陳海宏 李清平 姚海元

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028; 2. 天然氣水合物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028)

管匯作為油氣田集輸工藝系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)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(tǒng)中，管匯主要用于收集各井口采出物，并將其輸送至下一級(jí)油氣處理設(shè)施。部分油氣田(如荔灣3-1氣田、陵水17-2氣田)的下一級(jí)油氣處理設(shè)施由兩臺(tái)并聯(lián)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(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)流量分配不均的現(xiàn)象，造成氣液分離系統(tǒng)無(wú)法高效運(yùn)行，影響了集輸工藝系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性[2-3]。管匯內(nèi)流體在分流處進(jìn)行流量分配時(shí)，氣相、液相流量分配不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為“偏流”。單相流管匯偏流的主要原因?yàn)楦鞣种Ч軆?nèi)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(yùn)行參數(shù)和流體物性等[12-18]。幾何因素包括分支管數(shù)目、分支管間距和分流結(jié)構(gòu)等，運(yùn)行參數(shù)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(nèi)用于流體流量分配的主要元件為T(mén)型三通管。根據(jù)T型三通管的結(jié)構(gòu)不同，可將管匯分為分流型管匯和分支型管匯(圖1)。對(duì)于分流型管匯，由于分流結(jié)構(gòu)的特殊性，無(wú)論是單相流還是氣液兩相流都會(huì)不可避免地會(huì)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，其主要原因?yàn)閼T性力的影響[3]。當(dāng)氣相折算速度較低時(shí)，在拖曳力的作用下，氣液兩相流分流型管匯內(nèi)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(shí)伴隨著相分離現(xiàn)象。對(duì)于分支型管匯，如果管匯幾何結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)并且各分支管出口壓力相同，那么理論上主管內(nèi)流體到達(dá)分流處后，氣相和液相都將均勻地分配至各分支管。然而，實(shí)際生產(chǎn)中分支型集輸管匯卻經(jīng)常出現(xiàn)分支管流量分配不均的現(xiàn)象。本文以水平分支型集輸管匯為研究對(duì)象，選用FLUENT作為模擬軟件分析了管匯入口來(lái)流氣相折算速度、液相折算速度對(duì)水平雙出口與四出口管匯偏流程度的影響規(guī)律，并深入開(kāi)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(zhǎng)度不相等、分支管管徑不相等時(shí)管匯偏流程度隨來(lái)流氣相、液相折算速度的變化規(guī)律，從而為合理控制集輸管匯的偏流程度提供了參考依據(jù)。

圖1 分流型管匯與分支型管匯示意圖

1 管匯幾何結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬仿真模型

1.1 管匯幾何結(jié)構(gòu)

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中常見(jiàn)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(jié)構(gòu)如圖2所示，每段管路的內(nèi)徑均為0.25 m、長(zhǎng)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(nèi)氣液兩相流流動(dòng)過(guò)程，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型描述湍流狀態(tài)。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(nèi)流動(dòng)時(shí)溫度變化較小，故不涉及相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程，即可以不考慮能量方程，因此僅需考慮連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

1) 連續(xù)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(dòng)量方程。

(2)

式(2)中:p為壓力，Pa；μm為氣液混合物動(dòng)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?jǐn)?shù)；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(shù)。

1.2.2湍流模型

Gk+Gb-ρmε-YM+Sk

(3)

(4)

式(3)、(4)中:k為湍動(dòng)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(dòng)黏度，Pa·s；ε為湍流耗散率，m2/s3；σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能項(xiàng)，kg·m·s-3；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能項(xiàng)，kg·m·s-3；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，kg·m·s-3；Sk、Sε為源項(xiàng)，kg·m·s-3；C1、C2、C3為無(wú)量綱常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09。

2 水平分支型管匯偏流數(shù)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(dòng)介質(zhì)，利用FLUENT軟件模擬水平四出口分支型管匯內(nèi)氣液兩相流流量分配規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)各分支管出口壓力相同時(shí)，所有工況下管匯均出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。以當(dāng)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(nèi)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(zhì)量流量比為1.5∶1.0∶1.0∶1.5，該模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)稱(chēng)的分支管內(nèi)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?yàn)閼T性力的作用下流體到達(dá)2#、3#分支管時(shí)傾向于沿著來(lái)流方向繼續(xù)向前流動(dòng)。

圖3 Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s時(shí)，水平四出口分支型管匯內(nèi)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(dòng)介質(zhì)，含水率為50%，設(shè)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(nèi)氣液兩相流流量分配規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)2個(gè)分支管出口壓力相同時(shí)，所有工況下水平雙出口分支型管匯均不會(huì)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。當(dāng)Vsg=4 m/s、Vsl=0.06 m/s時(shí)，水平雙出口分支型管匯內(nèi)流體速度分布情況如圖4所示。2個(gè)分支管內(nèi)速度分布情況完全一致，說(shuō)明管匯流量均勻分配。然而，實(shí)際生

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

產(chǎn)中水平雙出口分支型管匯卻經(jīng)常出現(xiàn)偏流，其根本原因在于流體在各分支管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓降不一致。而導(dǎo)致各分支管壓降不一致的可能原因有：管匯實(shí)際運(yùn)行時(shí)，未能保證各分支管出口壓力完全一致；管匯并非嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，例如分支管長(zhǎng)度存在偏差；管匯長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，蠟沉積、水合物以及固體雜質(zhì)等物質(zhì)堵塞管道，造成引出管當(dāng)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(gè)分支管出口壓力設(shè)為不同值，使流體通過(guò)2個(gè)分支管產(chǎn)生的壓降相對(duì)偏差δP為10%，模擬確定各工況下水平分支型管匯偏流指數(shù)分布規(guī)律，如圖5所示。所有測(cè)試工況下水平分支型管匯流量分配時(shí)均未出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，即流量分配后各分支管內(nèi)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(shù)(總體偏流指數(shù)=max(Q1,Q2)/min(Q1,Q2)，Q1、Q2表示2個(gè)分支管出口混合物的質(zhì)量流量)。從圖中可以看出，保持管匯來(lái)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(shù)逐漸升高；保持管匯來(lái)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(shù)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(shù)分布規(guī)律(δP=10%)

基于上述模擬結(jié)果可知，提高管匯來(lái)流氣相折算速度或降低來(lái)流液相折算速度有助于降低管匯偏流程度。當(dāng)δP=10%時(shí)，水平雙出口分支型管匯總體偏流指數(shù)隨氣液比的變化規(guī)律如圖6所示。圖中紅色虛線(xiàn)為管匯偏流程度的分界線(xiàn)，若總體偏流指數(shù)均小于1.05，則認(rèn)為管匯出現(xiàn)輕度偏流，其偏流程度在可接受范圍內(nèi)；否則認(rèn)為管匯出現(xiàn)嚴(yán)重偏流。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管匯來(lái)流氣液比大于50時(shí)，管匯偏流指數(shù)均小于1.05；當(dāng)氣液比小于50時(shí)，管匯偏流指數(shù)均大于1.05?？梢?jiàn)，當(dāng)氣液兩相流通過(guò)2個(gè)分支管的壓降相對(duì)偏差恒定時(shí)，存在著決定管匯偏流嚴(yán)重程度的臨界氣液比。若來(lái)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(nèi)。因此，實(shí)際生產(chǎn)中可以選取臨界氣液比作為參考，以調(diào)節(jié)來(lái)流氣液比的方式控制水平雙出口分支型管匯偏流程度對(duì)各出口壓力偏差的敏感度。對(duì)于不同尺寸的管匯，需要通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shù)隨氣液比的變化規(guī)律(δP=10%)

2) 分支管長(zhǎng)度不一致。

將2個(gè)分支管的長(zhǎng)度分別設(shè)定為6.0 m與5.4 m，相應(yīng)的分支管長(zhǎng)度相對(duì)偏差δL為10%，保持2個(gè)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(guī)律，模擬結(jié)果如圖7所示。當(dāng)δL=10%時(shí)，保持2個(gè)分支管出口壓力相同，各工況下水平分支型管匯偏流指數(shù)均小于1.01，管匯偏流程度可以忽略不計(jì)。因此，各分支管長(zhǎng)度出現(xiàn)輕微偏差并不會(huì)導(dǎo)致水平雙出口分支型管匯出現(xiàn)嚴(yán)重偏流。

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

3) 分支管管徑不一致。

將2個(gè)分支管的管徑分別設(shè)定為0.250 m與0.225 m，相應(yīng)的分支管管徑相對(duì)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(guī)律，模擬結(jié)果如圖8所示。當(dāng)δD=10%時(shí)，在各個(gè)模擬工況下，水平雙出口分支型管匯總體偏流指數(shù)均大于1.05，其變化范圍為1.06～1.08，均屬于嚴(yán)重偏流?？梢?jiàn)，各分支管管徑的偏差對(duì)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(shù)隨來(lái)流氣液比的變化規(guī)律如圖9所示。保持氣相折算速度不變，隨著來(lái)流氣液比增加，管匯偏流指數(shù)逐漸升高。因此，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的油氣集輸管匯，如果發(fā)現(xiàn)管匯出現(xiàn)偏流，首先可以考慮調(diào)節(jié)來(lái)流氣液比來(lái)控制偏流。如果控制效果不佳，則需要進(jìn)行清管處理，進(jìn)而消除2個(gè)分支管的當(dāng)量管徑偏差對(duì)偏流的影響。

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

圖9 水平雙出口分支型管匯偏流指數(shù)隨來(lái)流氣液比的變化規(guī)律(δD=10%)

3 結(jié)論及建議

1) 如果管匯幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)且各分支管出口壓力相同，水平雙出口分支型管匯不會(huì)出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。然而，對(duì)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(huì)出現(xiàn)偏流。

2) 2個(gè)分支管長(zhǎng)度存在較小偏差對(duì)水平雙出口分支型管匯偏流的影響可以忽略不計(jì)；水平雙出口分支型管匯出現(xiàn)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(dāng)分支管出口壓力偏差恒定時(shí)，存在著決定水平雙出口分支型管匯偏流嚴(yán)重程度的臨界氣液比；若來(lái)流氣液比大于該臨界值，管匯偏流程度在可接受范圍內(nèi)。

3) 為降低分支管管徑偏差對(duì)水平雙出口分支型管匯偏流的影響，建議首先考慮調(diào)節(jié)來(lái)流氣液比，其次考慮清管處理，進(jìn)而消除2個(gè)分支管的當(dāng)量管徑偏差對(duì)偏流的影響。