伴有液柱分离的管道气液两相 流动分析方法.pdf

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1、24油气储运2005年实验研究伴有液柱分离的管道气液两相流动分析方法蒋明*(重庆大学)雍歧卫李旭东(中国人民 解放军后勤工程学院)蒋明雍歧卫等:伴有液柱分离的管道气液两相流动分析方法,油气储运,2005,24(1)24 28。摘要管道中伴有液柱分离的气液两相流动的常用分析方法有均质泡状流模型和集中空穴模型,其中集中空穴 模型由 于计算 简单,易于和特征 线法结 合而得到了 广泛的 应用。通过对Streeter-Wylie的蒸汽-液体模型进行改进,得到了新的集中空穴模型。模拟计算表明,集中空穴模型由于考虑了管道中气体空间的存在使液柱的长度和自由液面高度发生变化,以及出现气体空穴的截面与上、下游截

2、面间的质量守恒,能够更有效地反映气液两相流动的真实状态,优于蒸汽-液体模型。主题词两相流液柱分离管道两相流动分析方法分析计算过程十分复杂;集中空穴模型计算简单,且容易与特征线 法(MOC,Method of Characteristics)结合,所以在工程计算中得到了广泛应用。对气液两相流动瞬态过程研究是管道瞬变流动分析研究中的一个重要分支。对于伴有液柱分离的两相流动,常用的分析方法有均质泡状流模型和集中空穴模型。均质泡状流模型是通过确定两相混合物的平均性质,并将它视为准流体,使应用于单相流动的一般方程可以应用于准流体。该模型又因是否计入相间的动量交换以及是否计入气液相流速差而有不同的变化形式

3、。集中空穴模型的基本思路是,常压下流体中不含自由气体,不考虑低压下气体的释放与吸收,将压力低于液体饱和蒸气压时的气化量固定在计算截面上,并且认为气穴的体积变化是因为流入流出固定截面的流体量变化引起的。一般认为,均质泡状流模型要优于集中空穴模型。但Provoost 研究表明,对于含气量较小的水平管道,集中空穴模型与均质泡状流模型一样好,对于有局部高点的管道,集中空穴模型优于均质泡状流模型。均质泡状流模型中的重要参数截面含气率不仅难以确定,而且在瞬变流动过程中时时变化,导致*400016,重庆市长江二路 174号;电话:(023)68570714。1一、气液两相流动的分析方法通过对 Streete

4、r和Wylie的蒸汽-液体模型2(模型 1)进行改进,得到新的集中空穴模型(模型 2),并对这两种模型进行了数值模拟计算。结果表明,改进后的集中空穴模型优于蒸汽-液体模型。二、蒸汽-液体模型采用特征线法,建立特征网格,系统时步为,差分管段长度为。忽视汽穴区,不计气体释放,认为气体空间全部是蒸汽,见图1。计算步骤如下。(1)按正规方法求解节点的压头和流量。(2)判断节点的压力是否低于液体的饱和蒸气压。式中点的压头;当地大气压折算的液柱高度;点的高程;(1)第 24 卷第 1 期蒋明等:伴有液柱分离的管 道气液两相流动分析方法25液体饱和蒸气压力折算 的液柱高度。图 1蒸汽-液体模型分析简图若式(

5、1)成立,则说明发生了液柱分离,继续进行以下各步骤计算,若式(1)不成立,则转入下一个节点的计算。(3)取节点的压头为:(2)(4)计算节点上游和下游流量。(3)(4)式中、截面上游、下游流量;、左、右特征项;惯性水击常数;水击波速;重力加速度;管道截面积。(5)计算气穴体积。12(5)式中系统时步;-截面上一时步的气穴体积。(6)根据气穴体积确定下一时步的计算方法。若 0,则说明液柱分离仍然存在,下一时步时继续按液柱分离计 算;若0,则说明分离的液柱已 经合拢,下一时步按一 般的内节点计算。三、蒸汽-液体模型的改进对蒸汽-液体模型(模型 1)进行改进,得到新的集中空穴模型(模型 2)。模型

6、2 认为,当计算节点的绝对压力低于液体的饱和蒸气压力时发生汽化,产生的蒸汽集中在截面处。不同之处是将蒸汽的体积看作由截面左右两部分体积和组成,其值取决于左右液柱长度及相邻截面的流量变化,并且由此计算每一时步左右液柱的长度变化,见图2。图 2模型 2的分析简图模型2 计算的基本原理如下。(1)若=+0,则按普通内节点计算、,否则按式(5)计算。(2)判断点的绝对压力是否低于液体的饱和蒸气压力。(6)若式(6)成立,则说明已经发生液柱分离,继续下面的步骤,否则直接转入下一个节点的计算。(3)取节点的绝对压力为液体的饱和蒸气压力,即(7)(4)计算截面上、下游的流量。(8)(9)(5)计算节点左、右

7、气穴体积及气穴总体积。121(10)1226油气储运2005年1(11)(12)则:00(23)(24)(25)(26)若上一时步截面无液柱分 离,则-=-=0。式中-截面上一时步左气穴体、和按式(13)式(15)计算。积;-1-+1-(6)计算左、右液柱自由液面高度。左面气穴长度为:42(13)式中管子内直径。左面液柱自由液面高度为:1212(14)式中差分管段长度。则截面左端自由液面的绝对压力为:(15)同理,截面右端气穴长度为:42(16)截面右端自由液面的高度为:1212(17)截面右端液柱自由液面处的绝对压头为:(18)(7)根据气穴体积的情况决定计算方法。当0且 0时,截面左面的气

8、穴已被填充满,且左边液柱具有向右边气穴填充的趋势,则有:(19)0(20)0(21)(22)、和按式(16)式(18)计算。当0 且 0时,截面右边的气穴已被填充满,且截面右边的液柱有向左填充的趋势,当 0 且 0 时,截面左、右两边均存在着气穴,则分别按式(13)式(15)计算、和,按式(16)式(18)计算、和。当0 时,截面左、右两边的气穴均已经合拢,可令=0,则转入普通内节点计算。总之,一旦某截面处产生气穴(0),则在下一时步的计算中,截面就被视为具有左右两个自由液面的截面,其流量分别为、,压头分别为和。当计算+1 值时,其左特征线由截面的右边自由液面处引出;当计算-1 截面值时,其右

9、特征线由截面的左边自由液面引出。由于在此模型中考虑了左右气体空穴段的长度,截面的左边自由液面与截面-1 间的水平投影距 离不再是(每一个差 分管段的长度),而是-2+-12,同样,截面右边自由液面与截面+1 间的水平投影距离变为-2+1-2。四、两种模型的模拟计算对比、终端阀门瞬时关闭(算例)水平自流管道上游为恒液位容器,终端闸阀瞬时关闭,分别用模型 1 和模型 2 计算管道的水击工况,瞬态模拟计算时间为 50 s。图 3、图 4分别为利用模型 1 和模型2 计算得到的线路某点的压头和流量变化情况。比较两图可以看出,利用模型 1 计算所得到的节点压头和流量变化要比模型 2 计算值的变化剧烈得多

10、,且从模型 2的计算结果可以明显看出水击波的衰 减,而模型 1这种衰减并不明显。这是因为,模型 1 认为气体空穴出现在计算截面处,且气体空穴的存在不影响左右管段内液柱的长度,所以当气体空穴被流动的液体填充时,气体空穴的体积在瞬间变为零,相当于两第 24 卷第 1 期蒋明等:伴有液柱分离的管 道气液两相流动分析方法27个液柱形成瞬时撞击,因此将产生很高的尖峰压力;而模型2 考虑了气体空穴的存在对截面左右液柱长度的影响,当气体空穴被液体填充时,由于气体空穴的体积是逐渐减小的,相当于气体空穴对流动的液体产生缓冲作用,气体空穴两边的液柱的撞击作用被削弱,因此产生的峰值压力相对较小。实际上,不管气体空穴

11、的体积有多小,都不可能在瞬间消失,且试验表明3气体的溶解过程比释放过程慢得多,所以气体空穴对分离后再结合的液柱的缓冲作用是存在的。因此,模型 2 比模型 1 更能准确地反映管道中流体流动的真实情况,采用模型2 计算管道的气液两相流动比模型 1 更准确。图 3节点压头和流量变化(模型 1)、翻越点后的流动状态(算例)利用两种模型计算自流管道的稳态流动结果。图5 和图 6是分别用模型 1和模型 2 计算得到的稳态流动时的全线压力分布和节点流量变化,图 5 和图6 中翻越点节点的流量取左右流量的算术平均值。图 4节点压头和流量变化(模型 2)该算例中的自流管道稳定流动时存在翻越点,翻越点后的管道中会

12、出现不满流,形成气液两相流动。但是根据管输理论,管道的流动最终将达到一个稳定的状态,即全线应当有一个统一的流量数值。但从图 5 和图 6 可以看出,利用模型 1 计算管道中的气液两相流动,无论模拟计算的时间多长,翻越点前后节点的流量均分别趋于稳定的两个数值(翻越点节点的流量为两个流量的算术平均值),不能统一到一个数值;而采用模型 2计算时,只要计算的时间足够长,总会得到全线具有统一流量的稳定流动状态。这是因为,模型 1在计算气穴体积时,只考虑了产生气穴的截面的流量(本时步和上时步)对气穴体积的影响,不曾考虑该截面上下游相邻截面的流量对空穴体积变化的影响,从而无法保证当计算终点得到稳定的空穴体积

13、时,有气体空穴的截面与其上下游截面间的质量守恒;而模型 2 中计算气穴体积时,计算右气穴体积时,将截面的右边自由液面与下游截面之间的液柱作为考查对象,认为液柱两端面间的平均流量改变右气穴的体积,计算左截面气穴体积时,将截面左边的自由液面与上游截面之间的28油气储运2005年液柱作为考查对象,认为液柱两端面间的平均流量改变左气穴的体积。模型2 不仅考虑了空穴的存在而且考虑了出现气穴流的截面与其上下游截面(有气穴流或无气穴流)间的质量守恒,对于计算的终点为有固定体积的气穴的情况,自然能得到全线统一流量。而无论稳定流动时管道是否存在翻越点,全线都应该只有一个统一的流量,因此模型 2 更能反映气液两相

14、流动的真实状态。综合以上两个算例可以得出结论,改进后得到新的集中空穴模型(模型 2)优于 Streeter和 Wylie的蒸汽-液体模型(模型1)。参考文献1,Evans E P,SageP V:SurgeAnalysisof a LargeGravity Pipeline,Pipes&Pipelines International,Sept.-Oct.,1983.2,蒲家宁:管道水击分析与控制,机械工业出版社(北京),1991。3,宫敬:长输管道通过大落差地段最佳技术方案的研究,石油大学博士学位论文,1995。(收稿日期:2004-01-30)编辑:孟凡强管道科学技术论文选集 文摘(六)国内

15、外石油企业知识产权战略研究王各花高爱茹阐述了知识产权保护的意义,重点介绍了专利及专有技术的保护。知识产权保护关系着企业的竞争力和生死存亡,只有充分利用知识产权与对手竞争,才能巩固自己的业务范围,并在此基础上扩大其势力范围,才能立于不败之地。介绍了国外石油公司专用技术管理的方法和经验,分析了国内专利 及专有技 术管理存 在的问题,对国内石油行业知识产权工作提出了建议。第 24 卷第 1 期油气储运61作者介绍鲍宇工程师,1968年生,1995年毕业于中国石油天然气管道局职工学院腐蚀与防护专业,现任中国石油天然气管道工程有限公司副总经理兼中油朗威有限公司经理。黄翼虎1970年生,2002年浙江大学

16、控制科学与工程学系在读博士生,从事复杂工业系统的模糊控制、神经网络、智能控制等方面的研究。霍春勇高级工程师,1966年生,1989年毕业于西安交通大学材料科学与工程学院,获硕士学位。现为中国石油天然气集团公司管材研究所副所长,西安交通大学在职博士研究生。主要从事油气管的力学行为和环境行为的研究工作。邓道明副教授,1965年生,1987年毕业于西南石油学院石油机械工程专业,获硕士学位,现为石油大学(北京)油气储运工程专业博士生。李群海工程师,1963年生,1986年毕业于中国石油天然气管道局职工学院长输工艺专业,现在中石化集团管道储运分公司新乡输油处生产科从事技术管理工作。吴小刚博士后,1977

17、年生,2004年毕业于浙江大学建筑工程学院土木系市政工程研究所,获博士学位,现在浙江大学生工食品学院 农业水土保持 一级学科博士后流动站工作,主要从事管道工程等方面的研究。张其敏讲师,1972年生,1997年毕业于西南石油学院油气储运专业,获硕士学位,现在重庆科技学院油气集输教研室从事教学和科研工作。蒋明讲师,1972年生,2000年毕业于中国人民解放军后勤工程学院油气储运专业,获博士学位,现在重庆大学机械工程博士后科研流动站工作。税碧垣工程师,1973年生,1997年毕业于西南石油学院化学工程系,获硕士学位,现在中国石油管道公司科技研究中心储运工艺研究所从事化学添加剂研制及应用研究工作。王凡

18、喜高级工程师,1952年生,1987年毕业于中国人民解放军后勤工程学院油料管理专业,现在济南军区联勤部油料监督处工作。李立高级工程师,1970年生,1992年毕业于石油大学(山东)油气储运工程专业,现在中国石油管道公司科技研究中心从事储运工艺研究工作。杨晓鸿高级工程师,1963生,1990年毕业于四川大学生物力学专业,获博士学位,现在武汉工业学院生化系从事涂料防腐技术工作。黄海助理工程师,1975年生,1999年毕业于北京化工大学腐蚀与防护专业,现在西南油气田分公司输气管理处研究所从事管道保护及相关研究工作。李贵宾高级工程师,1967年生,1992年毕业于中南土木建筑学院,现任中国石油天然气管

19、道局维修抢修公司副经理兼总工程师。杨德伟副教授,1964年生,1990年毕业于石油大学(北京)油气田开发工程专业,获硕士学位,现在石油大学(山东)攻读博士,主要从事热能转换与利用方面的教学与科研工作。刘成工程师,1960年生,1987年毕业于电视大学化学工程专业,1997年本科毕业于石油大学石油炼制专业,现在中石化济南分公司原料办从事长输技术工作。丁颖工程师,1973生,1993年毕业于江汉石油学院物资管理专业,现在中原油田分公司规划事业部从事油气田规划及技术经济研究工作。Hadings:gas piplin,fzzy opimizaion,mixd-disrvarials,opimal ds

20、ignEXPERI MENT&REEARCHJIANGMing,YONGQiwial:dyon Analyi al Mhod forPiplin Two-phas Flowwih Colmn p-araion,OGT,2005,24(1)2428.Thom monanalyial mhod forpiplinwo-pha s flowwiholmn sparaion inlds lflowmodl and onn-radaviaion modl.Th on nrad avia ion modl iswidly sdasi issim pl and a sy oo min dwih Mhodof

21、 Cha rarisi s(MOC).Amlioraion ismad o hrr Wylis vapor-liqid modl(mod l 1),rslingin a n won nradaviaion modl(modl 2).Nm rial simlaions arond do ompar hwo modls.Bashlarmodl(modl 2)aks ino a onhvariaionofhlngh of liqid olmnandhhigh ofhfrsrfado hvaporvolm,and hma ss alanwnhs ion in whih vapor vamorsandh

22、psramand downsram s ions,hla rmodl(modl 2)rflshral sasof wo-phas flo w inpiplin mor ffivlyandissp rioro hformr on.Hadings:wo-phas flo w,olmn s para ion,piplin,analyial mhodH UI Biyan,GUA N Zhongyanal:Th IndsrialExprim n andAppliaion of EP-W203DR A indanOilPiplin,OGT,2005,24(1)2934.Th applid xprim n

23、of EP-W2 03DR A inda n Oil Piplinismad.Thxprim n on hon-poin inion ofDRAinNo.1 Pmpinga ion isarrid ofir s fordragrdingandhroghpin-ra singwn No.1Pmping aionandNo.3Pmping aion,andhnhwnNo.1Pmping saion No.2Pmping aionforhroghpinra sing.Throininiononds afrhxpri-mns.Th analysison hvariaionof hphysial hav

24、iorfor diffr nrdoils(rslinginhighvisosiy)ismad.Th analyi al rslssho w ha his prol m og h r wih hrainsa son s faor mak hrdoils Rynolds nmr lo w r wnNo.2Pmping a ion andNo.3Pmping aion,whih aff s hffiv nss ofDRA.Hadings:oil piplin,DR A,xprim n,appliaionW ANG Fanxi,W ANG Ynal.dyon ilvrCopon Corrosionfr

25、omhRa ion of lphrandMrapanforJFl,OGT,2005,24(1)35 37.Th xp rimn on hsilvropon orrosion y diffr n proporion of slphrand slphidforflis mad.Thsr slssho w ha horrosionamonon hsilvr opon from lm nary slfrwih diffr n d nsiy isno hsam,holorof silvropon annoan individal la k;whn lm nary slfrsolion onains mr

26、a pan,holor of orrodd silvropon appars mli-olor.Th l mnar y slfrand mra pan onrinflandhorrosionlvlvaris as him.Th fr h r xprimnsho ws ha olfin ompond willprodproxid wh n xposd o snligh,whi h willinhii silvr orro-sionof slfido an xn.Hadings:slphr,l mnary slfr,fl,silvr orrosion,xprim nLI Li,DI NGZhilaial:For ward Transporaion andRvrsPmping Exp rimnon PP D-nfidOilinRnJing Oil Piplin,OGT,2005,24(1)3742.Forwardransporaion andrvrspmping xp rimn(FT/RP)on PPD-nfidOil inR nJing