多相混输工艺技术培训课件(共108页).ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*1多相混输工艺技术Multiphase Flow In Pipelinesn中国石油大学储建学院储运工程系n李玉星n2007年11月19日内 容l 根本概念l多相流的研究简况和难度 l多相混输管路的特点及处理方法l热物性及温降计算l流型判断l水力计算模型l段塞流计算l段塞流捕集器l多相流计量技术 1、基 本 概 念n持液率n滑脱滑动比n表观速度与真实速 度 n相间摩阻n流动密度n真实密度2、气液两相流的研究简况二十世纪三十年代 ，美假设干研究生的论文中开始出现“two-phase这一术语 43年俄国人Kosterin在发表的论文“水平管内两相介质流动结构研究中，首次采用“two-phase术语 66年有人统计，共收集到8000余篇有关两相流的论文，48-66年期间，有关气液两相流的文章以成倍的速度增加 油气两相混输的研究起步较晚，约在50年代初期美国的Martineli和俄国的Armand是两位最早对气液两相流进行系统研究的学者 70年代北海石油的开采对油气混输技术起极大的推动作用 3、研究深度划分u早期的研究中，大局部把气液两相的流速认为相等，即采用均相流模型、混合物密度按气液比例求得，并按单相流体求压降梯度。

如锅炉u分相流模型：Martineli ， Duckleru流型模型：Beggs-Brill, Eaton, Olimens, Xiao-Brill难 度n气液两相管路中所遇到的变量多，在某些流动型态下流动很不稳定，且难以识别n参数很难测准n 常遇到的某些变量有：1 气液流量2含气率3气液密度4管路倾角5流型6气液相粘度 (7)外表张力等假设上述 变量每相均取5个数据，那么需取59=200万次实验4、混输管路的特点 n流型变化多 n存在相间能量交换和能量损失 n存在传质现象 n流动不稳定 气液两相管路的处理方法 l均相流模型：均相流模型是把气液混合物看成为一种介质，因此可以把气液两相管路当成单相管路来处理l分相流模型：分相流模型把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动: Martineli ， Duckler l流型模型：首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式 :Beggs-Brill, Eaton, Olimens, Xiao-Brill5、热物性计算n黑油模型 n黑油模型 n凝析气模型n凝析油模型计算简单、编程方便、运算速度快等 n组分模型： 利用组分模型能够准确地模拟管道沿线随着温度和压力的变化气液相间的质量传递、凝析和反凝析、管段内气液相的组成以及管道内是否形成水合物等复杂问题。

黑油模型(Blackoil Model)n需在工程标准状态下的气、液相对密度、气油比、粘温关系和管路压力温度条件，计算以经验公式和图表为主n溶解气油比 Solution Gas/oil Ratio n油体积系数oil formation volume factor n粘度 ：油粘度、气粘度、油水混合粘度n溶气油的外表张力 n比热 n油水混合粘度:n未形成油水乳状液 :可以采用体积平均和API 14B12方法 n乳状液:n爱因斯坦Einstein公式n凡德(Vand)公式n理查森(Richardson)公式 n爱因斯坦公式适用于体积含水率值不大于0.2；其他公式用于体积含水率小于0.40 组分模型l根据混合物的组成计算压力温度变化时气液相的密度、粘度、外表张力、压缩因子等参数l前提条件：组成混合物的烃类和非烃类组分的摩尔百分数，除此之外不需要其他参数l一旦组成确定，流体性质确定状态方程(EOS) n利用状态方程作为模型 n利用液相逸度系数作为模型 nSRK方程 nPR方程 nBWRS方程 与热力学关系式结合，计算物性焓、气液相密度、熵、比热等温度计算及焓平衡方程 n温降计算：n焓平衡方程计算根底：能量守恒定律流型 流型测定方法简介l目测方法 l根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种关系，依此确定流型，Hewitt建议，按管路压力波动量和x射线被管路流体吸收的波动来确定流型。

此外，还可在管内放入探针，用探针与管壁间导电率的波动量来确定流型l根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度和流型，包括：x射线照相和多束射线密度计水平管中的流型 n埃尔乌斯流型划分法较好地说明了气液两相流动的流型变化特点埃尔乌斯把两相管路的流型分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、不完全环状流、环状流和弥散流等八种 不同学者具有不划分方法和依据经验流型图 1954年，Baker最早提出一幅水平两相流型图 1962年Govier和Omer提出了一幅流型图 1974年，Mandhane又提出了一幅流型图 布里尔流型图 它们大都根据小管径、低压条件下的实验数据绘制当应用于大口径、较高压力系统时存在着偏差； 不便于上机 纵横坐标不一致不便于比较 半理论方法得到的流型图 n76年Taitel和Dukler 模型n对低中粘度液体较适用，但对高粘度液体的偏差较大 n对间歇流和分散气泡流的判别准那么中，没有考虑外表张力的影响 n把 作为间歇流环雾流的分界线，偏高，与实验结果不符 nBarnea 流型划分法n各种流型模型水力计算方法提出的流型准化准那么倾斜管中的流型 n分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感n 管路向下倾斜时很容易产生分层流，上倾时那么易产生间歇流。

常利用下倾管气液易于别离的特点作两相流管道的终点设备如：别离器、管式液塞捕集器等 n管路倾角对分散气泡流/间歇流和间歇流/环雾流过渡的影响不大水力计算模型n分相流模型 nLockhart-Martinelli 压降计算法：该法适用于管径较小、气油比不高的油气混输管路 nDukler II 压降计算法 ：只适用于水平两相流管路，也没有考虑加速压降损失项 n流型模型 nBeggs & Brill 压降计算法 ：对持液率的计算结果偏大；在流型分界处持液率和水力摩阻系数的数值都不连续；只预测水平管线的流型，没有考虑管道倾斜对流型的影响，其使用范围还有一定的限制 nEaton压降计算法 nMukherjee & Brill压降计算法 nOliemans 压降计算法 nXiao-Brill模型 组合模型 模型及代码流型划分相关式持液率相关式摩阻压降 高程压降加速压降Dukler-Eaton-Flanigan(DEF)无EatonDuklerFlaniganEatonDuklerFlanigan(DF)无DuklerDuklerFlanign无Eaton-Flanigan(EF)无EatonEatonFlaniganEatonLockhart & Martinelli (LM)无LMLMDukler (DUKLER)无DUKLERDUKLEREaton (EATON)EATONEATIONEATONBeggs & Brill (BB)BBBBBBBBBBBeggs&Brill-Moody(BBM)BBBBBB with moodyFrictionBBBBBeggs&Brill-No Slip(BBNS)BBNO-SlipHoldupBB with moodyFrictionBB(No-slip)BBMukherjee&Brill-Eaton(MUBE)MBEaton*MBMBMBBeggs&Brill-Moody Dukler(BBMD)BBDukler*BB with moodyFrictionBBBBBeggs&Brill-Moody Eaton(BBME)BBEaton*BB with moodyFrictionBBBBOlimens(OLIM)无EatonOliemansOliemansOliemansBB moody-Hage-dorn&Brow(BBMHB)Hagedorn&BrownBBBB with moody frictionBBBBMukherjee&Brill (MB)MBMBMBMBMB段塞流抑制技术n段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，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段塞流形成机理n段塞流分类 n水动力段塞流(hydrodynamic slugging) n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，水动力段塞流又可细分为：普通稳态水力段塞流和由于气液流量变化诱发的瞬态段塞流，发生这种段塞流时一般气液流量较大;地形起伏诱发段塞流n地形起伏诱发段塞流 n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强烈段塞流(severe slugging) 段塞流形成机理n强烈段塞流(severe slugging) n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段塞流形成机理n水动力段塞流 段塞流形成机理n地形起伏诱发段塞流段塞流形成机理n强烈段塞流段塞流的抑制方法n n水动力和地形诱发段塞流的抑制水动力和地形诱发段塞流的抑制n n 在多相流管道设计中，可选择适宜的管径使管道处于非在多相流管道设计中，可选择适宜的管径使管道处于非段塞流工况下工作。

假设必须在段塞流下工作，由于水动段塞流工况下工作假设必须在段塞流下工作，由于水动力、地形起伏、以及陆上集油管线进入油气别离器时配有力、地形起伏、以及陆上集油管线进入油气别离器时配有立管高度较小引发的段塞流，其段塞长度和冲击强度立管高度较小引发的段塞流，其段塞长度和冲击强度远小于海洋油气田，常在别离器入口处安装消能器，吸收远小于海洋油气田，常在别离器入口处安装消能器，吸收油气混合物的冲击能量即可油气混合物的冲击能量即可 段塞流的抑制方法n强烈段塞流的抑制法 n减小出油管直径，增加气液流速； n立管底部注气，减小立管内气液混合物柱的静压，使气体带液能力增强 n采用海底气液别离器如海下液塞捕集器 n在海底或平台利用多相泵增压； n立管顶部节流最经济、实用的抑制方法立管顶部节流原理n为使系统稳定运行，必须在立管底部出现新液塞并在立管内增长至顶部前，将液塞排出立管，使气液混合物在系统中连续流动，即把混合物速度Umix定义为气液折算速度之和作为控制参数假设Umix减小表示发生阻塞，为举升刚形成的液塞，出油管道的压力应高于立管下游别离器或捕集器正常平均操作压力立管顶部节流可增大管道和捕集器之间的差压，利于在立管内刚形成的小液塞流向捕集器。

控制强烈段塞流的实例n带小别离器的控制方法 A它必须作用于密度不同的两相流体；B不能直接测量立管顶部两相流混合物的速度Umix两相流流量测量很困难，需要复杂的传感器 段塞流计算段塞流特征参数计算模型n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； n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段塞流特征参数计算模型 nBrill模型 (1981年 )nDukler模型 (1975年 )nXiao模型 (1990年 )液塞含液率: 平均液塞长度 :最大液塞长度: 段塞流捕集器功能n有效别离和捕集液体，确保下游设备正常工作； n在最大液塞到达时，可作为带压液体的临时储存器，能连续向下游供气n降低冲击能量n 因此在设计时，既要考虑气液别离，又要考虑对段塞的捕集 段塞流捕集器捕集器结构 容器式 ：一般用于海洋平台上，结构与陆上油气别离器类同，只是有较大的缓冲容积，以满足气液瞬时流量的较大变化，并设有高高液位、。