機動管線氣頂排空過程持液率特性的實驗研究

姜俊澤，張偉明，雍歧衛，蔣 明

機動管線氣頂排空過程持液率特性的實驗研究

姜俊澤＊，張偉明，雍歧衛，蔣 明

（后勤工程學院軍事供油工程系，重慶 401331）

根據鋼質機動管線的結構特點，利用空氣和水具有不同介電常數的性質，設計制作了雙絲電容探針持液率檢測裝置，并用該裝置對排空過程中管內的持液率進行了實測。實驗發現，雙絲電容探針對鋼制機動管線的持液率變化敏感，可用于管線截面持液率的測量，并可通過持液率判斷排空過程的主要流型。另外，管內的持液率與排氣量和氣壓力密切相關，排氣量越大，管內越容易形成段塞，且段塞內部的持液率較低，管內的平均含氣率較高。相反，排氣壓力越大，管內出現段塞的頻率和數量越少，且段塞內部的持液率較高，說明較大的排氣壓力可以提高管內的平均持液率，有利于接力泵的連續工作，提高排空速度。

機動管線；氣頂排空；雙絲探針；持液率；壓力；流量

0 引 言

機動管線是用快裝接頭連接、地面鋪設的一類管線系統，具有輸油方向靈活、機動性強的特點，在清管、撤收或改輸油品時需要將管內的油品排出，這一過程稱為排空。氣頂排空作為一種主要的排空方法，具有不受環境條件限制，不需要充足水源的優點。但由于受限于現役空壓機的性能，一般需要使用接力的方法排空，也就是泵在前、空壓機在后，形成前拉后推的作業模式。而在排空過程中，管內會形成氣液兩相流，當氣液混合物經過離心泵時，會發生氣蝕，對泵的葉輪產生沖擊，使泵受到機械損傷，降低其工作效率。因此，若要保證排空不間斷地進行，關鍵是要準確預測管內氣液混合物的位置或是管內某一截面處的持液率，分析持液率的變化規律，同時持液率也是兩相流系統的一個重要運行參數。很多學者都對不同工況下兩相流的持液率進行了研究。呂宇玲等［1］利用環狀探針和雙平行探針對47mm管道內的氣液兩相流的持液率進行了檢測研究，得到了持液率隨氣、液量和壓力的變化特點。王海琴［2］等針對內徑50mm的水平管段，采用雙平行電導探針對段塞流持液率與壓力波動的關系以及折算氣速、折算液速變化對持液率的影響等問題進行了研究，研究發現，波動能更真實地反映段塞流動特性，可以用來確定液塞頻率。羅小明等分析了持液率波動的概率密度與段塞流中各區域的對應關系［3］。張友波等［4］對油氣混輸管線中影響持液率的因素進行了定量分析。肖榮鴿等［5］采用雙圓環界面模型來計算低液量水平管道中氣液兩相分層流的持液率，建立了氣液分層流的計算機理模型，得到了較好的預測效果。西安交通大學的郭烈錦等［6］設計制作了電容探針用于有機玻璃管內氣液兩相流持液率測量的裝置，該裝置對于典型的氣液兩相流型的持液率變化較為敏感。雖然對氣液兩相管流持液率的檢測取得了一定成果，但對于排空過程管流持液率的研究還未見報道。本文作者在前人研究方法的基礎上，結合機動管線的結構和作業實際，設計制作了持液率檢測裝置，用于分析排空過程中氣液兩相流的持液率特性，指導管線的氣頂排空作業。

1 持液率測量原理

1.1裝置的設計

在兩相流系統里，影響持液率的因素很多，除了流體物性以外，還包括管徑、管線傾角、氣液流速等因素。目前用于管內截面持液率測量的方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量［7］。非接觸式測量方法主要有射線法（γ、χ等射線）、光學法、熱學法、核磁共振法和微波法等。非接觸式測量的優點在于不破壞管線系統，不會對管內的流體造成擾動，但測量精度和分辨率不高，且成本較高。接觸式測量的基本原理主要有電導法、電容法和快關閥法等，接觸式測量具有檢測精度高，實時性好的優點，更適合實驗環境下使用，因此，本文選用雙電容探針進行排空過程持液率的測量。

系統的測量原理和具體制作方法如下：采用不銹鋼絲作為探針的兩極，不銹鋼絲具有較好的強度和良好的導電性，在不銹鋼絲外均勻地噴涂聚四氟乙烯層，該環狀聚四氟乙烯層即成為電容探針的固定電解質。當導電流體接觸探針時，電極內的鋼絲與聚四氟乙烯和導電液體共同組成了一個電容器，輸出的電容值隨與液體接觸長度的變化而變化，將得到的電容信號轉變成電壓信號輸入數據采集系統，便可得到管內截面上的持液率或含氣率。由于聚四氟乙烯有穩定的電學性質，其電絕緣性和介電常數在很寬的范圍內不受環境溫度和激勵頻率的影響，且具有固體材料中最小的表面張力，不會粘附被測流體，所以對截面持液率的測量十分靈敏和精確。

當導電流體與探針在某處的接觸長度為h時，該處形成的柱狀電容值為C1：

式（1）和（2）中：ε為聚四氟乙烯的介電常數，D，d分別為電容探針外徑的中心位置和不銹鋼絲的直徑。當導電流體與探針完全接觸時的電容為：

2根探針在導電流體的連接下，形成1個串聯的電容器，電容值為C2：

由式（2）、（3）得：

式（4）中，h為與置于管線內電容探針接觸的導電流體的總長度。

式（1）中的ε，D，d都是確定的常數，由式（2）可知任何時刻從電容探針檢測到的電容值只跟與流體接觸的探針長度有關且成正比。管內截面的持液率用hL表示，含氣率用α表示，那么截面持液率和含氣率的關系可表示為：

（1）電容傳感器

電容傳感器即為前面所述的2根涂有聚四氟乙烯的探針，為了滿足密封的要求，設計制作了探針支架和密封零件，其結構如圖1所示，在管線上的安裝如圖2所示。

（2）電容電壓轉換電路

電容電壓轉換電路由2部分組成：一是電容電壓轉換部分，采用CAV424芯片將電容轉化為標準1～5V電壓信號；二是放大電路，采用AM401芯片將前面的輸出信號放大，提高采集系統的分辨率，如圖3所示。

1.2探針的標定

標定前，先測量管線內的單絲電容探針全部浸沒在純水中時輸出的最大電壓，然后測量無水狀態下系統輸出的電壓值，設置量程的上下限，完成對測量系統的初始化。標定過程中，用量筒向管內注水，記錄每次注入水的體積，通過式（6）計算出液層高度和注水體積之間的關系，測量每次輸出的電壓值。

圖1 雙絲電容探針結構圖Fig.1 Structure schematic of capacitance probe

圖2 探針在管線上的安裝Fig.2 Probe installing on the pipe

圖3 信號處理電路Fig.3 Signal processing circuit

式中：R為管線半徑；h為探針測得的液位高度；L為管長；θ為半徑與液體間形成扇形的頂角的一半。

裝置的標定結果如圖4所示。圖中橫坐標是管內無量綱液位高度，縱坐標是輸出電壓值。標定結果表明，系統的輸出信號與相含率具有良好的線性關系和測量精度。另外，在進行實驗之前，使用探針對排空過程管內的持液率變化情況進行了多次測量，結果基本一致，因此認為檢測裝置的工作是穩定的。

圖4 持液率測量系統的線性標定Fig.4 Linear fitting of liquid holdup measurement

2 實驗流程

在室外鋪設1100m的DN100水平管線，管線沿線等距布置6個雙絲電容探針和壓力變送器，每組探針距離入口分別為126，246，366，488，780和906m，實驗流程見圖5。實驗時，用泵將儲液罐中的水充滿管線，這時需關閉ZF3，打開ZF1、ZF2和ZF4，充水即將結束時，先緩慢關閉ZF1再停泵，以保證水充滿管線；排空時將ZF1和ZF4關閉，打開ZF2和ZF3，打開空壓機，將水排回到儲液罐，檢測沿線的持液率和壓力變化。

圖5 實驗流程圖Fig.5 Flow chart of experiment

3 各點持液率隨時間的變化特征

圖6描述的是空壓機排氣量為5m3／min，排氣力為0.5MPa時的管線沿線持液率變化情況，圖（a）～（f）分別對應1～6號測點。

由圖5可見，排空開始后，管內沿線各點的持液率發生變化，先是平滑下降，而后出現劇烈波動，說明探針對管內截面的持液率變化敏感。另外，分析各圖中持液率的變化情況，在57s時，第1個測點的持液率開始下降，而其他各點的持液率沒有變化，到220s時該點持液率基本維持穩定，說明在排空過程中管線上游一直存在一個極薄的液層，這是分層流的主要特征［8］。隨著排空的進行，2、3、4測點的持液率也開始下降并出現近似周期性的波動，但在前期沒有形成液橋，說明在管線上游形成了準段塞流［9－10］。隨后測點2的持液率又急劇增加到1，表明液體已經完全占據該截面，測點的持液率變化表現出明顯的間歇性特征，說明管內形成段塞流［11－12］。3、4、5測點的這一規律表現也較為明顯，而接近管線下游的6號測點則表現出劇烈的跳動和下降趨勢，說明氣液混合段的尾端即將離開測點，并且在排空段的末端出現環空的霧狀流［13－14］，當形成霧狀流時，氣體為連續相，液體為分散相，當小液滴以隨機方式碰撞探針時，會出現持液率的劇烈波動。根據各測點持液率的變化情況，排空過程氣液兩相流應該經歷了分層流—準段塞—段塞流—霧狀流的演變過程，這與文獻［15］的模擬結果是一致的。

圖6 排空過程各測點的持液率變化Fig.6 Liquid holdup variation during draining

4 排氣量對管內持液率的影響

圖7描述的是排氣壓力為0.7MPa，排氣量分別為5，7和10m3／min工況下，管內各點持液率的變化情況。

圖7 相同壓力，不同氣體流量下的持液率Fig.7 Liquid holdup influenced by gas flow rate

如圖7（a）所示，不同氣體流量下氣體前鋒到達第1個測點T1的時間分別為52，51和49s，說明排氣量對氣體流速的影響不大，但當排空進行到400s左右時，隨著氣體流量的增大，T1處的持液率分別逐漸減小。在80s以后，2、3、4、5測點已具有明顯的段塞流特征，隨著氣體流量的增大，段塞的液塞和液層處的持液率均降低，管內的平均持液率也降低。而且由圖7（b）可見，排氣量越大，越容易形成段塞。根據K－H不穩定性準則［16］，這是由于增加氣體流量時，氣液兩相局部表觀速度差也隨之增大，更容易滿足段塞形成的條件。

5 排氣壓力對管內持液率的影響

圖8描述的是在空壓機排氣量為5m3／min，排氣壓力分別為0.5，0.6和0.7MPa時管內各點持液率的變化情況。

如圖8（a）所示，隨著排氣壓力的增加，氣體到達T1的時間不斷縮短，說明排氣壓力對氣體流速的影響較大。當排空進行到100s時，T2測點開始形成段塞，隨著排氣壓力的增大，段塞內液層區的持液率升高，但段塞的頻率和數量減少。這說明在較大的排氣壓力下，管內的持液率可以維持在較高水平，管內平均氣體含量降低了，也就是管內更不易形成氣液混合物，這有利于接力泵的連續工作，可有效提高排空速

圖8 相同氣體流量，不同壓力下的持液率Fig.8 Liquid holdup influenced by gas pressure

6 結 論

根據鋼質機動管線的結構特點，設計制作了雙絲電容探針持液率檢測裝置，并使用該裝置對氣頂排空過程管內的持液率進行了實測。主要得到以下結論：

（1）該裝置對鋼質機動管線管內持液率的變化敏感，通過持液率的變化可以判斷出排空過程管內的主要流型，有分層流、段塞流和霧狀流。

（2）管內的持液率與排氣壓力和排氣量密切相關。當排氣量增大時，管內更容易形成段塞，且段塞內部的持液率較低，這是由于增大了氣液表觀速度差引起的；而當排氣壓力增大時，管內出現段塞流的頻率和數量有所降低，且段塞內部的持液率較高，說明較大的排氣壓力可以提高管內的平均持液率，有利于接力泵的連續工作，提高排空速度。

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Experimental study on characteristics of the liquid holdup during mobile pipe draining

Jiang Junze＊，Zhang Weiming，Yong Qiwei，Jiang Ming
（Department of Oil Supply Engineering，Logistics Engineering University，Chongqing 401331，China）

According to the structure of the steel mobile pipeline，a suit of liquid holdup detecting device with two capacitance probes is designed and manufactured based on the different permittivity values between the water and the gas.The device was applied to measure the liquidholdup during mobile pipeline draining.Some results are found.First，the device is sensitive to the variation of liquid－holdup，so it can be used to measure the liquid－holdup during the draining online continuously，and the gas－liquid two phase flow pattern could also be judged by analyzing the liquid holdup variation.In addition，the liquid－holdup in the draining process is closely related to the gas pressure and flow rate.The higher the flow rate is，the more likely the slug flow occurs，the liquid－holdup is relatively low，and the gas percentage in the pipe is relatively high.On the contrary，the higher the pressure is，the lower the frequency and quantity of the slug flow occurrence are，and the liquid－holdup in the slug flow is relatively high.It shows that high pressure can increase the average liquid－holdup of the pipe，which is beneficial for keeping the pump working continuously and saving the time of draining.

mobile pipeline；draining pipe with compressed air；probe；liquid holdup；pressure；flow rate

TE832

：A

（編輯：張巧蕓）

1672－9897（2016）04－0048－08

10.11729／syltlx20150152

2015－12－12；

2016－03－10

后勤工程學院青年基金資助項目（YQ13－421126）

＊通信作者E－mail：154950688＠qq.com

Jiang J Z，Zhang W M，Yong Q W，et al.Experimental study on characteristics of the liquid holdup during mobile pipe draining.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：48－55.姜俊澤，張偉明，雍歧衛，等.機動管線氣頂排空過程持液率特性的實驗研究.實驗流體力學，2016，30（4）：48－55.

姜俊澤（1984－），男，吉林省梅河口市人，講師，博士。研究方向：油氣輸送技術與裝備研究。通信地址：重慶市沙坪壩區大學城后勤工程學院軍事供油工程系（401331）。E－mail：154950688＠qq.com