氣液兩相流流型判斷及管徑計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)①

夏 婧　李澤東

1.九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司　2.長(zhǎng)嶺煉化岳陽(yáng)工程設(shè)計(jì)有限公司

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氣液兩相流流型判斷及管徑計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)①

夏 婧1李澤東2

1.九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司2.長(zhǎng)嶺煉化岳陽(yáng)工程設(shè)計(jì)有限公司

摘要以流體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(流量、密度、黏度、表面張力等)為基礎(chǔ)，根據(jù)SH/T 3035-2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則》中兩相流型的計(jì)算模型，以VB6.0作為開(kāi)發(fā)用戶(hù)操作界面的平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于石化裝置牛頓性流體的管道兩相流流型判斷及管徑計(jì)算軟件。通過(guò)實(shí)例計(jì)算證明，該軟件不僅能提高手算或Excel計(jì)算的效率，還可方便地輸出流型判斷及管徑計(jì)算的結(jié)果，為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)便利。

關(guān)鍵詞氣液兩相流管徑計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)

氣液兩相混合物在管道中的流動(dòng)是石油化工企業(yè)工藝裝置中常見(jiàn)的流體流動(dòng)過(guò)程之一，具有單相流動(dòng)所不存在的許多復(fù)雜因素。其流動(dòng)狀態(tài)不能僅由滯流和湍流確定，而是要取決于不同的流動(dòng)形態(tài)(分層流、泡狀流、霧狀流、波狀流、環(huán)狀流、塊狀流、塞狀流)和兩相間自由界面等因素，上述因素使問(wèn)題變得很復(fù)雜。兩相流管道管徑選擇是否合理，直接影響著管道運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行正確的計(jì)算才能確定，工程上常采用SH/T 3035-2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則》[1]中所規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式較多，若手算則工作量較大且極易造成錯(cuò)誤，使用Excel計(jì)算又沒(méi)有良好的人機(jī)交互界面，兩者皆不便于作為計(jì)算書(shū)供校審查閱。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所給出的方法與模型，用VB6.0開(kāi)發(fā)用戶(hù)操作界面并進(jìn)行代碼的編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)出一款用于石化裝置核算牛頓性流體的兩相流管道和計(jì)算兩相流管道管徑的軟件，為設(shè)計(jì)人員提供便利，十分必要。

1數(shù)學(xué)模型

根據(jù)SH/T 3035-2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則》第7章中介紹的方法，管徑的確定需經(jīng)過(guò)初選管徑、流型判斷、流型調(diào)整階段。

1.1初選管徑

采用和流型判斷相結(jié)合的方法，根據(jù)流型計(jì)算的結(jié)果初選管徑。

兩相流中的體積含氣率按下式計(jì)算：

(1)

式中：β為兩相流中的體積含氣率；qvg為兩相流中氣相的體積流量，m3/h；qvl為兩相流中液相的體積流量，m3/h。

根據(jù)體積含氣率估算管徑有兩種情況：

(1)當(dāng)β在0.17以下(一般不產(chǎn)生塊狀流)時(shí)，先假定一個(gè)管內(nèi)徑，按式(2)計(jì)算兩相流均相流速：

(2)

兩相流的均相流速還應(yīng)滿(mǎn)足下式要求：

(3)

若假設(shè)的管內(nèi)徑不符合要求，則應(yīng)向小規(guī)格管徑調(diào)整。

(2)當(dāng)β大于0.17時(shí)，按下式初選管徑：

(4)

式中：ρg為兩相流中的氣相密度，kg/m3；qvg為兩相流中氣相的體積流量，m3/h。

由式(4)計(jì)算的管內(nèi)徑要進(jìn)行試差，得到的管內(nèi)徑計(jì)算的均相流速要滿(mǎn)足式(3)，否則要向小規(guī)格管徑調(diào)整。

1.2流型判斷

在兩相流管道工藝設(shè)計(jì)中，必須防止出現(xiàn)塊狀流，這種流型壓力不穩(wěn)定，實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)管道、管件沖擊導(dǎo)致管道和設(shè)備的破壞。此外，環(huán)狀流和霧狀流會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生嚴(yán)重沖蝕，也要避免。

計(jì)算過(guò)程中，水平管道和垂直管道的流型判斷均有各自相對(duì)準(zhǔn)確的方法，文獻(xiàn)建議用兩種流型圖進(jìn)行對(duì)照判斷，在下面分別描述兩種類(lèi)型管道的流型判斷。

1.2.1水平管道兩相流型判斷

水平管道采用曼得漢流型圖和伯克流型圖來(lái)判斷管內(nèi)的流動(dòng)情況。曼得漢流型圖見(jiàn)圖1，伯克流型圖見(jiàn)圖2。

曼得漢流型圖坐標(biāo)中的參數(shù)按下式計(jì)算：

(5)

(6)

式中：uls為液相表觀流速，m/s；ugs為氣相表觀流速，m/s。

伯克流型圖坐標(biāo)中參數(shù)如下：

(7)

(8)

式中：Gl為液相表觀質(zhì)量流速，kg/m2·s；Gg為氣相表觀質(zhì)量流速，kg/m2·s；ρl為兩相流中的液相的密度，kg/m3；σ為液相的表面張力，N/m；ρa(bǔ)為常壓、20 ℃時(shí)空氣的密度，ρa(bǔ)=1.2 kg/m3；ρw為常壓、20 ℃時(shí)水的密度，ρw=998 kg/m3；μl為液相的動(dòng)力黏度，Pa·s；μw為常壓、20℃時(shí)水的動(dòng)力黏度，μW=0.001 Pa·s；σw為常壓、20 ℃時(shí)水的表面張力，σw=0.073 N/m；qmg為兩相流中氣相的質(zhì)量流量，kg/h；qml為兩相流中液相的質(zhì)量流量，kg/h。

1.2.2垂直管道兩相流型判斷

垂直管道采用海威特流型圖和格里菲斯流型圖進(jìn)行判斷。海威特流型圖見(jiàn)圖3，格里菲斯流型圖見(jiàn)圖4。

由海威特、格里菲斯流型圖上橫縱坐標(biāo)的表達(dá)式可計(jì)算出海威特、格里菲斯流型的橫縱坐標(biāo)值，進(jìn)而判斷流型所在區(qū)域。

1.3流型調(diào)整

如果流型判斷的結(jié)果為實(shí)際生產(chǎn)中不希望出現(xiàn)的塊狀流或環(huán)狀流和霧狀流，應(yīng)調(diào)整假定的管徑，直至計(jì)算結(jié)果為滿(mǎn)意流型為止。

假定的管徑通過(guò)流型判斷后，還應(yīng)滿(mǎn)足式(9)～式(10)的要求：

(9)

式中：uH為兩相流中的均相流速，m/s；ρH為兩相流中的均相密度，kg/m3；按式(10)計(jì)算

ρH=ρgβ+ρl(1-β)

(10)

式中：ρg為兩相流中氣相的密度，kg/m3；ρl為兩相流中液相的密度，kg/m3；β為兩相流中的體積含氣率。

軟件在流型輸出的界面中還設(shè)計(jì)了是否滿(mǎn)足式(9)的流速計(jì)算判斷步驟，確保初選的管徑能夠滿(mǎn)足所有計(jì)算要求。

1.4核算極限質(zhì)量流速

當(dāng)管道進(jìn)出口兩端的壓差大于進(jìn)口端絕對(duì)壓力的30%時(shí)，應(yīng)核算出口端的極限質(zhì)量流速，管道出口端兩相流的最大質(zhì)量流速應(yīng)小于極限質(zhì)量流速的75%。

管道出口端極限質(zhì)量流速按式(11)計(jì)算：

(11)

式中：Gc2為兩相流在管道出口端的極限質(zhì)量流速，kg/m2·s；γ為氣相的比熱容比，即Cp/Cv；p2為管道出口端的絕對(duì)壓力，kPa；x2為兩相流在管道出口端的質(zhì)量含氣率；vg2為氣相流在管道出口端的比容，m3/kg。

x2按式(12)進(jìn)行計(jì)算：

(12)

式中：x2為兩相流在管道出口端的質(zhì)量含氣率；qmg為兩相流中氣相的質(zhì)量流量，kg/h；qml為兩相流中液相的質(zhì)量流量，kg/h。

2軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1軟件的功能設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)此軟件的目的在于建立一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，快速準(zhǔn)確地計(jì)算和判斷流型，確定兩相流管線管徑。從前面的計(jì)算模型可以看出，管徑的確定要通過(guò)試算、流型判斷等過(guò)程確定，試算過(guò)程可能會(huì)反復(fù)進(jìn)行。如何使這幾個(gè)步驟上下連貫、界面友好是軟件的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)之一。為了提高計(jì)算效率，增加軟件實(shí)用性，設(shè)置了4種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)工況，可一次性輸入5組管內(nèi)徑數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，具有同時(shí)計(jì)算水平管線和垂直管線的功能。如何在計(jì)算時(shí)對(duì)輸入的各項(xiàng)條件進(jìn)行識(shí)別組合也是軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。

針對(duì)以上目的，軟件設(shè)計(jì)了以下幾項(xiàng)功能：

(1) 不僅能對(duì)已知管線內(nèi)流體進(jìn)行兩相流核算，而且可以根據(jù)兩相流流型的計(jì)算結(jié)果試算合適的管徑。

(2) 能同時(shí)對(duì)管線的水平段和垂直段中的流體流型進(jìn)行計(jì)算判別。

(3) 內(nèi)置4種常見(jiàn)運(yùn)行工況，可對(duì)需計(jì)算的管線選擇指定工況進(jìn)行計(jì)算。

(4) 軟件計(jì)算結(jié)果可以Excel文件的格式輸出保存。

該軟件適用于石油化工裝置內(nèi)管道選擇，不適用于儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)管道、非牛頓流體和固體氣流輸送管道的管徑選擇。

2.2軟件的總體設(shè)計(jì)

程序主要分為用戶(hù)操作界面和后臺(tái)程序代碼兩部分。用戶(hù)操作界面接受輸入的數(shù)據(jù)，用變量傳給后臺(tái)的程序代碼進(jìn)行計(jì)算。后臺(tái)程序代碼將計(jì)算的結(jié)果通過(guò)變量再輸出到用戶(hù)操作界面顯示出來(lái)。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的功能，設(shè)計(jì)了方便計(jì)算的操作界面。用戶(hù)操作界面分為用戶(hù)輸入界面、流型判斷界面和結(jié)果輸出界面。用戶(hù)輸入界面見(jiàn)圖5和圖6，流型判斷界面見(jiàn)圖7，結(jié)果輸出界面見(jiàn)圖8。

2.3程序代碼部分設(shè)計(jì)

軟件主體包括4個(gè)窗體文件、1個(gè)模塊文件、1個(gè)幫助文件及1個(gè)Excel模板文件。每個(gè)窗體文件下放置該窗體實(shí)現(xiàn)功能的程序代碼，Excel模板文件用于輸出計(jì)算書(shū)。

設(shè)計(jì)程序代碼時(shí)，按照計(jì)算步驟設(shè)計(jì)了各種功能的子程序，子功能程序代碼放在模板文件中供計(jì)算調(diào)用。軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段具體的程序流程如圖9所示。

3軟件的使用介紹

(1) 用戶(hù)打開(kāi)軟件，在圖5所示界面輸入物流的相關(guān)性質(zhì)，選擇計(jì)算工況，輸入需要計(jì)算的管道類(lèi)型——水平管道或垂直管道。

(2) 在管內(nèi)徑初選(手動(dòng))區(qū)域輸入用戶(hù)想要計(jì)算的管徑，之后在管內(nèi)徑初選(自動(dòng))區(qū)域點(diǎn)擊初選管徑按鈕，進(jìn)入初選管徑界面，判斷輸入的管內(nèi)徑能否滿(mǎn)足第1.1節(jié)中各計(jì)算式的要求，不能滿(mǎn)足則需重新輸入管內(nèi)徑，如此重復(fù)試算，直到管內(nèi)徑滿(mǎn)足要求為止。

(3) 選擇好管內(nèi)徑之后，用戶(hù)點(diǎn)擊下一步，進(jìn)入4種流型橫縱坐標(biāo)計(jì)算界面。每種流型圖片右側(cè)從上到下的五組橫縱坐標(biāo)值依次代表管內(nèi)徑1～管內(nèi)徑5的計(jì)算坐標(biāo)值。計(jì)算完成之后，用戶(hù)根據(jù)各組坐標(biāo)值在流型圖片中找到每一個(gè)管內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值所處的流型。如果某個(gè)管內(nèi)徑的各流型判斷均能滿(mǎn)足要求，則在界面右側(cè)的復(fù)選框內(nèi)將相應(yīng)的管內(nèi)徑選中，表示此管內(nèi)徑符合流型要求。若沒(méi)有一個(gè)管內(nèi)徑能滿(mǎn)足流型的要求，則需要返回上一計(jì)算步驟，重新選擇管內(nèi)徑。

(4) 當(dāng)有滿(mǎn)足流型的管內(nèi)徑后，用戶(hù)進(jìn)行最后一個(gè)步驟的計(jì)算，選擇的管徑需要滿(mǎn)足第1.3節(jié)中式(9)的要求。在流型判斷界面，點(diǎn)擊下一步按鈕，進(jìn)入判斷輸出界面。點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，操作界面會(huì)顯示哪些管內(nèi)徑能夠滿(mǎn)足所有的計(jì)算要求。

(5) 最后，用戶(hù)點(diǎn)擊圖8中的結(jié)果輸出按鈕，軟件生成Excel文件。生成的Excel文件可作為計(jì)算書(shū)保存核查。

(6) 對(duì)于需要進(jìn)行極限質(zhì)量流量核算的管段，在輸入界面窗體輸入相應(yīng)的參數(shù)值，可計(jì)算出極限質(zhì)量流量。

4軟件的實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件的可操作性和實(shí)用性，采用了若干組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)將其中一組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 物流原始數(shù)據(jù)表Table1 Streamprimarydate氣相項(xiàng)目數(shù)值質(zhì)量流量/(kg·h-1)5867.700體積流量/(m3·h-1)2260.420實(shí)際密度/(kg·m-3)2.600液相項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值質(zhì)量流量/(kg·h-1)4132.240動(dòng)力黏度/(Pa·s)0.00001體積流量/(m3·h-1)4.680表面張力/(N·m-1)0.050密度/(kg·m-3)882.840

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表Table2 Calculationresultssummary體積含氣率/%0.997933447初選管內(nèi)徑是否符合條件均相流速/(m·s-1)管內(nèi)徑1/mm200是20.034管內(nèi)徑2/mm150否35.615管內(nèi)徑3/mm100否80.135管內(nèi)徑4/mm250否12.822管內(nèi)徑5/mm300否8.904

表3 流型坐標(biāo)計(jì)算值Table3 Calculatedvalueofflowpatternscoordinates初選管內(nèi)徑曼德漢流型圖伯克流型圖橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)管內(nèi)徑1/mm19.9880.0410.31135.910管內(nèi)徑2/mm35.5340.0740.31163.839管內(nèi)徑3/mm79.9510.1660.311143.639管內(nèi)徑4/mm12.7920.0260.31122.982管內(nèi)徑5/mm8.8830.0180.31115.960

從計(jì)算結(jié)果可以清晰地看出，管徑DN200符合所有的計(jì)算要求，并且流型坐標(biāo)計(jì)算可以作為校審查驗(yàn)流型判斷準(zhǔn)確性的依據(jù)。該管徑的管線在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)行良好，證明了此款軟件的實(shí)用性和可操作性。

5結(jié) 語(yǔ)

開(kāi)發(fā)了1個(gè)能夠判斷兩相流流型及兩相流管線管徑的計(jì)算軟件，軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段想要實(shí)現(xiàn)的功能，軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單。通過(guò)實(shí)例計(jì)算，所開(kāi)發(fā)的軟件能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工作的要求，可為兩相流管道管徑的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大便利。目前，該軟件只能滿(mǎn)足單個(gè)管段的計(jì)算要求，暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)批量計(jì)算管段的要求，后續(xù)會(huì)增加相關(guān)功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李俊儒, 張建華. 石油化工工藝裝置管徑選擇導(dǎo)則: SH/T 3035-2007[S]. 北京: 中國(guó)石化出版社, 2007: 20-24.

Design and development of flow regime judgment about gas-liquid two phase flow and pipe diameter calculation software

Xia Jing1, Li Zedong2

(1.JiujiangPetrochemicalDesignEngineeringCo.,Ltd,Jiujiang332000,China)(2.ChanglingPetro-chemicalEngineeringDesignCo.,Ltd,Yueyang414000,China)

Abstract:Based on the fluid basic data such as flow rate, density, viscosity, surface tension, etc., according to the calculation model of two phase flow regime in SH/T 3035-2007 Guide for Pipeline Sizing in Petrochemical Industry, the VB6.0 was used as a platform to develop a user operation interface. The software was designed to judge the flow regime of Newton fluid pipe gas-liquid two phase flow and calculate pipe diameter. Proved by practical calculation, the software can not only develop the calculation efficiency by hand or by Excel, but also output the flow regime judgment results conveniently, which will bring convenience for the design effort.

Key words:gas-liquid two phase flow regime, pipe diameter calculation, software develop

作者簡(jiǎn)介：夏婧(1988-)，女，江西九江人，助理工程師，現(xiàn)就職于九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司，主要從事石油化工裝置的工藝管道設(shè)計(jì)工作。E-mail：xiajing1988@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TE621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.005

收稿日期：2015-12-04；編輯：溫冬云