張炳東， 曹志旭， 劉彥豐， 張 超

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北 保定 071003； 2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 劉家峽水電廠(chǎng)， 甘肅 永靖 731000)

石油天然氣混合輸運(yùn)技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的分管輸運(yùn)，可減少工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度、工程周期及投資成本；同時(shí)油氣混合輸運(yùn)對(duì)工質(zhì)純度的要求較低，使得一些開(kāi)采價(jià)值低、地層構(gòu)造復(fù)雜及地處偏遠(yuǎn)的油田得到了經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)發(fā)[1]，油氣混輸模式在石油化工行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2].管路在鋪設(shè)過(guò)程中無(wú)法確保全程水平過(guò)渡，不可避免地會(huì)由于地形變化而引發(fā)管段起伏[3].起伏管段內(nèi)存在多種流型，最為常見(jiàn)的是液彈與長(zhǎng)氣泡交替流動(dòng)的彈狀流[4].當(dāng)液彈頻率與特征頻率接近時(shí)，管路系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象[5]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，從而破環(huán)上下游管路及相關(guān)設(shè)備.李珊珊[6]對(duì)起伏振動(dòng)狀態(tài)下傾斜管路內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行了探究.通過(guò)改變振幅、振動(dòng)頻率及管路傾角的方式對(duì)不同工況下的流型進(jìn)行研究，總結(jié)出了振動(dòng)狀態(tài)下傾斜管內(nèi)特有的珠狀流和起伏彈狀流特性.吳志成等[7]針對(duì)水平管和傾斜管內(nèi)兩相段塞流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了流速、管道傾角對(duì)流型的影響.韓洪升等[8]對(duì)不同傾角下的管內(nèi)流型轉(zhuǎn)變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并獲得流型圖，總結(jié)了傾斜角度對(duì)流型的影響.Yang等[9]對(duì)起伏管路兩相流的流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)分析管道內(nèi)的兩相分布、彎管周?chē)乃俣群蛪毫?、不同截面的液體流量和持液量及液體流出量.總體而言，研究者們對(duì)起伏管路的傾角、流型及流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行大量研究，但對(duì)液彈長(zhǎng)度和液彈頻率等影響設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的因素及變化規(guī)律的研究尚且較少.本文通過(guò)建立起伏管路氣液兩相流動(dòng)起伏管路實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采集與分析相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)了彈狀流在起伏管路內(nèi)隨各管路傾角及折算速度變化的相關(guān)規(guī)律，為優(yōu)化工程實(shí)際中起伏管路的布置方式提供理論支撐.

1 起伏管路實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)

1.1 液彈數(shù)學(xué)模型

氣液兩相流彈狀流在管路中流動(dòng)時(shí)，其液彈頻率均受折算速度、氣液兩相流混合平均速度等直接影響，具體表達(dá)式為

f=0.075Fr

(1)

(2)

式中：λ為波長(zhǎng)；Fr為弗汝德數(shù)；VSL為折算液相速度；Vm為氣液兩相混合物平均速度；D為管路直徑；g為重力加速度.

液彈速度Vs是多相混合物流動(dòng)管道中的一個(gè)重要參數(shù)，也是建立流型圖的一個(gè)重要參數(shù).在管徑、流率和流體物性較寬的范圍內(nèi)，液彈運(yùn)動(dòng)速度Vt(Tayloy氣泡平移速度)和氣液兩相混合速度成線(xiàn)性關(guān)系，即

Vt=c0Vs+V0

(3)

式中：Vs=VSG+VSL，VSG和VSL分別為氣相與液相的折算速度；c0和V0為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，c0取值范圍為1.20～1.52，V0取值為0.

1.2 起伏管路物理模型

起伏上升管內(nèi)氣液兩相彈狀流參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示(單位：mm).由內(nèi)徑為40 mm、長(zhǎng)為10 000 mm的透明有機(jī)玻璃管構(gòu)成.根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，在傾斜上升管中點(diǎn)位置加裝電導(dǎo)探針，分別調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段管路傾角為θ=0°、θ=2°和θ=5°，測(cè)量不同傾角下氣彈與液彈交替通過(guò)探針時(shí)電信號(hào)的變化.

圖1 起伏管路實(shí)驗(yàn)裝置

本文中所用的電導(dǎo)探針為DDS-11A型，其輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，分辨率為0.01，測(cè)量精度為±2.5%[10-11]，工作原理為：輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化后傳送到動(dòng)態(tài)采集卡，根據(jù)氣相與液相導(dǎo)電性的差異來(lái)標(biāo)定相態(tài)，進(jìn)而通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)彈狀流流動(dòng)特性[12].

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

氣液兩相實(shí)驗(yàn)循環(huán)回路、實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2、3所示.該實(shí)驗(yàn)循環(huán)回路主要由3部分管段構(gòu)成，分別起到供氣、供水及模擬流動(dòng)的作用.供氣管段由空氣壓縮機(jī)、旁路、調(diào)節(jié)閥、壓力計(jì)、溫度計(jì)、氣體流量計(jì)及止回閥組成；供水管段由水箱、泵、旁路、調(diào)節(jié)閥、壓力計(jì)、溫度計(jì)及液體流量計(jì)組成；實(shí)驗(yàn)管段由混合器、發(fā)展段、起伏管段及分離器組成.混合器將前兩部分管段輸送過(guò)來(lái)的氣相與液相流體進(jìn)行混合，得到實(shí)驗(yàn)所需的氣液兩相流.

1.空氣壓縮機(jī) 2.壓縮空氣容器 3.渦街流量計(jì) 4.水箱 5.過(guò)濾器 6.泵 7.水流量計(jì) 8.混合器 9.測(cè)試模塊 10.旋風(fēng)分離器

圖3 兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在氣相與液相混合前，需分別對(duì)其狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量.氣相與液相流量采用型號(hào)為MIK-LUGB-DN20-P、量程為0～12 m3/h的渦街流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)電流信號(hào)—電壓信號(hào)—數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)通過(guò)采集卡直接進(jìn)行采集；溫度與壓力分別由溫度計(jì)和壓力計(jì)測(cè)量獲得.

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，溫度范圍為20～25 ℃，壓力范圍為0.01～0.5 MPa.設(shè)置折算氣速為1.95 m/s，在不同管路傾角下，調(diào)整折算液速在0.2～0.8 m/s間變化，探究折算液速對(duì)液彈頻率的影響；設(shè)置折算液速分別為0.189、0.345和0.793 m/s，調(diào)整折算氣速在1.0～6.0 m/s間變化，探究折算氣速對(duì)液彈頻率的影響；分別設(shè)置折算氣速、折算液速為2 m/s，探究折算液速、折算氣速對(duì)液彈長(zhǎng)度的影響.實(shí)驗(yàn)中采用的采樣頻率為1 000 Hz，采樣時(shí)間為10 s.

2 起伏管路內(nèi)彈狀流實(shí)驗(yàn)結(jié)果與特性

起伏管路內(nèi)氣液兩相彈狀流是由兩相工質(zhì)分層流動(dòng)液膜的不穩(wěn)定波生成的[13]，屬于管路的入口效應(yīng)，其與管路入口氣液流量、液位波動(dòng)和氣液混合物的結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)；液彈頻率與液彈長(zhǎng)度是近似描述液彈間歇性周期特性的重要參數(shù)，是開(kāi)展兩相彈狀流特性研究不可或缺的數(shù)據(jù)[14-15].

2.1 液彈頻率

當(dāng)一個(gè)液彈通過(guò)電導(dǎo)探針，會(huì)在電導(dǎo)探針的電信號(hào)曲線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)突變峰值.可以通過(guò)分析電導(dǎo)探針輸出的電信號(hào)曲線(xiàn)來(lái)獲知管路內(nèi)氣液兩相工質(zhì)彈狀流的液彈頻率特性[16].

圖4給出了固定折算氣速Vg=1.95 m/s時(shí)，液彈頻率與起伏管路上升管傾角之間的變化曲線(xiàn).管路傾角分別為θ=0°、θ=2°、θ=5°時(shí)，液彈頻率隨折算液速增大而增大，不同傾角上升管路中液彈頻率的變化趨勢(shì)一致.結(jié)合入口效應(yīng)理論可知，液彈頻率與管路傾角無(wú)關(guān)聯(lián).

圖4 不同傾角管路中液彈頻率隨折算液速的變化

圖5給出了在折算液速分別為0.189、0.345和0.793 m/s時(shí)，液彈頻率與折算氣速之間的關(guān)系.不同折算液速下，液彈頻率曲線(xiàn)均表現(xiàn)出先小幅減小到某一最低值后，轉(zhuǎn)而大幅增大的趨勢(shì)，且認(rèn)為這個(gè)最小值存在于氣液兩相總體積流速4 m/s處附近.而從本文所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，這個(gè)值約為4.2 m/s.

圖6給出了折算氣速Vg=1.659 m/s時(shí)，液彈頻率與折算液速之間的關(guān)系.由圖6可知，液彈頻率隨折算液速的增大而增大，近似成正相關(guān)關(guān)系.

圖6 固定折算氣速下液彈頻率隨折算液速的變化

2.2 液彈長(zhǎng)度

由于液彈的間歇性與不穩(wěn)定性，不存在一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述某一時(shí)間和工況下管路內(nèi)液彈長(zhǎng)度的值，故本文取平均液彈長(zhǎng)度來(lái)描述，其值Ls由液彈在探針中的經(jīng)過(guò)時(shí)間τs與液彈運(yùn)動(dòng)速度Vt決定[17-19]，即

Ls=Vtτs

(4)

圖7給出了固定折算氣速Vg=2.0 m/s時(shí)，不同傾角管路中液彈長(zhǎng)度隨折算液速的變化情況.由圖7可知，不同傾角管路中的液彈長(zhǎng)度均隨折算液速的增大而增大，且變化趨勢(shì)一致.

圖7 不同傾角管路中液彈長(zhǎng)度隨折算液速的變化

圖8給出了固定折算液速Vl=1.20 m/s時(shí)，不同傾角管路中液彈長(zhǎng)度隨折算氣速的變化情況.由圖8可知，不同傾角管路中的液彈長(zhǎng)度均隨折算氣速的增大而減小，且變化趨勢(shì)一致.

圖8 不同傾角管路中液彈長(zhǎng)度隨折算氣速的變化

3 結(jié) 論

通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)及應(yīng)用電導(dǎo)探針等測(cè)量手段，分別對(duì)傾角為θ=0°、θ=2°和θ=5°的起伏管路氣液兩相流動(dòng)中彈狀流的特性參數(shù)和影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)論如下：

1) 在不同管路傾角下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液彈頻率與管路傾角基本無(wú)關(guān)，其主要影響因素為管路入口的氣液流量、氣液混合物的結(jié)構(gòu)形式以及液位的波動(dòng)等入口效應(yīng).

2) 調(diào)整氣液兩相流在管路中的流動(dòng)速度，隨著折算氣速的增大，液彈頻率先減小到某一最小值，而后增大；隨著折算液速的不斷增大，液彈頻率則始終呈現(xiàn)增大的趨勢(shì).

3) 當(dāng)折算氣速保持不變時(shí)，隨著折算液速的逐漸增大，液彈的平均長(zhǎng)度逐漸增大.當(dāng)折算液速保持不變時(shí)，隨著折算氣速的逐漸增大，液彈的平均長(zhǎng)度逐漸減小.

4) 在起伏管路氣液兩相彈狀流特性的研究中，利用電導(dǎo)探針探究液彈特性與管路傾角和折算速度的關(guān)系，是對(duì)液彈特性與管路壓降、兩相混合速度等之間關(guān)系研究的有益補(bǔ)充.可為保障長(zhǎng)距離能源化工混合輸運(yùn)管路的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提供更多值得參考的經(jīng)驗(yàn)和理論支撐.