水平分支型集输管汇偏流程度数值模拟研究*

陈海宏 李清平 姚海元

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028; 2. 天然气水合物国家重点实验室 北京 100028)

管汇作为油气田集输工艺系统中的关键设备，起着前部流体收集和后部流体分配的双重作用。在海上油气田集输工艺系统中，管汇主要用于收集各井口采出物，并将其输送至下一级油气处理设施。部分油气田(如荔湾3-1气田、陵水17-2气田)的下一级油气处理设施由两台并联的气液分离器组成[1]。管汇将气液混合物分配至并列的分离器时，经常出现流量分配不均的现象，造成气液分离系统无法高效运行，影响了集输工艺系统运行的安全性与经济性[2-3]。管汇内流体在分流处进行流量分配时，气相、液相流量分配不均匀的现象称为“偏流”。单相流管汇偏流的主要原因为各分支管内压力分布情况不一致[4-7]以及惯性力的作用和湍流的影响[8]等。与单相流管汇偏流原因相比，气液两相流管汇偏流原因还包括两相流流型的影响、气液两相惯性力的差异、拖曳力的影响等[9-11]。决定管汇偏流程度高低的因素有几何因素、运行参数和流体物性等[12-18]。几何因素包括分支管数目、分支管间距和分流结构等，运行参数包括气相折算速度、液相折算速度和气液比等，流体物性主要是指液相黏度。管汇内用于流体流量分配的主要元件为T型三通管。根据T型三通管的结构不同，可将管汇分为分流型管汇和分支型管汇(图1)。对于分流型管汇，由于分流结构的特殊性，无论是单相流还是气液两相流都会不可避免地会出现偏流现象，其主要原因为惯性力的影响[3]。当气相折算速度较低时，在拖曳力的作用下，气液两相流分流型管汇内各出口管路不仅气液混合物总流量不一致，而且气液比也不相同，即偏流时伴随着相分离现象。对于分支型管汇，如果管汇几何结构完全对称并且各分支管出口压力相同，那么理论上主管内流体到达分流处后，气相和液相都将均匀地分配至各分支管。然而，实际生产中分支型集输管汇却经常出现分支管流量分配不均的现象。本文以水平分支型集输管汇为研究对象，选用FLUENT作为模拟软件分析了管汇入口来流气相折算速度、液相折算速度对水平双出口与四出口管汇偏流程度的影响规律，并深入开展了水平双出口管汇偏流敏感性分析，获得了分别考虑分支管出口压力不相等、分支管长度不相等、分支管管径不相等时管汇偏流程度随来流气相、液相折算速度的变化规律，从而为合理控制集输管汇的偏流程度提供了参考依据。

图1 分流型管汇与分支型管汇示意图

1 管汇几何结构及数值模拟仿真模型

1.1 管汇几何结构

结合实际生产中常见的分支型管汇几何尺寸，本文所研究的水平四出口、水平双出口分支型管汇几何结构如图2所示，每段管路的内径均为0.25 m、长度均为6 m。

图2 水平分支型管汇几何模型

1.2 FLUENT仿真模型

选用Mixture模型描述管汇内气液两相流流动过程，选用标准k-ε湍流模型描述湍流状态。管汇入口采用速度控制模式，各出口均采用压力控制模式。

1.2.1Mixture模型

本文研究的管汇尺寸较小，流体在管汇内流动时温度变化较小，故不涉及相态转变过程，即可以不考虑能量方程，因此仅需考虑连续性方程和动量方程。

1) 连续性方程。

(1)

式(1)中：ρm为气液混合物的密度，kg/m3；vm为气液混合物的流速，m/s。

2) 动量方程。

(2)

式(2)中:p为压力，Pa；μm为气液混合物动力黏度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2；F为体积力，N；αn为混合物中第n相体积分数；ρn为气液混合物中第n相的密度，kg/m3；vdr,n表示混合物中第n相的漂移速度，m/s；N为混合物中相的总数。

1.2.2湍流模型

Gk+Gb-ρmε-YM+Sk

(3)

(4)

式(3)、(4)中:k为湍动能，m2/s2；xi为i方向位移，m；ui为混合物在i方向上的速度分量，m/s；μ为混合物黏度，Pa·s；μt为湍动黏度，Pa·s；ε为湍流耗散率，m2/s3；σk、σε分别为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数；Gk为平均速度梯度引起的湍动能项，kg·m·s-3；Gb为浮力引起的湍动能项，kg·m·s-3；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，kg·m·s-3；Sk、Sε为源项，kg·m·s-3；C1、C2、C3为无量纲常数，分别取1.44、1.92、0.09。

2 水平分支型管汇偏流数值模拟分析

2.1 不同分支型管汇偏流分析

1) 水平四出口分支型管汇。

选取空气-水为流动介质，利用FLUENT软件模拟水平四出口分支型管汇内气液两相流流量分配规律。结果表明，当各分支管出口压力相同时，所有工况下管汇均出现偏流现象。以当气相折算速度Vsg=4 m/s、液相折算速度Vsl=0.06 m/s工况为例，水平四出口分支型管汇内流体速度分布情况如图3所示。1#、2#、3#、4#分支管出口流体质量流量比为1.5∶1.0∶1.0∶1.5，该模拟结果与文献[11]的实验结果较为接近。1#和4#分支管流量相同，2#和3#分支管流量相同，表明彼此对称的分支管内流体流量相同。1#和4#分支管流量高于2#和3#分支管流量主要是因为惯性力的作用下流体到达2#、3#分支管时倾向于沿着来流方向继续向前流动。

图3 Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s时，水平四出口分支型管汇内流体速度分布云图

2) 水平双出口分支型管汇。

选取某天然气凝析液为流动介质，含水率为50%，设定不同的气相折算速度Vsg与液相折算速度Vsl，利用FLUENT软件模拟水平双出口分支型管汇内气液两相流流量分配规律。结果表明，当2个分支管出口压力相同时，所有工况下水平双出口分支型管汇均不会出现偏流现象。当Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s时，水平双出口分支型管汇内流体速度分布情况如图4所示。2个分支管内速度分布情况完全一致，说明管汇流量均匀分配。然而，实际生

图4 Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s时，水平双出口分支型管汇内流体速度分布云图

产中水平双出口分支型管汇却经常出现偏流，其根本原因在于流体在各分支管内流动时产生的压降不一致。而导致各分支管压降不一致的可能原因有：管汇实际运行时，未能保证各分支管出口压力完全一致；管汇并非严格对称设计，例如分支管长度存在偏差；管汇长时间运行，蜡沉积、水合物以及固体杂质等物质堵塞管道，造成引出管当量管径减小。

2.2 水平双出口分支型管汇偏流敏感性分析

1) 分支管出口压力不同。

将2个分支管出口压力设为不同值，使流体通过2个分支管产生的压降相对偏差δP为10%，模拟确定各工况下水平分支型管汇偏流指数分布规律，如图5所示。所有测试工况下水平分支型管汇流量分配时均未出现相分离现象，即流量分配后各分支管内气液比均相同，因此，图5只展示了水平分支型管汇总体偏流指数(总体偏流指数=max(Q1,Q2)/min(Q1,Q2)，Q1、Q2表示2个分支管出口混合物的质量流量)。从图中可以看出，保持管汇来流气相折算速度不变，随着液相折算速度的增加，管汇总体偏流指数逐渐升高；保持管汇来流液相折算速度不变，随着气相折算速度的增加，管汇总体偏流指数逐渐降低。

图5 不同气速工况下水平双出口分支型管汇偏流指数分布规律(δP=10%)

基于上述模拟结果可知，提高管汇来流气相折算速度或降低来流液相折算速度有助于降低管汇偏流程度。当δP=10%时，水平双出口分支型管汇总体偏流指数随气液比的变化规律如图6所示。图中红色虚线为管汇偏流程度的分界线，若总体偏流指数均小于1.05，则认为管汇出现轻度偏流，其偏流程度在可接受范围内；否则认为管汇出现严重偏流。从图6可以发现，当管汇来流气液比大于50时，管汇偏流指数均小于1.05；当气液比小于50时，管汇偏流指数均大于1.05。可见，当气液两相流通过2个分支管的压降相对偏差恒定时，存在着决定管汇偏流严重程度的临界气液比。若来流气液比大于该临界值，管汇偏流程度一般在可接受范围内。因此，实际生产中可以选取临界气液比作为参考，以调节来流气液比的方式控制水平双出口分支型管汇偏流程度对各出口压力偏差的敏感度。对于不同尺寸的管汇，需要通过数值模拟和实验进一步确定临界气液比。

图6 水平双出口分支型管汇总体偏流指数随气液比的变化规律(δP=10%)

2) 分支管长度不一致。

将2个分支管的长度分别设定为6.0 m与5.4 m，相应的分支管长度相对偏差δL为10%，保持2个分支管出口压力相同，利用FLUENT模拟各工况下水平双出口分支型管汇流量分配规律，模拟结果如图7所示。当δL=10%时，保持2个分支管出口压力相同，各工况下水平分支型管汇偏流指数均小于1.01，管汇偏流程度可以忽略不计。因此，各分支管长度出现轻微偏差并不会导致水平双出口分支型管汇出现严重偏流。

图7 不同来流速度下水平双出口分支型管汇总体偏流指数分布规律(δL=10%)

3) 分支管管径不一致。

将2个分支管的管径分别设定为0.250 m与0.225 m，相应的分支管管径相对偏差δD为10%，利用FLUENT软件模拟各工况下水平双出口分支型管汇流量分配规律，模拟结果如图8所示。当δD=10%时，在各个模拟工况下，水平双出口分支型管汇总体偏流指数均大于1.05，其变化范围为1.06～1.08，均属于严重偏流。可见，各分支管管径的偏差对水平双出口分支型管汇偏流的影响不可忽略。水平双出口分支型管汇总体偏流指数随来流气液比的变化规律如图9所示。保持气相折算速度不变，随着来流气液比增加，管汇偏流指数逐渐升高。因此，对于长时间运行的油气集输管汇，如果发现管汇出现偏流，首先可以考虑调节来流气液比来控制偏流。如果控制效果不佳，则需要进行清管处理，进而消除2个分支管的当量管径偏差对偏流的影响。

图8 不同来流速度下水平双出口分支型管汇总体偏流指数分布规律(δD=10%)

图9 水平双出口分支型管汇偏流指数随来流气液比的变化规律(δD=10%)

3 结论及建议

1) 如果管汇几何结构对称且各分支管出口压力相同，水平双出口分支型管汇不会出现偏流现象。然而，对于水平四出口分支型管汇，即使各分支管出口压力相同，管汇也会出现偏流。

2) 2个分支管长度存在较小偏差对水平双出口分支型管汇偏流的影响可以忽略不计；水平双出口分支型管汇出现偏流的主要原因是各分支管出口压力未能保持一致、各分支管管径的偏差；当分支管出口压力偏差恒定时，存在着决定水平双出口分支型管汇偏流严重程度的临界气液比；若来流气液比大于该临界值，管汇偏流程度在可接受范围内。

3) 为降低分支管管径偏差对水平双出口分支型管汇偏流的影响，建议首先考虑调节来流气液比，其次考虑清管处理，进而消除2个分支管的当量管径偏差对偏流的影响。