段塞流從單管流入并聯(lián)分離器的分流實(shí)驗(yàn)研究

米祥冉，何利民，羅小明，馬立輝，徐一邱，李清平

（1. 中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266580；2. 中國石油國際勘探開發(fā)有限公司，北京100034；3. 山東省油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266580；4. 中海油研究總院，北京100027）

分離器廣泛應(yīng)用于油氣集輸系統(tǒng)中。在某些場合，鑒于來流流量與分離器處理能力，往往會有多列分離器并聯(lián)運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行過程中，可能出現(xiàn)各臺分離器進(jìn)液量分配不均的情況，即產(chǎn)生了所謂的“偏流”現(xiàn)象，造成系統(tǒng)運(yùn)行效果差，處理原油含水率及采出水處理效果不佳，偏流嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致某些分離器嚴(yán)重超載，造成冒頂或油水分離紊亂等生產(chǎn)問題。

目前，國內(nèi)外關(guān)于偏流的研究分為兩個(gè)方向[1-6]：一是實(shí)現(xiàn)等氣液比分配，二是實(shí)現(xiàn)等流量分配，且多以前者為主。大多數(shù)報(bào)道局限于分層流、波浪流、環(huán)狀流等流型下的氣液分流，對于段塞流的相關(guān)研究較少。且多數(shù)研究將以分流作用的T型管為研究對象，未從管路系統(tǒng)的角度研究，因此對偏流的認(rèn)識仍不完善。為此，本文以兩臺并聯(lián)分離器中段塞流的分流特性為研究對象，建立了氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并開展不同管路結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)工況下的兩相流實(shí)驗(yàn)，以加深對氣液兩相流偏流的認(rèn)識，為實(shí)現(xiàn)偏流控制、保證分離器高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。圖l為氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡要流程。自來水經(jīng)離心泵加壓后由質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器；空氣由螺桿壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入儲氣罐，然后經(jīng)渦街流量計(jì)或孔板流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入氣液混合器。氣液兩相來流在氣液混合器中實(shí)現(xiàn)混合，流入實(shí)驗(yàn)管道，兩相流體在來流管道的水平段內(nèi)進(jìn)行一定的流型發(fā)展，然后在沖擊型T 型管處發(fā)生分流，分別流入下游的兩條分支管路；從分支管路出口流出的氣液混合物進(jìn)入氣液分離器發(fā)生重力分離，分離后的空氣通過質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后排空，自來水經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后流回水箱循環(huán)使用。

圖1 氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡要流程Fig.1 Schematic diagram of the gas?liquid two?phase splitting experimental facility

實(shí)驗(yàn)中用于氣液兩相流分流的T 型管為沖擊型T 型管。與直通型T 型管相比，沖擊型T 型管在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出對稱性，相對而言不易誘發(fā)偏流。而且氣液兩相流在沖擊型T 型管處的分流特性也受到其上游與下游管路結(jié)構(gòu)的影響[1-2,7]。此次實(shí)驗(yàn)中測試了兩種管路結(jié)構(gòu)（管路結(jié)構(gòu)A 與管路結(jié)構(gòu)B）下段塞流的分流特性。兩種管路結(jié)構(gòu)的具體形式如圖2 所示。

圖2 氣液兩相分流管路Fig.2 Geometry of gas?liquid splitting pipeline

主體管路內(nèi)徑D=40 mm。管路結(jié)構(gòu)A 的主要特點(diǎn)為主體管路的水平高度基本一致，來流管路與分支管路均為水平管，分離器入口與來流水平管路沒有高差。以T 型管為界，其上游為長度可達(dá)11 m(275D)的來流管直管段，其下游的分支管路分為垂直于來流方向的管段（1.2 m，30D）與平行于來流方向的管段（9.6 m，240D）。管路結(jié)構(gòu)B 的主要特點(diǎn)為分離器入口高于來流水平管路，來流管路與分離器入口之間存在立管段。以T 型管為界，其上游的管路包括長度為5 m (175D)的直管段、長度為4 m(100D)下行軟管段與長度為9 m (225D)的直管段，其下游的分支管路包括底部水平直管段（1.2 m）、立管段（2.3 m）與頂部水平直管段（2.8 m）。兩種結(jié)構(gòu)的管路中除了軟管部分為金屬管段外，主體部分均采用透明有機(jī)玻璃加工而成，便于管路中氣液流動狀態(tài)的觀察，其實(shí)物見圖3。

圖3 氣液兩相分流管路實(shí)物Fig.3 Photograph of gas?liquid splitting pipeline

在進(jìn)行管路的搭建時(shí)，采用高精度水平儀進(jìn)行T 型管處水平管路的調(diào)平，這是因?yàn)門 型管處的側(cè)向傾斜會引起氣液兩相流的顯著偏流[8-9]。實(shí)驗(yàn)裝置中用到的主要設(shè)備為流量計(jì)，可對進(jìn)入氣液混合器的氣、液及分離器排出的氣、液進(jìn)行精確的單相測量，其測量結(jié)果作為是否發(fā)生偏流的主要衡量依據(jù)。各臺壓力變送器、溫度變送器與液位變送器等主要對氣、液單相流量的計(jì)量起輔助作用。差壓變送器用于測量立管壓降，雙環(huán)形電導(dǎo)探針用于測量T 型管入口與分離器入口的持液率[10-12]。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

主要研究兩種結(jié)構(gòu)、不同實(shí)驗(yàn)工況下的氣液分流特性，主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為流量。以氣液混合器入口至兩臺分離器入口之間的管路作為研究對象，假定該系統(tǒng)內(nèi)氣相的質(zhì)量不變，則入口的氣相質(zhì)量流量Mg0和出口流量Mg1、Mg2滿足質(zhì)量守恒，即

同理，其入口的液相體積流量Ql0與出口的流量Ql1、Ql2滿足（忽略水的密度變化）：

定義Fg1分別為其中一個(gè)出口的氣相流量占入口氣相總流量的采出比例（簡稱氣相采出率），F(xiàn)g1= Mg1Mg0，類 似 的 定 義 可 用 于Fg2、Fl1與Fl2。對于理想的分配情況，氣相與液相都為等流量分配，則氣相采出率與液相采出率均為0.5，即

若采出率與0.5 發(fā)生顯著偏離，則可認(rèn)為發(fā)生了明顯偏流。

氣液混合器入口的單相流量Mg0與Ql0可由相應(yīng)的流量計(jì)直接測得。 分離器入口的單相流量Mg1、Mg2、Ql1、Ql2則 需 根據(jù)分離 器 單 相 出 口 的流量計(jì)、分離器的壓力變送器以及液位變送器的測量結(jié)果計(jì)算得到?？紤]到瞬時(shí)流量具有一定的波動性，可將一段時(shí)間內(nèi)的累積流量作為主要指標(biāo)，分別用mg1、mg1、Vl1、Vl2表示。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

T 型管入口處的表觀氣速Usg與表觀液速Usl可通過流量計(jì)與壓力變送器的測量結(jié)果折算得到。調(diào)節(jié)氣液混合器的入口流量即可得到不同的氣液流速組合。在管路結(jié)構(gòu)A 下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，所涉及到的氣液流速范圍較大，氣液流速范圍分別為0.1～16.0 m/s 與0.06～0.50 m/s，T 型管入口處的流型主要為段塞流及分層流（夾雜少許段塞）。在管路結(jié)構(gòu)B 下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，所涉及到的氣液流速范圍沒有涉及到氣液流速均較低的情況（氣液流速分別為4～7 m/s 與0.1～0.8 m/s），這主要是考慮到在低氣液流速下，水平管-立管組合結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)嚴(yán)重段塞流[13-15]，增加氣液分流的復(fù)雜性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 對稱管路條件下的氣液分流特性

3.1.1 單相測試 在進(jìn)行氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)之前，采用單相介質(zhì)對管路條件的對稱性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：氣相在兩條分支管路內(nèi)的分配比例落在[0.49，0.51]，即氣相在兩條分支管路內(nèi)的偏流比例不超過2%；液相在兩條分支管路內(nèi)的分配比例落在[0.48，0.52]，即氣相在兩條分支管路內(nèi)的偏流比例不超過4%；單相介質(zhì)在管路內(nèi)未發(fā)生明顯偏流，說明兩條分支管路具有良好的對稱性。

3.1.2 液塞分流 在管路結(jié)構(gòu)A 下，保持分支管路上的調(diào)節(jié)閥V6、V7、V10 和V11 全開，開展不同氣液流速下的氣液分流實(shí)驗(yàn)。段塞流在T 型管處的分流可分為以下幾個(gè)階段：

（1）液塞到來前，如圖4（a-c）所示，在液塞到達(dá)T 型管之前，氣液兩相表現(xiàn)為分層流動，可以看到明顯的氣液界面，液相以液膜的形式在T 型管處平緩流動。

（2）液塞分流，如圖4（d-f）所示，液塞頭部到達(dá)T 型管處時(shí)，對T 型管的壁面造成一定的沖擊，液塞在這種沖擊作用下分成兩股，分別向T 型管兩側(cè)的下游分支管路中流動。由于液塞中還有大量氣泡，此時(shí)氣液界面變得模糊。

（3）液塞離開后，如圖4（h-j）所示，液塞尾部離開T 型管后，在兩條分支管路內(nèi)各形成一段液塞，然后在尾部氣相的推動下流向下游各自的分離器中，T 型管處的氣液兩相恢復(fù)為分層流動。

在管路結(jié)構(gòu)B 下，段塞流在T 型管處的分流與管路結(jié)構(gòu)A 類似，液塞分為兩段分別流入兩條立管內(nèi)。液塞在立管內(nèi)上升的同時(shí)，伴有液膜一定程度的回落，氣液界面較為模糊。

由于實(shí)驗(yàn)中使用的T 型管為等徑T 型管，該結(jié)構(gòu)可等效看作一個(gè)截面積翻倍的突擴(kuò)結(jié)構(gòu)[16]，因此液塞流過T 型管時(shí)，流動面積增大，液塞速度會下降。對電導(dǎo)探針測得的持液率信號進(jìn)行處理，可得到T 型管入口與兩個(gè)分離器入口處的液塞平均速度，如圖5 所示。由圖5 可以看出，兩個(gè)分離器入口測得的液塞速度大致相等，約為T 型管入口測得液塞速度的一半。

3.1.3 氣液分流結(jié)果 兩種管路結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：在所研究的工況范圍，氣液兩相均沒有發(fā)生明顯偏流。以管路結(jié)構(gòu)A 的一組工況為例，兩條管路末端分離器內(nèi)的氣液計(jì)量結(jié)果如圖6 所示。由于液塞具有間歇性的特征，所以圖6 中液相的累計(jì)流量曲線為波動上升的；液相的兩條流量曲線大致重合，即液相的分配為等流量分配，印證了兩條分支管路內(nèi)液塞到達(dá)分離器的時(shí)間具有一致性；氣相流量的累計(jì)流量曲線為斜率基本不變的兩條直線，這主要與氣體的可壓縮性和分離器的緩沖容積有關(guān)；氣相的兩條流量曲線大致重合，說明氣相實(shí)現(xiàn)了等流量分配。從計(jì)量結(jié)果看，氣液兩相在兩條分支管路內(nèi)并未發(fā)生明顯偏流，實(shí)驗(yàn)工況范圍的其他氣液流速下的結(jié)果與此相同，即段塞流在對稱管路條件下不會發(fā)生偏流。

圖4 T 型管處的液塞分流Fig.4 Liquid slug splitting at T junction

圖5 不同位置處的液塞速度Fig.5 Slug velocity at different positions

3.1.4 管路壓降 管路結(jié)構(gòu)A 的分支管路為水平管，其壓降主要為摩阻損失，各工況下測得的壓降損失不超過2 kPa。而管路結(jié)構(gòu)B 的分支管路包含立管段，其壓降包括重力損失與摩阻損失，圖7 為兩條立管的壓降曲線。由圖7 可以看出，壓降波動強(qiáng)烈，這與立管內(nèi)液塞的流動有關(guān)；而兩條曲線的重合度較高說明兩條立管的壓降波動較為一致。3.1.5 管路節(jié)流的影響 在管路結(jié)構(gòu)A 下，控制分支管路上的調(diào)節(jié)閥V6、V7、V10 和V11，使兩條管路的節(jié)流程度增大，同時(shí)保持兩條管路的節(jié)流程度相等（采用單相介質(zhì)測試其是否發(fā)生偏流，若不發(fā)生偏流，即可認(rèn)為節(jié)流程度相等）。其具體調(diào)節(jié)方式有以下幾種：

①保持閥V6 與V10 全 開，在閥V7 與V11 處 進(jìn)行同等程度的節(jié)流。

②保持 閥V7 與V11 全開，在 閥V6 與V10 處進(jìn)行同等程度的節(jié)流。

③保持 閥V6 與V11 全開，在 閥V7 與V10 處進(jìn)行同等程度的節(jié)流。

圖6 段塞流的分流特性Fig.6 The splitting characteristics of slug flow

圖7 立管壓降曲線Fig.7 Pressure drop of two risers

以上三種情況均在段塞流流型內(nèi)做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，管路壓降有所提高，但氣液兩相并未發(fā)生明顯偏流。在第③種調(diào)節(jié)方式下，可觀察到兩條管路中的液塞流動不同步，結(jié)果如圖8 所示。圖8 中，液相累計(jì)流量的兩條曲線的波動方式為交替上升，說明兩條分支管路內(nèi)的液塞到達(dá)分離器的時(shí)間前后出現(xiàn)一定的偏差，主要是因?yàn)椋瑑蓷l分支管路雖節(jié)流程度相同，但節(jié)流位置不同，管路條件并非完全對稱；從較短的時(shí)間看，液相出現(xiàn)一定的偏流，但這種偏流只是暫時(shí)的；從流量測量結(jié)果看，在較長的一段時(shí)間內(nèi)，液相沒有發(fā)生明顯偏流。

3.2 非對稱管路條件下的氣液分流特性

實(shí)現(xiàn)管路條件非對稱的條件較多，本文僅涉及了分離器氣相出口管路節(jié)流程度不同而造成的管路非對稱。其中，管路結(jié)構(gòu)A 是通過控制調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流，而管路結(jié)構(gòu)B 是通過加裝孔板實(shí)現(xiàn)節(jié)流。

圖8 分支管路內(nèi)液塞流動的不同步性Fig.8 Asynchrony of liquid slugs in two pipes

3.2.1 分流結(jié)果 圖9 為兩種管路結(jié)構(gòu)不同氣液流速下節(jié)流程度較大一側(cè)分支管路的單相采出率。

圖9 分支管路不對稱對氣液分流的影響Fig.9 Effect of asymmetry of gas outlets on splitting of gas?liquid two phase

兩種結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的共同點(diǎn)為：低液速條件下，液相與氣相均發(fā)生較大偏流，且液相的偏流程度要小于氣相；隨著液速的增大，液相在兩條分支管路內(nèi)的偏流程度減弱，趨向于在兩條管路內(nèi)均分。以上結(jié)果可以解釋為：分離器氣相出口的節(jié)流程度不同，會使氣相傾向于流入節(jié)流程度較小的一側(cè)的分離器，造成氣相的偏流。同時(shí)，由于氣液兩相在管路中流動的相間相互作用，氣相流量較大的一側(cè)對液塞的攜帶、推動作用較強(qiáng)，從而造成液相在兩條分支管路內(nèi)的偏流。液速的增大會導(dǎo)致液塞的動量增加，氣相對液塞的推動作用相對減弱。同時(shí)，液相由于動量的提升，在T 型管處的沖擊作用增強(qiáng)；而T 型管結(jié)構(gòu)對稱，液塞在該處的分配趨于均等。因此液速的增大會造成液相的偏流程度相對減弱。

兩種結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同點(diǎn)為：管路結(jié)構(gòu)A 下氣液流速的變化會影響氣相的偏流程度，而管路結(jié)構(gòu)B 下氣液流速對氣相的偏流程度影響不明顯。其原因在建立分流模型時(shí)作具體分析。

3.2.2 管路壓降 由于管路結(jié)構(gòu)A 的分支管路壓降相對較小，在此僅對管路結(jié)構(gòu)B 的管路壓降進(jìn)行分析。V13 與V15 處孔板的切換可分別構(gòu)造出對稱條件和非對稱條件，對應(yīng)的氣液流量分配及壓降曲線如圖10 所示。圖10 中氣液流量曲線在開始及最終兩段時(shí)間內(nèi)重合度較高，而在中間一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的偏離，該段時(shí)間對應(yīng)非對稱條件；切換閥門構(gòu)造非對稱條件后，氣、液兩相在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了偏流，而將閥門再次切換構(gòu)成對稱管路條件后，氣液兩相恢復(fù)了均分狀態(tài)。壓降曲線表明發(fā)生氣液偏流時(shí)，兩條立管的壓降表現(xiàn)出較大的差別。

3.2.3 分流模型建立 以T 型管分支點(diǎn)與分離器氣相管路的匯合點(diǎn)之間的系統(tǒng)作為研究對象，建立氣液分流模型，如圖11 所示。兩條分支管路的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別相同，則壓降相等。

其中，ΔP1與ΔP2為分離器前的混輸管路壓降，ΔP3與ΔP4為分離器后的氣相管路壓降。

氣相管路上產(chǎn)生壓降可等效看作氣體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的，其壓降ΔP3與ΔP4根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用下式擬合:

其中，Gg為氣相質(zhì)量流量，ρg為氣相密度，C為待定系數(shù)。

混輸管路壓降ΔP1與ΔP2的計(jì)算中忽略加速損失，只考慮摩阻損失與重力損失，如式（6）所示：

其中，f為范寧摩阻系數(shù)，ρM為混合密度，UM為混合速度，D為管路內(nèi)徑，L為管路長度，θ為管路傾角。

壓降計(jì)算中截面含氣率的計(jì)算采用漂移流動模型:

其中，C0與U0分別為分布系數(shù)與漂移速度，采用M. A.Woldesemayat 等[17-18]提出的相關(guān)式進(jìn)行計(jì)算。

其中，σ 為界面張力，Patm為大氣壓力，Psys為系統(tǒng)壓力，取分離器壓力。

在給定的氣液流速下，預(yù)測氣液兩相在兩條分支管路內(nèi)的分流結(jié)果的具體步驟如下[19-21]：先假定氣相采出率與液相采出率，然后分別計(jì)算兩條分支管路的總壓降，若計(jì)算結(jié)果在一定的誤差范圍滿足式（4），則其為可行解。 在計(jì)算的過程中，滿足式（4）的可行解可能不止一個(gè)，取使系統(tǒng)總壓降最小的解為最終結(jié)果。

選取管路結(jié)構(gòu)B，表觀氣速為5 m/s 的工況代入模型進(jìn)行計(jì)算，得到的預(yù)測結(jié)果如圖12 所示。

圖12 模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.12 Comparison of predicting split results and experi?mental data

由圖12 可知，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，液相的偏流程度小于氣相，且液速的增大會造成液相偏流程度的減小。即當(dāng)液速發(fā)生變化時(shí)，為保持兩條管路的總壓降相等且數(shù)值盡可能小，需要液相的分流比例重新調(diào)整。

結(jié)合模型對兩種結(jié)構(gòu)下氣液偏流特性的不同點(diǎn)進(jìn)行分析：管路結(jié)構(gòu)B 中發(fā)生偏流時(shí)，其混輸管路壓降ΔP1與ΔP2的差別較大，且在分支管路總壓降ΔP入-出中所占比例較小，而兩條分支管路的總壓降相等，則氣相的分流會與單相氣相在管路中的分流結(jié)果相似，從而造成氣液流速的變化對氣相的分流特性影響不明顯。而管路結(jié)構(gòu)A 中發(fā)生偏流時(shí)，在某些氣液流速組合下，其混輸管路壓降ΔP1與ΔP2數(shù)值較小且差別較小，為保持分支管路總壓降相等，氣相會趨于均分，因此某些工況下會出現(xiàn)氣液趨于均分的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

采用自主設(shè)計(jì)的氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了不同管路條件、不同工況下的段塞流分流實(shí)驗(yàn)研究，并分析了并聯(lián)分離器中氣液發(fā)生偏流的原因及氣液流速對偏流的影響。針對研究結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）若并聯(lián)分離器前的分流管路結(jié)構(gòu)的形式為管路結(jié)構(gòu)A（水平管-T 型管-水平管結(jié)構(gòu)），且分離器氣相出口的管路條件對稱，則段塞流在兩臺分離器中的分流結(jié)果為等流量分配，不會出現(xiàn)進(jìn)液不均的現(xiàn)象。

（2）若并聯(lián)分離器前的分流管路結(jié)構(gòu)的形式為管路結(jié)構(gòu)B（水平管-T 型管-立管-水平管結(jié)構(gòu)），且分離器氣相出口的管路條件對稱，氣液流速較大時(shí)，段塞流在兩臺分離器中的分流結(jié)果為等流量分配。

（3）對于實(shí)驗(yàn)中的兩種管路結(jié)構(gòu)，分離器氣相出口管路條件的不對稱會引起氣、液兩相的偏流，且液相的偏流程度均小于氣相。液速對液相偏流程度的影響比氣速大。同等氣速下，液速的增大會引起液相偏流程度的減小，使液相趨于均分。

（4）管路結(jié)構(gòu)B 未發(fā)生氣液偏流時(shí)，兩條立管的壓降基本一致；氣液的偏流會造成立管壓降的差別。

（5）基于壓降計(jì)算建立了非對稱條件下氣液兩相流的分流模型，對氣液流速對分流特性的影響進(jìn)行了簡單解釋。