氣液速度對(duì)智能傾斜管道內(nèi)段塞流影響的數(shù)值模擬研究

邱子涵，蘇永剛

（長(zhǎng)慶油田分公司第二輸油處，陜西 咸陽(yáng) 712000）

目前，全球能源格局正在發(fā)生深刻地變化，世界能源貿(mào)易重心正從大西洋盆地向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移。“一帶一路”的實(shí)施將基于沿線國(guó)家的油氣管網(wǎng)形成多條經(jīng)濟(jì)與文化交流的走廊。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委2017年7月發(fā)布的 《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)將發(fā)展至24×104km［1］。為此，中國(guó)油氣管道行業(yè)提出了以 “信息化和工業(yè)化深度融合”為核心的 “智能管道”“智慧管網(wǎng)”發(fā)展理念。

國(guó)內(nèi)外在管道智能化建設(shè)方面仍處于數(shù)字化建設(shè)的初級(jí)階段，尚無法為油氣管道提供全面的智能決策理論和技術(shù)支持。2005年雙蘭線［2］首次將施工數(shù)據(jù)納入十字管道數(shù)據(jù)庫(kù)。2009年［3］基于川氣東送管道建設(shè)，中石化開始數(shù)字管道建設(shè)技術(shù)的研究并建設(shè)了3D管道GIS系統(tǒng)。2014年［4］中石化總部正式啟動(dòng)了 “中國(guó)石化智能化管道管理系統(tǒng)”項(xiàng)目，并在試點(diǎn)企業(yè)已經(jīng)正式上線運(yùn)行。2016年［5］中國(guó)石油管道公司以中俄東線為試點(diǎn)，初步開展了智能化管道建設(shè)的探索。

長(zhǎng)慶油田作為中國(guó)第一大油氣田于2019年也開始大力推行智能管道的建設(shè)。長(zhǎng)慶油田分公司第二輸油處圍繞 “數(shù)字長(zhǎng)慶、智慧油田”整體部署要求，加快構(gòu)建管道信息化智慧管理新模式，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道生產(chǎn)運(yùn)行科學(xué)化整體水平。洪德輸油站隸屬于長(zhǎng)慶油田分公司第二輸油處，所轄洪德、山城、甜水、惠安堡四個(gè)站點(diǎn)。其中馬惠線跨越大型黃土沖溝兩處，在日常生產(chǎn)運(yùn)行條件下，如停輸、清管、流量變化等常規(guī)行為，都會(huì)引發(fā)段塞流，段塞流的間隙性引起整個(gè)管線系統(tǒng)的振動(dòng)，可能造成管道彎頭、補(bǔ)償器、換熱器等疲勞失效，嚴(yán)重縮短這些零部件的使用壽命，為原油的安全輸送埋下巨大安全隱患。本文將智能管道與傾斜管段塞流模型算法相結(jié)合，對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、運(yùn)行控制、優(yōu)化調(diào)度等方面提供參考。

1 傾斜管段塞流的數(shù)值模擬

1.1 物理模型的建立

傾斜管段塞流數(shù)值模型以圖1中的水平與傾斜管組合系統(tǒng)作為數(shù)值模擬對(duì)象，對(duì)段塞流的形成機(jī)理和流動(dòng)特性進(jìn)行研究，并將其定義為傾斜管系統(tǒng)。

圖1 水平-傾斜管物理模型

傾斜角度α為15°。其中，水平段為氣液兩相入口，傾斜段為氣液兩相出口。本模擬中，以空氣為分散相，水為連續(xù)相。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD網(wǎng)絡(luò)生成軟件導(dǎo)入幾何文件，進(jìn)行幾何檢查及修復(fù)，根據(jù)幾何特征，如圖2所示。

圖2 傾斜管道C-C剖面網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分別采用O、C、H、J拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合，生成分塊六面體貼體網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格的總數(shù)為5.805×106，并且在管道內(nèi)壁設(shè)置了5層邊界層，邊界層高度按冪函數(shù)增長(zhǎng)，使壁面y+值滿足湍流模型和壁面函數(shù)的條件。管道軸向 （液體流動(dòng)方向）的網(wǎng)格采取均勻分布的形式，其厚度為0.0196 m。此外，因?yàn)榱黧w在氣液進(jìn)口與出口的流動(dòng)狀況較為復(fù)雜，所以對(duì)這部分網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。

1.3 邊界條件

邊界條件確定了物理模型邊界的流動(dòng)變量，這是數(shù)值模擬的關(guān)鍵。本傾斜管段塞流模型的邊界類型主要包括：進(jìn)流邊界條件、出流邊界條和固壁邊界條件。1）進(jìn)流邊界條件：管道右端入口設(shè)置為氣液兩相相速度入口 （velocity inlet）；2）管道左端出口設(shè)置為壓力 （pressure outlet）出口；3）由于管道內(nèi)壁是固定不動(dòng)的，在壁面上采用無滑移條件，依然采用壁面函數(shù)法。文中的管道系統(tǒng)為絕熱系統(tǒng)，不與內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生熱交換。

本算例的工況設(shè)置為一個(gè)大氣壓，垂直方向設(shè)置重力加速度-9.81 m／s2。

2 混合相速度對(duì)傾斜管內(nèi)段塞流的影響

以圖1中的水平-傾斜立管系統(tǒng)為對(duì)象，根據(jù)段塞流各個(gè)階段的氣液流動(dòng)過程，建立其三維瞬態(tài)分相理論預(yù)測(cè)模型。算例分別選取水為液體介質(zhì)，空氣為氣體介質(zhì)，組合成四個(gè)算例，分別定義為Case1-Case4，具體的物性參數(shù)組合工況如表1所示。

表1 物性參數(shù)組合工況

2.1 傾斜管段塞流三維結(jié)構(gòu)相圖

以Case1-Case4為例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)段塞流的形成機(jī)理進(jìn)行歸納和探索。通過三維結(jié)構(gòu)相分布圖3看出：

1）在角度和含氣率一定時(shí)，當(dāng)氣液相通過右端入口進(jìn)入水平管道之后，隨著速度的增加，氣液兩相流在入口處已完全分層，在水平管段處液面保持不變。氣相 （藍(lán)色）在液相 （紅色）上方，氣液兩相間具有明顯的分界面。

2）當(dāng)混合相折算速度為u＝0.50 m／s和u＝1.00 m／s時(shí)，由于傾斜段已形成氣塞，接近拐彎處水平液位緩慢升高。當(dāng)液面靠近于管道上壁面時(shí)，說明液相已經(jīng)逐漸產(chǎn)生液塞并且開始向傾斜管路內(nèi)延長(zhǎng)，由于實(shí)際情況中段塞流中段塞的運(yùn)動(dòng)速度較快，難以觀測(cè)，在數(shù)值模擬中可以清晰地看出氣流吹起的液波高達(dá)管頂，阻礙管道流通面積，形成液塞，流型由分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳鳌?/p>

3）運(yùn)動(dòng)過程中液塞側(cè)邊界因受到邊界層的擾動(dòng)而呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)形態(tài)，波動(dòng)沿著管路法線方向流動(dòng)，波動(dòng)的幅度由氣相和液相之間的相對(duì)速度和其性質(zhì)來決定，如密度和表面張力。而尾部由于邊界層液體的返混而收窄。

4）當(dāng)混合相折算速度為 u＝1.44 m／s和u＝2.00 m／s時(shí)，通過相分布云圖可以看出，在傾斜角角度和含氣率一定的情況下，水平-傾斜管內(nèi)呈現(xiàn)分層流狀態(tài)。這是由于在給定的氣液相折算速度下，連續(xù)波速低于動(dòng)力波速，分層流保持穩(wěn)定。

由上述氣液流動(dòng)過程的數(shù)值模擬可知，對(duì)于水平-傾斜立管系統(tǒng)，由于傾斜管中流動(dòng)方向和理想氣液界面非平行導(dǎo)致氣液相界面不穩(wěn)定，導(dǎo)致液塞和氣塞的形成，所以液塞或者氣塞的形態(tài)主要受流動(dòng)矢量本身和其與理想氣液界面夾角兩者共同作用的影響。

圖3 三維結(jié)構(gòu)相分布圖

2.2 混合相速度對(duì)段塞流特征參數(shù)的影響

2.2.1 混合相速度對(duì)液塞頻率的影響

多相流混合物在水平-傾斜管路系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體流量和壓力壓差等動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)隨著流體流動(dòng)產(chǎn)生波動(dòng)。多相流混合物流體形態(tài)不同，壓力壓差等參數(shù)的波動(dòng)特性也隨之不同，特征參數(shù)的波動(dòng)過程包括了流體流動(dòng)系統(tǒng)等方面的復(fù)雜信號(hào)，可以將流量波動(dòng)做快速傅里葉變換，獲得液塞的波動(dòng)功率譜密度曲線 （PSD），以對(duì)速度對(duì)段塞流特征參數(shù)的影響進(jìn)行詳盡的研究。如圖4所示。由圖4看出：

圖4 段塞流液塞頻率的PSD特征

1）在混合氣液相速度u＝0.50 m／s時(shí)，液塞頻率在0.7 Hz附近達(dá)到峰值，幅值為9.0×10-4kg2／s2。當(dāng)速度為u＝1.00 m／s時(shí)，液塞頻率在1.0 Hz附近達(dá)到峰值，幅值為1.65×10-3kg2／s2。在速度為u＝1.44 m／s時(shí)，液塞頻率在0.3 Hz附近達(dá)到峰值，幅值為1.3×10-2kg2／s2。當(dāng)速度為u＝2.00 m／s時(shí)，液塞頻率在3.0 Hz附近達(dá)到峰值，幅值為1.8×10-2kg2／s2。

2）在圖4（a） ～圖4（d）中，液塞頻率隨著混合氣液相速度的增加而增大。這是因?yàn)樗俣仍黾訒r(shí)，管道內(nèi)截面持液率增大，液位較高，被氣流吹起的液波可能高達(dá)管頂，阻礙管道流通面積，形成液橋，進(jìn)而更容易發(fā)展為液塞。

2.2.2 混合相速度對(duì)液塞長(zhǎng)度的影響

液塞長(zhǎng)度和混合速度之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 液塞長(zhǎng)度和混合速度之間的關(guān)系

由圖5可知：

1）在氣液相混合速度為0.50 m／s時(shí)，液塞長(zhǎng)度為0.04 cm。在混合速度為1.00 m／s時(shí)，液塞長(zhǎng)度為0.23 cm。在混合速度為1.44 m／s時(shí)，液塞長(zhǎng)度為1.75 cm。在混合速度為2.00 m／s時(shí)，液塞長(zhǎng)度為3.15 cm。可以看出，隨著氣液相混合速度的增大，液塞長(zhǎng)度隨之增加。在混合速度較小時(shí)，液塞平均長(zhǎng)度較小。

2）當(dāng)混合速度從1.00 m／s增大至1.44 m／s時(shí)，液塞長(zhǎng)度增大幅度最為明顯。這是由于隨著混合速度增大，氣液界面波動(dòng)更為劇烈，形成的液塞將前端液膜內(nèi)的液體卷吸進(jìn)自身體內(nèi)，此時(shí)液塞的長(zhǎng)度增大。由動(dòng)量守恒定理可得，液塞增長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后液塞尾端就會(huì)有一部分液體脫落至液塞后端的液膜中。

3）隨著液塞在管路中運(yùn)動(dòng)，液塞前端卷吸液膜中的液體使長(zhǎng)度增大，部分液塞尾端又脫落至后端的液膜中，這樣令液塞的長(zhǎng)度保持了動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。液塞長(zhǎng)度與使氣相加速的液體量密切相關(guān)。可以得出，混合速度的增大導(dǎo)致液塞長(zhǎng)度的增大。

3 結(jié)論

流體流型和氣液相界面特性的研究對(duì)智慧管道和油田中對(duì)段塞流的抑制具有非常重要的指導(dǎo)意義。本文對(duì)傾斜管內(nèi)氣液兩相段塞流進(jìn)行了模擬，通過模擬多工況下的段塞流的特征，利用模擬中段塞流特征流型出現(xiàn)的過程以及后續(xù)液體結(jié)構(gòu)的循環(huán)，分析了監(jiān)測(cè)面處速度矢量的變化規(guī)律。主要結(jié)論有：

1）含氣率和傾斜角度一定時(shí)，隨著氣液混合相速度增大，段塞流氣液界面擾動(dòng)越明顯。

2）隨著氣液相混合速度的增大使得液塞峰值頻率越高，流量震蕩強(qiáng)度增大。

3）根據(jù)液塞頻率峰值經(jīng)過計(jì)算得出液塞長(zhǎng)度，在含氣率和傾斜角度一定時(shí)，液塞長(zhǎng)度隨著

混合速度的增大而增大。

基于考慮氣液混合速度對(duì)傾斜管內(nèi)段塞流影響的研究成果，可為后續(xù)智慧管道建設(shè)提供工程參考，同時(shí)智慧管道建設(shè)中加強(qiáng)對(duì)傾斜管路系統(tǒng)段塞流相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，做好短板分析、逐步實(shí)現(xiàn)管道智能應(yīng)用，完善并優(yōu)化現(xiàn)有管理模式，適應(yīng)未來智能管道、智慧油田發(fā)展需求。