水平分支型集輸管匯偏流程度數值模擬研究*

陳海宏 李清平 姚海元

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028; 2. 天然氣水合物國家重點實驗室 北京 100028)

管匯作為油氣田集輸工藝系統中的關鍵設備，起著前部流體收集和后部流體分配的雙重作用。在海上油氣田集輸工藝系統中，管匯主要用于收集各井口采出物，并將其輸送至下一級油氣處理設施。部分油氣田(如荔灣3-1氣田、陵水17-2氣田)的下一級油氣處理設施由兩臺并聯的氣液分離器組成[1]。管匯將氣液混合物分配至并列的分離器時，經常出現流量分配不均的現象，造成氣液分離系統無法高效運行，影響了集輸工藝系統運行的安全性與經濟性[2-3]。管匯內流體在分流處進行流量分配時，氣相、液相流量分配不均勻的現象稱為“偏流”。單相流管匯偏流的主要原因為各分支管內壓力分布情況不一致[4-7]以及慣性力的作用和湍流的影響[8]等。與單相流管匯偏流原因相比，氣液兩相流管匯偏流原因還包括兩相流流型的影響、氣液兩相慣性力的差異、拖曳力的影響等[9-11]。決定管匯偏流程度高低的因素有幾何因素、運行參數和流體物性等[12-18]。幾何因素包括分支管數目、分支管間距和分流結構等，運行參數包括氣相折算速度、液相折算速度和氣液比等，流體物性主要是指液相黏度。管匯內用于流體流量分配的主要元件為T型三通管。根據T型三通管的結構不同，可將管匯分為分流型管匯和分支型管匯(圖1)。對于分流型管匯，由于分流結構的特殊性，無論是單相流還是氣液兩相流都會不可避免地會出現偏流現象，其主要原因為慣性力的影響[3]。當氣相折算速度較低時，在拖曳力的作用下，氣液兩相流分流型管匯內各出口管路不僅氣液混合物總流量不一致，而且氣液比也不相同，即偏流時伴隨著相分離現象。對于分支型管匯，如果管匯幾何結構完全對稱并且各分支管出口壓力相同，那么理論上主管內流體到達分流處后，氣相和液相都將均勻地分配至各分支管。然而，實際生產中分支型集輸管匯卻經常出現分支管流量分配不均的現象。本文以水平分支型集輸管匯為研究對象，選用FLUENT作為模擬軟件分析了管匯入口來流氣相折算速度、液相折算速度對水平雙出口與四出口管匯偏流程度的影響規律，并深入開展了水平雙出口管匯偏流敏感性分析，獲得了分別考慮分支管出口壓力不相等、分支管長度不相等、分支管管徑不相等時管匯偏流程度隨來流氣相、液相折算速度的變化規律，從而為合理控制集輸管匯的偏流程度提供了參考依據。

圖1 分流型管匯與分支型管匯示意圖

1 管匯幾何結構及數值模擬仿真模型

1.1 管匯幾何結構

結合實際生產中常見的分支型管匯幾何尺寸，本文所研究的水平四出口、水平雙出口分支型管匯幾何結構如圖2所示，每段管路的內徑均為0.25 m、長度均為6 m。

圖2 水平分支型管匯幾何模型

1.2 FLUENT仿真模型

選用Mixture模型描述管匯內氣液兩相流流動過程，選用標準k-ε湍流模型描述湍流狀態。管匯入口采用速度控制模式，各出口均采用壓力控制模式。

1.2.1Mixture模型

本文研究的管匯尺寸較小，流體在管匯內流動時溫度變化較小，故不涉及相態轉變過程，即可以不考慮能量方程，因此僅需考慮連續性方程和動量方程。

1) 連續性方程。

(1)

式(1)中：ρm為氣液混合物的密度，kg/m3；vm為氣液混合物的流速，m/s。

2) 動量方程。

(2)

式(2)中:p為壓力，Pa；μm為氣液混合物動力黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2；F為體積力，N；αn為混合物中第n相體積分數；ρn為氣液混合物中第n相的密度，kg/m3；vdr,n表示混合物中第n相的漂移速度，m/s；N為混合物中相的總數。

1.2.2湍流模型

Gk+Gb-ρmε-YM+Sk

(3)

(4)

式(3)、(4)中:k為湍動能，m2/s2；xi為i方向位移，m；ui為混合物在i方向上的速度分量，m/s；μ為混合物黏度，Pa·s；μt為湍動黏度，Pa·s；ε為湍流耗散率，m2/s3；σk、σε分別為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數；Gk為平均速度梯度引起的湍動能項，kg·m·s-3；Gb為浮力引起的湍動能項，kg·m·s-3；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，kg·m·s-3；Sk、Sε為源項，kg·m·s-3；C1、C2、C3為無量綱常數，分別取1.44、1.92、0.09。

2 水平分支型管匯偏流數值模擬分析

2.1 不同分支型管匯偏流分析

1) 水平四出口分支型管匯。

選取空氣-水為流動介質，利用FLUENT軟件模擬水平四出口分支型管匯內氣液兩相流流量分配規律。結果表明，當各分支管出口壓力相同時，所有工況下管匯均出現偏流現象。以當氣相折算速度Vsg=4 m/s、液相折算速度Vsl=0.06 m/s工況為例，水平四出口分支型管匯內流體速度分布情況如圖3所示。1#、2#、3#、4#分支管出口流體質量流量比為1.5∶1.0∶1.0∶1.5，該模擬結果與文獻[11]的實驗結果較為接近。1#和4#分支管流量相同，2#和3#分支管流量相同，表明彼此對稱的分支管內流體流量相同。1#和4#分支管流量高于2#和3#分支管流量主要是因為慣性力的作用下流體到達2#、3#分支管時傾向于沿著來流方向繼續向前流動。

圖3 Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s時，水平四出口分支型管匯內流體速度分布云圖

2) 水平雙出口分支型管匯。

選取某天然氣凝析液為流動介質，含水率為50%，設定不同的氣相折算速度Vsg與液相折算速度Vsl，利用FLUENT軟件模擬水平雙出口分支型管匯內氣液兩相流流量分配規律。結果表明，當2個分支管出口壓力相同時，所有工況下水平雙出口分支型管匯均不會出現偏流現象。當Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s時，水平雙出口分支型管匯內流體速度分布情況如圖4所示。2個分支管內速度分布情況完全一致，說明管匯流量均勻分配。然而，實際生

圖4 Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s時，水平雙出口分支型管匯內流體速度分布云圖

產中水平雙出口分支型管匯卻經常出現偏流，其根本原因在于流體在各分支管內流動時產生的壓降不一致。而導致各分支管壓降不一致的可能原因有：管匯實際運行時，未能保證各分支管出口壓力完全一致；管匯并非嚴格對稱設計，例如分支管長度存在偏差；管匯長時間運行，蠟沉積、水合物以及固體雜質等物質堵塞管道，造成引出管當量管徑減小。

2.2 水平雙出口分支型管匯偏流敏感性分析

1) 分支管出口壓力不同。

將2個分支管出口壓力設為不同值，使流體通過2個分支管產生的壓降相對偏差δP為10%，模擬確定各工況下水平分支型管匯偏流指數分布規律，如圖5所示。所有測試工況下水平分支型管匯流量分配時均未出現相分離現象，即流量分配后各分支管內氣液比均相同，因此，圖5只展示了水平分支型管匯總體偏流指數(總體偏流指數=max(Q1,Q2)/min(Q1,Q2)，Q1、Q2表示2個分支管出口混合物的質量流量)。從圖中可以看出，保持管匯來流氣相折算速度不變，隨著液相折算速度的增加，管匯總體偏流指數逐漸升高；保持管匯來流液相折算速度不變，隨著氣相折算速度的增加，管匯總體偏流指數逐漸降低。

圖5 不同氣速工況下水平雙出口分支型管匯偏流指數分布規律(δP=10%)

基于上述模擬結果可知，提高管匯來流氣相折算速度或降低來流液相折算速度有助于降低管匯偏流程度。當δP=10%時，水平雙出口分支型管匯總體偏流指數隨氣液比的變化規律如圖6所示。圖中紅色虛線為管匯偏流程度的分界線，若總體偏流指數均小于1.05，則認為管匯出現輕度偏流，其偏流程度在可接受范圍內；否則認為管匯出現嚴重偏流。從圖6可以發現，當管匯來流氣液比大于50時，管匯偏流指數均小于1.05；當氣液比小于50時，管匯偏流指數均大于1.05。可見，當氣液兩相流通過2個分支管的壓降相對偏差恒定時，存在著決定管匯偏流嚴重程度的臨界氣液比。若來流氣液比大于該臨界值，管匯偏流程度一般在可接受范圍內。因此，實際生產中可以選取臨界氣液比作為參考，以調節來流氣液比的方式控制水平雙出口分支型管匯偏流程度對各出口壓力偏差的敏感度。對于不同尺寸的管匯，需要通過數值模擬和實驗進一步確定臨界氣液比。

圖6 水平雙出口分支型管匯總體偏流指數隨氣液比的變化規律(δP=10%)

2) 分支管長度不一致。

將2個分支管的長度分別設定為6.0 m與5.4 m，相應的分支管長度相對偏差δL為10%，保持2個分支管出口壓力相同，利用FLUENT模擬各工況下水平雙出口分支型管匯流量分配規律，模擬結果如圖7所示。當δL=10%時，保持2個分支管出口壓力相同，各工況下水平分支型管匯偏流指數均小于1.01，管匯偏流程度可以忽略不計。因此，各分支管長度出現輕微偏差并不會導致水平雙出口分支型管匯出現嚴重偏流。

圖7 不同來流速度下水平雙出口分支型管匯總體偏流指數分布規律(δL=10%)

3) 分支管管徑不一致。

將2個分支管的管徑分別設定為0.250 m與0.225 m，相應的分支管管徑相對偏差δD為10%，利用FLUENT軟件模擬各工況下水平雙出口分支型管匯流量分配規律，模擬結果如圖8所示。當δD=10%時，在各個模擬工況下，水平雙出口分支型管匯總體偏流指數均大于1.05，其變化范圍為1.06～1.08，均屬于嚴重偏流。可見，各分支管管徑的偏差對水平雙出口分支型管匯偏流的影響不可忽略。水平雙出口分支型管匯總體偏流指數隨來流氣液比的變化規律如圖9所示。保持氣相折算速度不變，隨著來流氣液比增加，管匯偏流指數逐漸升高。因此，對于長時間運行的油氣集輸管匯，如果發現管匯出現偏流，首先可以考慮調節來流氣液比來控制偏流。如果控制效果不佳，則需要進行清管處理，進而消除2個分支管的當量管徑偏差對偏流的影響。

圖8 不同來流速度下水平雙出口分支型管匯總體偏流指數分布規律(δD=10%)

圖9 水平雙出口分支型管匯偏流指數隨來流氣液比的變化規律(δD=10%)

3 結論及建議

1) 如果管匯幾何結構對稱且各分支管出口壓力相同，水平雙出口分支型管匯不會出現偏流現象。然而，對于水平四出口分支型管匯，即使各分支管出口壓力相同，管匯也會出現偏流。

2) 2個分支管長度存在較小偏差對水平雙出口分支型管匯偏流的影響可以忽略不計；水平雙出口分支型管匯出現偏流的主要原因是各分支管出口壓力未能保持一致、各分支管管徑的偏差；當分支管出口壓力偏差恒定時，存在著決定水平雙出口分支型管匯偏流嚴重程度的臨界氣液比；若來流氣液比大于該臨界值，管匯偏流程度在可接受范圍內。

3) 為降低分支管管徑偏差對水平雙出口分支型管匯偏流的影響，建議首先考慮調節來流氣液比，其次考慮清管處理，進而消除2個分支管的當量管徑偏差對偏流的影響。