氣液混輸管道管式段塞流捕集器設計原理及實踐

袁 英,高強生,魏 納

(1.中石油南充燃氣有限責任公司,四川南充 637000;2.西南石油大學油氣藏地質及開發重點實驗室,成都610500)

氣液混輸管道管式段塞流捕集器設計原理及實踐

袁 英1,高強生1,魏 納2

(1.中石油南充燃氣有限責任公司,四川南充 637000;2.西南石油大學油氣藏地質及開發重點實驗室,成都610500)

段塞流是氣液混輸管道中一種常見的流型流態,對下游設備的壓力波動影響極大。從段塞流的動力特性出發,分析了段塞流的物理特性和國外管式段塞流捕集器的結構特點和分離原理,建立了一套管式段塞流捕集器主要參數的設計計算數學模型,對主要設計參數進行了敏感性分析,得出規律性認識并給出設計案例。對研究管式段塞流捕集器的設計方法和優化凝析氣田地面工藝流程有積極意義。

管式段塞流捕集器;設計方法;敏感性分析;案例

Abstract:The slug flow for gas-liquid multiphase pipeline is a common flow pattern in terms of flow pattern,its drawback is that for the downstream device has a tremendous pressure fluctuations.In this paper,dynamic characteristics of slug flow starting,first,the physical characteristics of slug flow analysis;Secondly,the foreign pipe slug catcher and the separation principle of structural characteristics was studied;a set of pairs of tubes type slug catcher design and calculation of main parameters of the mathematical model were re-established;Finally,the main design parameters to reach the design sensitivity analysis of the major design considerations and the design case were presented.This study of tubular slug catcher design methods and optimization of process gas condensate field on the ground has a positive significance.

Key words:tube-type slug catcher;design method;sensitivity analysis;case study

在凝析氣田的管輸過程中,由于溫度和壓力降而凝析出來的液態烴類物質和井口產出液體會與天然氣一起混輸,這些液態物質最易在管線低洼處聚集,因此在清管作業中清管器推動氣相和液相前進就形成了多相流里常見的流型——段塞流,如圖1。

段塞流是在2個氣段之間夾雜小氣泡向前流動的液體段塞,這種氣推液的作用很像活塞向前推進,因此形象地叫段塞流,其流動特點是當混合物繼續向前流動,壓力逐漸降低,氣體不斷膨脹,含氣率增加,小氣泡相互碰撞聚合而形成大氣泡,其直徑接近于管徑,快速運動的段塞超越其前面緩慢移動的液膜,形成不穩定壓力波向前傳遞。某試驗管段段塞流壓力及3管流測試米壓差如圖2。

圖1 段塞流流型

圖2 某試驗管段段塞流壓力及3管流測試米壓差

段塞流對于管道的下游設備,特別是處理廠的壓力波動影響特別嚴重,使用管式段塞流捕集器可穩定段塞波動壓力,并進行氣液分離,工作流程如圖3。

圖3 段塞流捕集器工作流程

目前,我國只有管式段塞流捕集器2臺,一臺是J Z20-2型混輸管路終端管式液塞捕集器,容量為600 m3;另一臺是正在建設的新疆某凝析氣田的長輸管道終端管式段塞流捕集器。無論在段塞流捕集器的建設速度和數量上都無法與國外相比,特別是其設計理論和計算方法都掌握在國外公司。因此,急需建立一套適合于氣液混輸管道壓力穩定的管式段塞流捕集器設計理論及計算方法。本文著重研究管式段塞流捕集器的結構、分離原理、設計原則、設計流程和設計方法,并以實際設計案例作為對象進行分析計算,對于建立具有我國自主知識產權的段塞流捕集器設計理論有積極意義。

1 結構組成和分離原理

管式段塞捕集器位于混輸管線的下游、中央處理廠的上游,主要有3個方面的作用。

a) 使多相流流型由段塞流向分層流轉化,有效分離液體。

b) 在最大段塞到達時,可作為帶壓液體的臨時儲存器。

c) 穩定管道壓力,確保下游設備正常工作。

1.1 結構組成及作用

管式段塞捕集器[1-2]主要包括:①入口分離段,用于氣液分離;②儲存段,是一組平行下傾管段,用于儲存段體(如圖4～5),通常由標準直徑的管段制造。

圖4 管式段塞流捕集器三維圖

圖5 管式段塞流捕集器正視圖

1.2 分離原理

通過段塞捕集器巨大的容積緩沖和減小混合物的流動速度,使段塞流轉變為分層流(如圖6),并利用氣液之間的密度差來進行重力分離,從而達到分離的目的。

圖6 分層流流型

按照均相流理論,氣液混合物在管道中的流速為

式中,v為氣液混合物流速,m/s;Q為氣液混合物體積流量,m3/s;d為管內徑,m。

當氣液混合物進入管式段塞捕集器后,由于流動空間突然加大,其流速轉變為

式中,v′為氣液混合物流速,m/s;d′為管內徑,m;n為段塞捕集器主管根數。

從式(2)可以看出,當管式段塞捕集器的主管根數較多時,混合物流速將大大低于管道中的氣液混合物流速,從而實現減速的目的。另一方面,由于捕集器的傾斜設計,此時的氣液相將重力分離,從而達到分離的目的。經過分離的氣相介質單一,流動穩定,使下游的中央處理廠壓力波動很小。

2 設計參數

2.1 最大集液量

捕集器中單位時間內的集液量可由捕集器入口與出口之間的液體質量差得出,假設液體密度為定值,且忽略液塞的加速度,則集液速率為

集液體積為

式中,vm為混合物速度,m/s;HLS為段塞持液率,無量綱;AP為捕集器入口管線橫截面積,m2;qd為液體排量,m3;vt為段塞平移速度,m/s;Lsmax為最大段塞長度,m。

2.2 管徑和長度

由 Taitel～Dukler[3-5]公式可以看出,增加總管徑并使捕集器向下傾斜可以實現段塞流向分層流的轉變,即

式中,v′g為流型轉變時的氣相速度,m/s;h1為液相高度,m;d為管內徑,m;ρl為液相密度,kg/m3;ρg為氣相密度,kg/m3;g為重力加速度;Ag為氣相橫截面積,m2;Al為液相橫截面積,m2;α為管子傾角,(°)。

當氣體真實速度vg＜v′g時,捕集器內將發生分層流[3]。由于捕集器內的液體可能會滯留,所以,應在此計算基礎上增大捕集器管徑。增大捕集器管徑后聯立求解氣液分層流動量方程,可以得到工況下的持液率HL。由式(5)可計算在分層流時某一氣相速度下的最大液相速度,相應地可以確定流型轉變時的真實持液率H′L。由2種持液率差值可求得捕集器內要處理的集液體積。

捕集器長度的計算式為

式中,Lc為捕集器長度,m;Ac為捕集器橫截面積,m2;H′L為轉變工況持液率,無量綱;HL為操作工況持液率,無量綱。

3 工藝參數敏感性分析

由于捕集器長度是決定段塞流捕集器投資和占地的最主要因素,因此以模擬的基礎數據為例,按照所建立的數學模型在VB6.0條件下編制程序,對捕集器的管徑、管根數、管長進行敏感性分析,從而得出管式段塞流捕集器工藝設計參數的規律性認識。基礎數據如表1。

表1 設計基礎數據

在其他參數不變的條件下,計算管根數、管徑和管傾角對捕集器長度的影響,如圖7～9。由圖7～9可以看出,增大管式捕集器的管徑可減小捕集器長度,但隨管徑的增大捕集器長度的減小量下降,在實際設計中可采用混輸管道主管道的管徑,這樣就避免了變徑管段;增加捕集器的管數可減少捕集器長度,但隨管數的增多捕集器長度的減小量急劇下降,貢獻不大,且較多的管數會使來液氣不容易達到均勻分配;下傾角在超過1°后捕集器長度的變化很小,因此下傾角最好不超過1°,宜選取0.5°。

圖7 不同管數管徑對捕集器長度的影響

圖8 不同管徑管數對捕集器長度的影響

圖9 不同管徑管傾角對捕集器長度的影響

對于管式捕集器管徑、長度和管數的選擇,建議采用計算總投資的方法。

4 設計案例

新疆某凝析氣田日產氣量200×104d、混輸管線長25.5 km、清管液相流速3.27 m/s、積液量81 m3、液相密度775 kg/m3、溫度32.4 ℃。應用本文建立的數學方程編制程序,設計清管作業及日常生產中的段塞流捕集器,設計參數及工況如表2,設計結果如表3。

由表3知,在相同直徑和管傾角條件下,不同管數的捕集器投資管總長基本相同。如果選用4管段塞捕集器,其投資管總長在3種方案中最大,且單根長度達到35.26 m,其入口高度與地面相差0.31 m,施工難度較大。若選用8管段塞捕集器,考慮到8根管段不容易達到每根管段均勻分配來液氣,從而影響分離效果。因此,從考慮占地、施工難度以及分離效果來看,建議選用6根管的管式段塞流捕集器。

表2 設計參數基礎值

表3 設計結果

5 結論

1) 管式段塞流捕集器可以穩定下游設備壓力波動。本文在國外管式段塞流捕集器基本結構設計的基礎上,采用流體力學流型流態劃分方法,建立了從段塞流向分層流轉變的段塞流捕集器設計準則。

2) 根據管式段塞流捕集器的結構特點結合多相流基本理論,建立了結構參數的計算方法和設計流程。

3) 增大管式捕集器的管徑可減小捕集器長度,但隨管徑的增大捕集器長度的減小量下降;增加捕集器的管數也可減少捕集器長度,但隨管數的增多捕集器長度的減小量急劇下降;下傾角的選取不宜超過1°。

4) 以新疆某天然氣凝析氣田中央處理廠上游混輸管段基礎數據為例,設計了一套管式段塞流捕集器,并對其主要技術參數進行了計算和優化選擇。

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Design Principles and Practice of Pipeline-tube Gas-liquid Slug Flow Trap

YUAN Ying1,GANG Qiang-sheng1,WEI Na2
(1.Gas Co.,L td.of Nanchong,CN PC,Nanchong637000,China;2.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

TE973

A

1001-3482(2010)10-0029-04

2010-04-23

科技攻關計劃(中俄合作)項目(05GG021-021)

袁 英(1973-),女,四川南充人,工程師,1995年畢業于西南石油大學油氣儲運專業,從事天然氣管道設計工作,E-mail:weina8081@163.com。