range,cycle time and decreasing of minimum value.The gas-liquid stratified flow regime can be converted into an intermittent flow regime byΩ-shaped pipe,the flow conditioning capacity of which becomes stronger with the increase of the radius and count of the main bent and the effect of the distance between two adjacent bents is minor.The flow conditioning mechanism of theΩ-shaped pipe can be attributed to two physical processes:liquid blocking and gas carrying-over.The outcome of this study provides a foundation for optimizing the design ofΩ-shaped pipes and applyingΩ-shaped pipes to mitigating severe slugging in pipeline-riser systems.

Gas-liquid two-phase flow;Flow conditioning;Ω-shaped pipe;Severe slugging;Experimental study

TE58;TE863;O359

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.016

1006-396X(2017)01-0082-05投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-10-06

:2016-10-19

国家自然科学基金项目(51306212);山东省自然科学基金项目(ZR2013EEQ033);青岛市自主创新计划项目(15-9-1-19-jch);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(16CX05021A)。

邢兰昌(1983-),男,博士,副教授,从事多相流流动、流动保障及测控技术研究;E-mail:xinglc@upc.edu.cn。