油氣混輸管道段塞流模擬及段塞流捕集器設計研究

張庚興 石小磊 丁晗

1. 中油（新疆）石油工程有限公司 新疆 烏魯木齊 830026 2. 新疆金戈壁油砂礦開發有限責任公司 新疆 克拉瑪依 834000 3. 中國石油塔里木油田分公司油氣生產技術部 新疆 庫爾勒 841000

段塞流是多相管流最常遇到的一種流型，在許多操作條件下（正常操作、啟動、輸量變化）混輸管道中常出現段塞流。其特點是氣體和液體交替流動，充滿整個管道流通面積的液塞被氣團分割，氣團下方沿管底部流動的是分層液膜。管道內多相流體呈段塞流時，管道壓力、管道出口氣液瞬時流量有很大波動，并伴隨有強烈的振動，對管道及與管道相連的設備有很大的破壞。為確保管道下游的工藝裝置正常運行，應設計段塞流捕集器[1]。

1 流態及計算關系式

1.1 流態

TDB流態圖以氣液相表觀流速為縱橫坐標，將氣液兩相流動分為五種流態。TDB流態圖如圖1所示。

圖1 TDB流態圖

1.2 計算關系式

段塞流的段塞單元由液塞區和液膜區組成。液塞區不含氣相，持液率等于1；液膜區上方有氣泡，持液率小于1[2-4]。

（1）布里爾（BRILL）關系式。最早應用，假設段塞流大小是流體流速和管徑的函數。

（2）諾里斯（NORRIS）關系式。艾克森石油公司開發，假設段塞流大小是管徑的函數。

（3）斯科特（SCOTT）關系式。SCOTT本人的博士論文，和NORRIS方法相同但增加了段塞發展的概念。

目前一般使用SCOTT關系式，且假設液塞長度按對數正態分布，最大液塞長度出現的概率為0.001。

2 段塞流分類

2.1 水動力段塞流

管道內氣液表觀流速處于流態圖段塞流范圍內所誘發的段塞流。

2.2 地形起伏誘發段塞流

由于液相在管道低洼處積聚，局部堵塞氣體通道而誘發的段塞流，常在低氣液流量下發生。

2.3 強烈段塞流

通常在兩海洋平臺間的連接管道上發生。定義為：液塞長度大于立管高度的段塞流[1]。

3 段塞流模擬分析

克拉蘇氣田某油氣混輸管道輸送天然氣1050×104Nm3/d，凝析油12t/d，末端進站壓力72bar；管道規格為D813×14/L360N，設計壓力100bar；管線長89 km，管線沿線高程變化見圖2。穩態工況管線起點壓力82.5bar，末端壓力72bar。

圖2 油氣混輸管道沿線高程及壓力變化

3.1 運用OLGA 軟件模擬段塞流量

（1）OLGA軟件運行期間（穩態）段塞流模擬。

運用OLGA模擬混輸管道運行，管線末端持液率為0.3，管線末端液體質量流量變化明顯，產生了段塞流。OLGA模擬穩態段塞流見圖3。

圖3 OLGA模擬穩態段塞流

運用OLGA模擬混輸管道運行，管線末端累計液體體積為11.2m3；管線末端設置處理能力為120 m3/d的段塞流捕集器，用時2.1h能夠處理完成。OLGA模擬穩態段塞流量如圖4。

圖4 OLGA模擬穩態段塞流量

（2）OLGA軟件清管期間段塞流模擬。

運用OLGA模擬混輸管道清管，0.5d時，開始清管；0.9d時，清管完成；清管結束時管線末端持液率為0.8，管線末端液體質量流量變化明顯，產生了段塞流。OLGA模擬清管段塞流如圖5。

圖5 OLGA模擬清管段塞流

運用OLGA模擬混輸管道清管，管線末端累計液體體積為1105m3；管線末端設置處理能力為2000 m3/d的段塞流捕集器，用時13h能夠處理完成。OLGA模擬清管段塞流量如圖6[5-7]。

圖6 OLGA模擬清管段塞流量

4 段塞捕集器設計

段塞捕集器液體處理量應大于混輸管道運行期或清管期的最大段塞量[4]。

4.1 段塞捕集器的種類

目前，我國的段塞捕集器主要采用的是容器式段塞捕集器和管式段塞捕集器[8-9]。

4.2 斜管式段塞捕集器工作原理

斜管式段塞捕集器利用下傾的管道有利于氣液分層的特點，對氣液混合物進行強制分層，分離出的氣體經過豎直集氣管匯集進入容積式分離器的氣相入口。

5 工程應用

根據克拉蘇氣田某油氣混輸管道工況需要設計的斜管式段塞流捕集器見圖7：

圖7 斜管式段塞捕集器

6 結束語

根據TDB流態圖，氣液混輸段塞流與氣、液相表觀流速有關；段塞流可分為三種類型。可運用OLGA軟件模擬段塞流量；根據最大段塞流量，設計段塞流捕集器。