石油天然氣管道系統(tǒng)中的低含液氣液兩相流研究綜述

韓楚君，吳楠楠，劉朝旭

石油天然氣管道系統(tǒng)中的低含液氣液兩相流研究綜述

韓楚君1，吳楠楠1，劉朝旭2

（1. 西安石油大學， 陜西 西安 710000； 2. 國家管網(wǎng)集團西部管道甘肅輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730000）

低含液氣液兩相流廣泛存在于石油管道系統(tǒng)中。對低含液氣液兩相流的兩種典型工況（天然氣生產(chǎn)井、長輸管道濕氣輸送）進行了介紹，對低含液氣液兩相流動的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，提出未來模擬實驗的工況應力求接近實際，為低含液氣液兩相流動的實際應用提供可靠的流動保障方案。

低含液氣液兩相流；天然氣生產(chǎn)；濕氣輸送

在石油天然氣管道運輸系統(tǒng)中，尤其是天然氣生產(chǎn)和長輸管道濕法輸氣中，低含液氣液兩相流動非常常見[1]。這是由于在運輸碳氫化合物的管道中，管道沿線壓力和溫度的下降而導致的氣相冷凝和水蒸氣冷凝，隨之在管道內(nèi)部形成了少量液體，進而形成低持液率的氣液兩相流動，兩相之間的相互作用會產(chǎn)生與單相流截然不同的特性[2-4]，對管內(nèi)流動特性以及管道腐蝕等流動保障問題產(chǎn)生較大影響，例如使管內(nèi)壓力顯著升高等，因此有必要對低含液氣液兩相流動行為特性進行更為深入的分析[5-6]。

1 低含液氣液兩相流的典型工況

1.1 天然氣生產(chǎn)井

低含液流動是指液體流量與氣體流量相比非常小的流動狀態(tài)，它在天然氣井筒中廣泛存在[7]。在石油工業(yè)系統(tǒng)中，MENG[8]等將兩相流動中含液率低于1 100 m3·(MMsm)-3時定義為低含液量。輸氣管道在其固定的運行區(qū)域，溫度和壓力有上下限。邊界條件取決于管道強度、壓縮機排放條件以及下游用戶需求。只要天然氣管道的運行區(qū)域或壓力-溫度路徑位于露點曲線右側(cè)的相包絡之外，管道就將始終在單相模式下運行。然而，在許多情況下，即使氣體以單相模式進入管道，也可能在管道的某處形成一些液體[9]。為此，AYALA等對在低含液量下可預期的所有可能的流型及其轉(zhuǎn)變進行了模擬，強調(diào)了此類管流的低含液特性，建立了描述天然氣管道內(nèi)流體動力學穩(wěn)態(tài)行為的雙流體多相流模型。

1.2 長輸管道濕氣輸送

濕氣體由麥凱恩定義為凝析油水平大于 56 m3·(MMsm)-3的碳氫化合物氣流[10]。與常規(guī)氣田開發(fā)相比，濕法輸氣生產(chǎn)工藝產(chǎn)出的天然氣中含有飽和水，隨著管道輸送距離的增加，溫度和壓力的下降逐漸導致冷凝水的沉淀，冷凝水的形成使管道內(nèi)的流動轉(zhuǎn)化為氣液兩相流，摩阻損失增加，流動截面積減小，輸送效率降低，一旦溫度低于0 ℃，冷凝水結(jié)冰會影響管道的運行[11]?。水分含量也會直接影響后續(xù)的生產(chǎn)設施，如影響分離器的處理能力。因此，HE[12]等通過驗證實驗數(shù)據(jù)，提出將清管方法與多點排水裝置相結(jié)合，為濕氣輸送的流動保障提供了一種安全、經(jīng)濟的方法。

2 低含液氣液兩相流流動特性的影響因素

就低含液氣液兩相流動的典型工況——濕氣輸送來說，管道中的低含液流動是由于輸送未經(jīng)處理的原料氣所產(chǎn)生的正?，F(xiàn)象。影響低含液氣液兩相流動流動特性的主要參數(shù)是管道幾何形狀（傾角和直徑）、操作條件（流量、壓力和溫度）以及氣體和液體的物理性質(zhì)（密度、黏度和表面張力）。即使管道輸送的是單相氣體，氣相中較重的組分與微量水的冷凝也會導致兩相流動。這些液體在管道中的存在，雖然數(shù)量很少，但會影響不同的流動特性，如壓力分布[13]。水合物的形成、管道腐蝕、清管頻率以及與壓力和持液率相關(guān)的下游設施也會受到影 響[14]。因此，了解低含液量氣液兩相流動的流動特性，對于濕氣體的輸送具有重要意義。

MARTINEZ[15]等使用計算流體力學（CFD）模擬軟件重點研究了低含液氣液兩相流動的持液率和壓降特性，此外還用天然氣-凝析油混合物模擬了哥倫比亞天然氣管道的不同管段，以分析在實際工業(yè)條件下管道傾角和操作變量對持液率的影響。

3 低含液氣液兩相流研究現(xiàn)狀

3.1 實驗研究

早期的實驗研究如HART[16]等提出了ARS模型，該模型適用于持液率范圍為0～0.6的水平管道，主要用于研究低含液氣液兩相流動的持液率和壓降梯度。CHEN[17]等提出了雙圓環(huán)模型，用于研究低含液氣液兩相流管內(nèi)介于FLAT模型與HART等提出的ARS模型這兩種極端情況之間的氣-液界面。BADIE[2]等以空氣和水為兩相介質(zhì)，在管徑為79 mm的水平管道中對低含液氣液兩相流流動特性進行了研究，經(jīng)過比對實驗數(shù)據(jù)與機理模型，提出ARS模型通常對實驗范圍內(nèi)的持液率預測計算具有更好的精度。MENG[18]等使用由直徑為50.1 mm，傾角為 ±2°、0°、±1°的丙烯酸管制成的管道系統(tǒng)研究了管道傾角對低含液兩相流動的持液率和壓降梯度的影響，提出了新的界面摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式。GUNER[19]等基于內(nèi)徑3英寸、傾角為 90°、75°、60°和 45°的實驗管道對低含液氣液兩相流管道傾斜對流型轉(zhuǎn)變的臨界氣體速度的影響，提出低持液率是在天然氣井生產(chǎn)和低含液氣液兩相流通過立管輸送過程中存在的主要差異。DEENDARLIANTO[20]等對低含液量水平管道中氣液分層兩相流的濕壁分數(shù)進行了實驗研究，建立了關(guān)聯(lián)式來預測水平管中氣液分層流動的濕壁分數(shù)。FAN[21]等采用絲網(wǎng)傳感器研究了向上傾斜管中低含液氣液兩相流的流型及其轉(zhuǎn)變、壓力梯度和持液率的測量、流動特性分析等，提出了分層流和段塞流過渡區(qū)速度的簡化關(guān)聯(lián)式。

根據(jù)過去幾十年中不同研究者進行的實驗測量和觀察，描述了低含液氣液兩相管道內(nèi)一系列關(guān)于流體相行為、流體性質(zhì)、壓降梯度、持液率和溫降等典型流動現(xiàn)象，提出了相應預測計算關(guān)聯(lián)式[22]。

3.2 數(shù)值模擬

KARAM[23]等對水平管道進行了CFD模擬，采用VOF多相流模型分析了低含液氣液兩相管流內(nèi)界面形狀、氣液兩相的速度場、持液率及剪應力分布。肖坤[24]利用Fluent軟件研究水平管中的低含液氣液兩相流的流動特性，得出Taitel & Dukler模型在判斷管內(nèi)流型時，計算吻合結(jié)果較好；在計算持液率和壓降梯度時，ARS模型具有較高的預測精度。管孝瑞[25]等對低含液濕氣集輸管線內(nèi)的液膜厚度分布特性進行了研究，利用Fluent軟件建立了低含液率氣液兩相流動數(shù)學模型，對試驗管段內(nèi)的氣相流場、液滴分布等流動特性進行了研究[26]，得出運用邊界層網(wǎng)格與增強壁面函數(shù)相結(jié)合的方法，能夠很好地模擬近壁處流場[27]。高雪琦[28]采用Eulerian wall film模型對低含液量管路內(nèi)液膜分布特性進行數(shù)值模擬，分析了彎管結(jié)構(gòu)對于氣相分布特性的影響以及液膜沿截面軸向的變化趨勢。袁穎[29]利用Fluent軟件對文丘里管內(nèi)低含液氣液兩相流流動進行模擬，獲得了管內(nèi)流場分布、靜壓分布及液滴濃度分布。馬魯英[30]通過Fluent軟件對傾斜天然氣管道內(nèi)低含液氣液兩相流動的流動特性進行了研究，分別觀察了傾斜管內(nèi)積液的運動情況、積液在傾管內(nèi)平鋪長度、臨界狀態(tài)傾斜管內(nèi)速度場的分布、臨界持液率等。梁鈺[31]基于數(shù)值模擬軟件CFD對傾斜井筒中的積液特性進行了研究。通過模擬得出正常生產(chǎn)中的氣井壓降隨入口氣體流速、體積含液率以及傾斜角度的增加而增加。

隨著近年來計算機技術(shù)飛速發(fā)展，對于低含液氣液兩相流動的研究可借助計算流體力學模擬軟件進行。數(shù)值模擬克服了實驗研究條件的局限性以及理論解析的復雜性。

4 結(jié)束語

早期關(guān)于低含液氣液兩相流的流動機理及流動特性的實驗研究受制于實驗條件，大多集中在小管徑、水平管內(nèi)的流動[32]。近年來，隨著計算機模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，對低含液氣液兩相流的研究在實驗的基礎(chǔ)上與計算流體力學模擬軟件相結(jié)合，擴大了實驗范圍，克服了實驗條件的局限性，提高了計算精度。值得注意的是，目前低含液氣液兩相流所處的實際工況一般為大管徑、多起伏管路[33]，這與實驗工況相差較大，未來模擬實驗的工況應力求接近實際，為低含液氣液兩相流動的實際應用提供可靠的流動保障方案。

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Research Review of Low Liquid Loading Gas-Liquid Two-phase Flow in Oil and Gas Pipelines

1,1,2

（1. Xi'an Shiyou University, Xi'an Shaanxi 710000, China;2. PipeChina West Pipeline Company, Lanzhou Gansu 730000, China）

Low liquid loading gas-liquid two-phase flow widely exists in petroleum pipeline system. in this paper, two typical working conditions of gas-liquid two-phase flow with low liquid content (natural gas production well and long-distance pipeline wet gas transportation) were introduced, and the research status of gas-liquid two-phase flow with low liquid content was summarized, and it was pointed out that the working conditions of experiments or numerical simulation in the future should be close to reality, so as to provide a reliable flow assurance scheme for the practical application of low liquid loading gas-liquid two-phase flow in oil and gas pipelines.

Low liquid loading gas-liquid two-phase flow; Natural gas production; Wet gas transportation

2022-04-15

韓楚君（1998-），女，湖北省荊州市人，碩士，研究方向：低含液氣液兩相流數(shù)值研究。

TE83

A

1004-0935（2023）02-0286-03