氣液混輸管道持液率計(jì)算及清管過程數(shù)值模擬研究

1、氣液混輸管道持液率計(jì)算及清管過程數(shù)值模擬研究清管是提高管道輸送效率, 保障管道安全運(yùn)行的重要手段。陸上起伏天然氣輸送管道由于其沿線地形參數(shù)復(fù)雜, 造成管內(nèi)液相在低洼處聚集, 增加了清管作業(yè)的難度 ; 而海底氣液混輸管道則由于本身入口液相流量較高 , 且存在立管結(jié)構(gòu),造成清管器在管內(nèi)運(yùn)行時(shí), 清管器運(yùn)行參數(shù)及管內(nèi)流體的流動(dòng)參數(shù)均出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。因此 , 通過數(shù)值模擬的方法對(duì)陸上起伏天然氣輸送管道、海底氣液混輸管道的瞬態(tài)清管過程進(jìn)行研究, 掌握清管過程中相關(guān)參數(shù)的變化行為 , 將有助于提高管道清管效率, 同時(shí)為高效安全地進(jìn)行現(xiàn)場清管作業(yè)提供指導(dǎo)。針對(duì)上述問題 ,本文基于ACE算法、流體力學(xué)、傳

2、熱傳質(zhì)學(xué)以及數(shù)值求解方法等基礎(chǔ)原理,采用實(shí)驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法, 建立了氣液兩相流流型判別模型、持液率計(jì)算模型和壓降計(jì)算模型, 同時(shí) , 建立了分別適用于陸上起伏天然氣輸送管道與海底氣液混輸管道的瞬態(tài)清管模型, 并以此為基礎(chǔ), 對(duì)清管過程中的清管器運(yùn)行參數(shù)、管內(nèi)流體流動(dòng)參數(shù)的變化行為展開研究。具體內(nèi)容及取得的主要研究成果如下:(1) 基于已發(fā)表的氣液兩相流流型,將基礎(chǔ)流型劃分為分層流、泡狀流、段塞流與環(huán)狀流四類, 并結(jié)合流型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用編程計(jì)算的方法對(duì)已有的流型判別模型進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià), 根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果, 建立了適用于不同傾角條件下管內(nèi)兩相流流型判別組合模型。(2)基于ACE算法理論和持

3、液率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 建立了綜合考慮管徑、 傾角、 氣相折算速度、 液相折算速度、壓力、 溫度以及粘度等因素的兩相流持液率計(jì)算模型, 通過對(duì)比驗(yàn)證得出 : 本文建立的持液率計(jì)算模型其計(jì)算結(jié)果精度較高；同時(shí)，采用Spearman相關(guān)系數(shù)對(duì)持液率的各個(gè)影響因素進(jìn)行了綜合排序 ; 最后 , 通過引入新建的持液率計(jì)算模型改進(jìn)了原 Beggs-Brill 壓降模型 , 并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證, 結(jié)果表明 : 改進(jìn)后的Beggs-Brill 壓降模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度更高。(3) 針對(duì)水平管道、傾斜管道以及垂直管道中清管器的運(yùn)行特性以及清管器運(yùn)行參數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析, 建立了考慮清管器自身重力影響的清管器運(yùn)動(dòng)模型

4、, 研究了清管器在管道不同傾角條件下的受力情況, 并對(duì)模型中的各個(gè)基礎(chǔ)受力進(jìn)行了詳細(xì)的分析與計(jì)算, 為氣液混輸管道清管過程的瞬態(tài)數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)。 (4) 針對(duì)起伏管道的清管過程, 建立了考慮熱力學(xué)參數(shù)的瞬態(tài)清管模型。根據(jù)管內(nèi)流體及清管器在清管過程中的分布情況, 將管道重新劃分為四個(gè)區(qū)域, 即: 上游兩相流區(qū)、清管器、液塞區(qū)與下游兩相流區(qū),并對(duì)各個(gè)流動(dòng)區(qū)域分別建立了對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型。 其中 , 對(duì)于液塞區(qū) , 考慮到液塞體流型會(huì)隨管道傾角發(fā)生改變 , 建立了上傾管道與水平/ 下傾管道的液塞區(qū)瞬態(tài)流動(dòng)模型; 對(duì)于兩相流區(qū),則考慮了清管過程中熱力參數(shù)的變化行為 , 基于質(zhì)量守恒原理、 動(dòng)量守恒原

5、理以及能量守恒原理的雙流體模型建立了兩相流瞬態(tài)流動(dòng)模型, 同時(shí)建立了熱力學(xué)平衡與非平衡狀態(tài)下的氣液相間的質(zhì)量、動(dòng)量以及能量傳遞數(shù)學(xué)模型。(5) 研究了兩相流瞬態(tài)流動(dòng)模型的數(shù)值求解方法, 以及清管器、液塞區(qū)與上、下游兩相流間的耦合算法, 利用 Matlab 軟件編制了瞬態(tài)清管模擬程序 , 并以此為基礎(chǔ) , 對(duì)比分析了不同工況下以及現(xiàn)場實(shí)際管道的清管過程, 驗(yàn)證結(jié)果表明 :1) 本文模型能夠較好地描述清管過程中清管器運(yùn)行參數(shù)、管內(nèi)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)的變化行為 ;2) 對(duì)于存在積液的輸氣管道, 本文模型計(jì)算得出的清管器平均運(yùn)行速度與清管時(shí)間 , 其結(jié)果精度均高于現(xiàn)場計(jì)算得出的理論值;3) 針對(duì)不同液相流量條件下的清管參數(shù)進(jìn)行了分析, 結(jié)果表明 : 液相流量對(duì)清管器的運(yùn)行參數(shù), 壓力以及溫度的影響較大。 (6) 建立了適用于海底氣液混輸管道的瞬態(tài)清管模型。海底氣液混輸管道的清管過程由于受到輸送介質(zhì)、 海管結(jié)構(gòu)以及立管周邊環(huán)境參數(shù)的影響 , 與陸上起伏管道的清管過程存在一定差異, 本文基于新建的起伏管道瞬態(tài)清管模型, 對(duì)原液塞區(qū)瞬態(tài)流動(dòng)模型引入了蘇霍夫溫降公式 , 并通過耦合原清管器運(yùn)動(dòng)方程和兩相流瞬態(tài)流動(dòng)模型, 實(shí)現(xiàn)對(duì)海底氣液混輸管道清管過程中相關(guān)參數(shù)的模擬計(jì)算, 通過