油氣混輸管道段塞流模擬及段塞流捕集器設(shè)計(jì)研究

張庚興 石小磊 丁晗

1. 中油（新疆）石油工程有限公司 新疆 烏魯木齊 830026 2. 新疆金戈壁油砂礦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 新疆 克拉瑪依 834000 3. 中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣生產(chǎn)技術(shù)部 新疆 庫(kù)爾勒 841000

段塞流是多相管流最常遇到的一種流型，在許多操作條件下（正常操作、啟動(dòng)、輸量變化）混輸管道中常出現(xiàn)段塞流。其特點(diǎn)是氣體和液體交替流動(dòng)，充滿整個(gè)管道流通面積的液塞被氣團(tuán)分割，氣團(tuán)下方沿管底部流動(dòng)的是分層液膜。管道內(nèi)多相流體呈段塞流時(shí)，管道壓力、管道出口氣液瞬時(shí)流量有很大波動(dòng)，并伴隨有強(qiáng)烈的振動(dòng)，對(duì)管道及與管道相連的設(shè)備有很大的破壞。為確保管道下游的工藝裝置正常運(yùn)行，應(yīng)設(shè)計(jì)段塞流捕集器[1]。

1 流態(tài)及計(jì)算關(guān)系式

1.1 流態(tài)

TDB流態(tài)圖以氣液相表觀流速為縱橫坐標(biāo)，將氣液兩相流動(dòng)分為五種流態(tài)。TDB流態(tài)圖如圖1所示。

圖1 TDB流態(tài)圖

1.2 計(jì)算關(guān)系式

段塞流的段塞單元由液塞區(qū)和液膜區(qū)組成。液塞區(qū)不含氣相，持液率等于1；液膜區(qū)上方有氣泡，持液率小于1[2-4]。

（1）布里爾（BRILL）關(guān)系式。最早應(yīng)用，假設(shè)段塞流大小是流體流速和管徑的函數(shù)。

（2）諾里斯（NORRIS）關(guān)系式。艾克森石油公司開(kāi)發(fā)，假設(shè)段塞流大小是管徑的函數(shù)。

（3）斯科特（SCOTT）關(guān)系式。SCOTT本人的博士論文，和NORRIS方法相同但增加了段塞發(fā)展的概念。

目前一般使用SCOTT關(guān)系式，且假設(shè)液塞長(zhǎng)度按對(duì)數(shù)正態(tài)分布，最大液塞長(zhǎng)度出現(xiàn)的概率為0.001。

2 段塞流分類

2.1 水動(dòng)力段塞流

管道內(nèi)氣液表觀流速處于流態(tài)圖段塞流范圍內(nèi)所誘發(fā)的段塞流。

2.2 地形起伏誘發(fā)段塞流

由于液相在管道低洼處積聚，局部堵塞氣體通道而誘發(fā)的段塞流，常在低氣液流量下發(fā)生。

2.3 強(qiáng)烈段塞流

通常在兩海洋平臺(tái)間的連接管道上發(fā)生。定義為：液塞長(zhǎng)度大于立管高度的段塞流[1]。

3 段塞流模擬分析

克拉蘇氣田某油氣混輸管道輸送天然氣1050×104Nm3/d，凝析油12t/d，末端進(jìn)站壓力72bar；管道規(guī)格為D813×14/L360N，設(shè)計(jì)壓力100bar；管線長(zhǎng)89 km，管線沿線高程變化見(jiàn)圖2。穩(wěn)態(tài)工況管線起點(diǎn)壓力82.5bar，末端壓力72bar。

圖2 油氣混輸管道沿線高程及壓力變化

3.1 運(yùn)用OLGA 軟件模擬段塞流量

（1）OLGA軟件運(yùn)行期間（穩(wěn)態(tài)）段塞流模擬。

運(yùn)用OLGA模擬混輸管道運(yùn)行，管線末端持液率為0.3，管線末端液體質(zhì)量流量變化明顯，產(chǎn)生了段塞流。OLGA模擬穩(wěn)態(tài)段塞流見(jiàn)圖3。

圖3 OLGA模擬穩(wěn)態(tài)段塞流

運(yùn)用OLGA模擬混輸管道運(yùn)行，管線末端累計(jì)液體體積為11.2m3；管線末端設(shè)置處理能力為120 m3/d的段塞流捕集器，用時(shí)2.1h能夠處理完成。OLGA模擬穩(wěn)態(tài)段塞流量如圖4。

圖4 OLGA模擬穩(wěn)態(tài)段塞流量

（2）OLGA軟件清管期間段塞流模擬。

運(yùn)用OLGA模擬混輸管道清管，0.5d時(shí)，開(kāi)始清管；0.9d時(shí)，清管完成；清管結(jié)束時(shí)管線末端持液率為0.8，管線末端液體質(zhì)量流量變化明顯，產(chǎn)生了段塞流。OLGA模擬清管段塞流如圖5。

圖5 OLGA模擬清管段塞流

運(yùn)用OLGA模擬混輸管道清管，管線末端累計(jì)液體體積為1105m3；管線末端設(shè)置處理能力為2000 m3/d的段塞流捕集器，用時(shí)13h能夠處理完成。OLGA模擬清管段塞流量如圖6[5-7]。

圖6 OLGA模擬清管段塞流量

4 段塞捕集器設(shè)計(jì)

段塞捕集器液體處理量應(yīng)大于混輸管道運(yùn)行期或清管期的最大段塞量[4]。

4.1 段塞捕集器的種類

目前，我國(guó)的段塞捕集器主要采用的是容器式段塞捕集器和管式段塞捕集器[8-9]。

4.2 斜管式段塞捕集器工作原理

斜管式段塞捕集器利用下傾的管道有利于氣液分層的特點(diǎn)，對(duì)氣液混合物進(jìn)行強(qiáng)制分層，分離出的氣體經(jīng)過(guò)豎直集氣管匯集進(jìn)入容積式分離器的氣相入口。

5 工程應(yīng)用

根據(jù)克拉蘇氣田某油氣混輸管道工況需要設(shè)計(jì)的斜管式段塞流捕集器見(jiàn)圖7：

圖7 斜管式段塞捕集器

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)TDB流態(tài)圖，氣液混輸段塞流與氣、液相表觀流速有關(guān)；段塞流可分為三種類型?？蛇\(yùn)用OLGA軟件模擬段塞流量；根據(jù)最大段塞流量，設(shè)計(jì)段塞流捕集器。