多相流模擬試驗環路流型分析

周 凱 王守波 范玉楊 蘇 鋒 馮福祥

1海洋石油工程股份有限公司

2寧波威瑞泰默賽多相流儀器設備有限公司

多相流模擬試驗環路流型分析

周 凱1王守波2范玉楊1蘇 鋒1馮福祥2

1海洋石油工程股份有限公司

2寧波威瑞泰默賽多相流儀器設備有限公司

在石油生產設備中，很多多相流檢測設備都需要用多相流模擬試驗環路進行測試，多相流模擬試驗環路管路的設計是關鍵技術之一。結合國家科技重大專項“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”課題的研發實際，采用流型預測模型，對多相流模擬試驗環路不同管徑的管道進行模擬分析，并根據多相流模擬試驗環路所能提供的多相流介質數據條件，預測了12種組合工況下的流型，為多相流模擬試驗環路系統產生穩定流型的設計提供理論依據，為多相流模擬流型測試提供理論數據。

多相流；模擬試驗環路；流型；流量；壓力

引言

在油氣田生產過程中，廣泛地采用了多相流測試設備。多相流設備在出廠FAT測試時，需要多相流模擬試驗環路提供模擬多相流工況對設備性能進行測試。由于多相流設備的多樣性，生產廠家地點的不確定性，要求多相流模擬試驗環路具備可移動性。國家重大專項“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”課題任務——多相流模擬技術與裝置研究，就是針對不確定地點的多相流設備測試進行移動式多相流模擬回路研制，從而方便裝置的安裝和運輸。

本文主要是采用流型預測模型，模擬生成了不同管徑與流動條件下的流型圖，提供了2 in（1 in= 2.54 cm）和3 in管道管徑對應的最小直管長度，為多相流模擬回路產生穩定的不同流型提供理論依據，為多相流模擬流型測試提供理論數據。同時也模擬計算了一個4 in管道用于檢驗管徑對多相流產生的影響。

1 流型預測模型

本文使用的流型預測模型[1]適用于預測水平管道和傾斜±10°以內管道中的充分發展、處于穩定狀態的牛頓流體的流型。水平管道流型圖[2]的起始點是均衡的分層流，如圖1所示。假定流體流態是分層流，可以據此確定流體的液面等參數。然后進行穩定性分析，來確定流體的狀態是否處于穩定狀態。如果流體處于穩定狀態，當前的流型就是分層流；如果流體處于不穩定狀態，流型會轉變為最終可確定的非層流流型。

圖1 水平管道流型

1.1 分層流向非分層流轉變

如果流體處于穩定狀態，最終的流型是分層流。對于不穩定的流動狀態，會發生至其他流型的轉變。

流型轉變的邊界曲線由下式決定

式中：

VG——氣體流速，m/s；

hL——液面高度，m；

d——管道直徑，m；

ρL——液體密度，kg/m3；

ρG——氣體密度，kg/m3；

θ——管道與水平面的夾角，弧度；

AG——氣相的管道截面積，m2；

SI——連接管道長度，m。

在曲線AA上，當公式（1）左側的流速大于右側表達式的值時，表明伯努利吸引力克服重力使流體不穩定，從分層流向非分層流過渡。另一方面，如果不等式不成立，則流體處于穩定狀態，管道中的流型為分層流。

1.2 間歇流或分散泡狀流向環狀流轉變

在曲線BB上，隨著氣相流量或液相流量增大，分層流變得不穩定，并向非分層流轉變。在不穩定的流動狀態下，可能發生以下現象：在底氣流量、高液流量的情況下，管道內的液位較高，波浪能夠從氣液界面獲得足夠的液體補充從而持續增長，最終堵塞管道。堵塞管道的液相部分形成穩定的液塞，從而發展成為段塞流。然而，在低液流量、高氣流量的情況下，管道內的液位較低。在這種情況下，氣液界面的波浪無法得到足夠的液體補充，被高速氣流卷起分布在管壁上。在這些情況下，形成環狀液面而不是液體段塞，形成環狀流。

1.3 光滑分層流向波狀分層流轉變

在曲線CC上，當氣相流速不足以引起流體不穩定并轉變為非層流流型時，可使光滑分層流向波狀分層流轉變。一般而言，當由氣相施加的壓力和剪切力能克服液相黏性耗散力時，在分層流流體的表面會形成波浪。

1.4 間歇流向分散泡狀流轉變

在曲線DD上，高液相流速情況下發生間歇流向分散泡狀流轉變。在這種條件下，平衡液位較高接近管壁上側。由于浮力作用，氣相以薄氣袋的形式集中在管道頂部。對于足夠高的液相流速，氣袋被粉碎成混在液相中分散的小氣泡。因此，當液相中的湍流脈動強到足以克服使氣體以氣袋的形式保留在管道頂部的凈浮力時，流型轉變為分散泡狀流。

2 模擬分析

2.1 最小直管長度

為了產生穩定的流型，多相流生成管道必須滿足最小直管長度要求。如圖2所示，推薦的入口段長度從氣-液混合點開始為管道直徑的120倍。同時推薦的管道具有一段長為35倍管徑的管道（一個單位的最大段塞流長度）。在段塞流工況下，出口會產生穩定的段塞流。不同管道直徑（2、3、4 in）生成穩定段塞流的最小長度要求如表1所示。

2.2 操作條件

設計壓力：1.2 MPa（表壓）；設計溫度：100℃；操作壓力：0.7～1.0 MPa（表壓）；操作溫度：2.5～70℃；氣流量：0～500 Sm3/h（1 m3（20℃）=0.985Sm3（15.6℃）=0.932Nm3（0℃））；油流量：0～18 m3/h；水流量：0～18 m3/h；管徑：2，2，4 in；管道材質：SA106。

圖2 最小直管段長度

表1 各種管道直徑和最小長度

2.3 流體性質

25#變壓器油的物性數據如下。表面張力（22℃時）：28.767 mN/m；密度（20℃）：850.5 kg/m3；運動黏度：35.75 mm2/s（0℃），13.98 mm2/s（20℃），7.108 mm2/s（40℃），5.398 mm2/s（50℃），2.074 mm2/s（100℃）。

2.4 模擬數據輸入

多相流模擬回路將以三種流體組合操作：氣-水、氣-油、氣-油-水；三種水平模擬管道：2、3、4 in。

采用專業軟件繪制流型圖。軟件根據氣液相的表觀流速確定不同流型之間轉變的邊界曲線。計算出的轉變曲線被繪制在以Vsl和Vsg為坐標軸的流型圖上，其中Vsl和Vsg分別為氣液相的表觀流速。

軟件需要輸入以下數據：管徑（in），傾角（角度），液體密度（水的密度、油的密度或油水混合物的密度），氣體密度（空氣密度），液體黏度（水的黏度、油的黏度或油水混合物的黏度，mPa·s），氣體黏度（空氣黏度，mPa·s），溫度（℃）和壓力（MPa），并假定管道連接段平滑。

為計算Vsl，選定4個不同的液相流量：1、5、10和18 m3/h。為計算Vsg，選定3個不同的氣相流量：50、250和500 S m3/h。4個Vsl和3個Vsg組成12個操作點，每個Vsl值對應3個不同的Vsg。

3 模擬分析

在本項目模擬計算出的每個流型圖（如圖3～圖8）中，藍線下面的每個操作點表示分層流；品紅和藍色曲線交點右側的每個操作點表示環狀流；位于品紅和藍色曲線上部和紫色曲線下部區域的操作點表示間歇流；紫色曲線上部區域的操作點表示泡狀流。

圖3 流型圖（2 in水平管道，壓縮空氣-水流體，T=0℃，P=1 MPa）

圖4 流型圖（2 in水平管道，壓縮空氣-水流體，T=50℃，P=1 MPa）

圖5 流型圖（3 in水平管道，壓縮空氣-油-水流體，含水率50%，T=0℃，P=1 MPa）

圖6 流型圖（3 in水平管道，壓縮空氣-油-水流體，含水率50%，T=50℃，P=1 MPa）

4 結語

(1）多相流發生裝置的2和3 in管徑在模擬計算給定的操作和流動條件下可以產生理想的流型，如泡狀流、分層流、段塞流和環狀流。在最大油和水流量下，可能需要4 in管道產生理想的流型。

圖7 流型圖（4 in水平管道，壓縮空氣-油-水流體，含水率50%，T=0℃，P=0.5 MPa）

圖8 流型圖（4 in水平管道，壓縮空氣-油-水流體，含水率50%，T=0℃，P=0.5 MPa）

（2）溫度對氣-水流體系統的影響很小。僅光滑分層流和波狀流的轉變曲線因較高溫度下氣體密度減小而向左移動。

（3）溫度對氣-油流體系統具有顯著影響。原因是在較高溫度下，油品黏度顯著降低。

（4）大管徑更容易產生分層流；氣相密度減小（如較低的壓力、較高的溫度等），分層流區域增大；黏性流體更容易產生段塞流，不易產生分層流；含水率增大使液相黏度減小，同樣黏度也受溫度影響較大。

[1]PereyraE，Torres．FLOPATNflowpatternpredictionand Plotting computer code[C]//Computer Code vx 1.0．Oklahoma U of Tulsa，2005：131-187.

[2]Taitel Y，Dukler．A model for predicting flow regime transition in horizontal and near horizontal gas-liquid Flow[J]．AIChE J，1976（22）：1-47.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.10.008

周凱：工程師，研究生，主要從事海洋石油工程流動保障及工藝技術研究工作。

2015-06-16

基金論文：國家科技重大專項“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”（2011ZX05027-004)資助。

15822954753、whffx01@163.com