第三章礦場集輸管路

油氣集輸石油工程學(xué)院李凌峰電話/p>

郵箱：lilfeng_cn@油氣集輸石油工程學(xué)院李凌峰（博士）付美龍（教授）電話/p>

郵箱：403089315@第三章礦場集輸管路第3節(jié)油氣混輸管路氣液兩相管流的參數(shù)和術(shù)語流量質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)流過管路橫截面的流體質(zhì)量。M=Ml+Mg體積流量為流速氣相流速：

液相流速：

氣相折算流速：

液相折算流速：

氣液兩相混合流速：

氣液相質(zhì)量流速氣液相質(zhì)量流量與管路流通截面之比。氣相質(zhì)量流速液相質(zhì)量流速混合物質(zhì)量流速氣液相相對流速參數(shù)一般情況下，混輸管道中的氣相流速和液相流速是不相等的，因此把氣相流速與液相流速的差值稱為滑差（也稱滑脫速度），把氣相流速與液相流速的比值稱滑動比，即：

滑差：

滑動比：

含氣率和含液率

質(zhì)量含氣率：

質(zhì)量含液率：

體積含氣率：

體積含液率：

截面含氣率：

截面含液率：三種含液率的關(guān)系三種含氣率以不同方式表示管流混合物內(nèi)氣體所占混合物的份額。求出三者的關(guān)系，可了解他們之間的關(guān)系和區(qū)別。在設(shè)計管路的時候，常已知欲輸送的氣液質(zhì)量流量和質(zhì)量含氣率x。質(zhì)量含氣率與體積含氣率的關(guān)系質(zhì)量含氣率與截面含氣率的關(guān)系體積含液率與截面含液率的關(guān)系聯(lián)解兩式得在實際管路中，φ和β的關(guān)系可分為三種情況：滑動比s=1，wg=wl，為均質(zhì)流動，φ=β。S>1，wg>wl，氣相流速大于液相流速，氣相在管路內(nèi)占的流動面積份額較氣相體積含率小,φ<β;液相所占流動面積增多，1-φ>1-β,或Hl>Rl。S<1，wg<wl，只有在下傾管路內(nèi)可能發(fā)生這種情況。質(zhì)量含氣率表示的各種流速氣相流速液相流速真實流速與表觀流速關(guān)系由于0<φ<1，故證明了wg>wsg,wl>wsl。定量說明了真實與表觀流速間的關(guān)系.均質(zhì)流速混合物均質(zhì)流動時，有這個式子說明,混合物均質(zhì)流速等于混合物流速漂移速度兩相混合物密度流動密度真實密度當(dāng)氣液相間相對速度為零時，即wg=wl，則φ=β。這時，流動密度等于真實密度。真實密度用于計算氣液混合物沿地形起伏管路流動時的靜壓損失，即計算由于管路高程變化引起的附加壓力損失。均質(zhì)密度氣液均質(zhì)流動時，wg=wl，s=1。因為當(dāng)wg=wl，則φ=β所以說，均相流動時，流動密度、均質(zhì)密度和真實密度相等。氣液兩相管流的參數(shù)和術(shù)語（復(fù)習(xí)）

流量流速滑差滑動比含氣率和含液率三種含液率的關(guān)系兩相混合物密度流動密度真實密度質(zhì)量含氣率表示的各種流速壓降折算系數(shù)流速氣相流速：

液相流速：

氣相折算（表觀）流速：

液相折算（表觀）流速：

氣液兩相混合流速：氣液相質(zhì)量流速氣相質(zhì)量流速液相質(zhì)量流速混合物質(zhì)量流速含氣率和含液率

質(zhì)量含氣率：質(zhì)量含液率：

體積含氣率：體積含液率：

截面含氣率：截面含液率：三種含液率的關(guān)系三種含氣率以不同方式表示管流混合物內(nèi)氣體所占混合物的份額。求出三者的關(guān)系，可了解他們之間的關(guān)系和區(qū)別。在設(shè)計管路的時候，常已知欲輸送的氣液質(zhì)量流量和質(zhì)量含氣率x。質(zhì)量含氣率與體積含氣率的關(guān)系質(zhì)量含氣率與截面含氣率的關(guān)系體積含液率與截面含液率的關(guān)系聯(lián)解兩式得在實際管路中，φ和β的關(guān)系可分為三種情況：滑動比s=1，wg=wl，為均質(zhì)流動，φ=β。S>1，wg>wl，氣相流速大于液相流速，氣相在管路內(nèi)占的流動面積份額較氣相體積含率小,φ<β;液相所占流動面積增多，1-φ>1-β,或Hl>Rl。S<1，wg<wl，只有在下傾管路內(nèi)可能發(fā)生這種情況。質(zhì)量含氣率表示的各種流速氣相流速液相流速真實流速與表觀流速關(guān)系由于0<φ<1，故證明了wg>wsg,wl>wsl。定量說明了真實與表觀流速間的關(guān)系.均質(zhì)流速混合物均質(zhì)流動時，有這個式子說明,混合物均質(zhì)流速等于混合物流速漂移速度壓降折算系數(shù)

在混輸管道的工藝計算中，常用到壓降折算系數(shù)的概念。壓降折算系數(shù)是指不同情況下壓降梯度（水力坡降）的比值。全液相折算系數(shù):將某氣液混輸管道的壓降梯度與同質(zhì)量流量下純液相管道的壓降梯度之比值稱為全液相折算系數(shù)，即：

分液相折算系數(shù):將某氣液混輸管道的壓降梯度與該管道內(nèi)只有液相（此時液相的質(zhì)量流量ML=M(1-x)）流動時的壓降梯度之比值稱為分液相折算系數(shù)，即：分氣相折算系數(shù):將某氣液混輸管道的壓降梯度與該管道內(nèi)只有氣相（此時氣相的質(zhì)量流量為Mx=Mx）流動時的壓降梯度之比值稱為分氣相折算系數(shù)，即：

引入壓降折算系數(shù)后，可以把混輸管道的壓降梯度的計算轉(zhuǎn)化為壓降折算系數(shù)的確定。若已知某混輸管道的壓降折算系數(shù)，則可由該壓降折算系數(shù)與相應(yīng)單相管路的壓降梯度計算混輸管道的壓降梯度。

流型變化的多樣性油氣混輸，主要發(fā)生在油井至計量站、計量站至轉(zhuǎn)油站或聯(lián)合站、海上采油平臺至地面處理站等處的管道上。由于油井產(chǎn)物的油氣比、含水量、粘度等性質(zhì)的不同，輸送過程的溫度、壓力、流量等參數(shù)的不同，受到管路節(jié)流、計量、轉(zhuǎn)變等處的擾動程度的不同，混輸管道的流型要比單相輸送的流型態(tài)復(fù)雜得的多。通過對透明混輸管道內(nèi)氣液兩相流動情況的直接觀察、高速攝影、射線測量等，并根據(jù)壓力波動特征，可將混輸管道的流型大致分為八類

氣液混輸管路的特點1．氣泡流在泡狀流動中，氣相是以分離的氣泡散布在連續(xù)的液相內(nèi)。氣泡趨向于沿管道的上半部流動。氣泡以與液體相等或略低于液體的速度沿管線運動，一般沒有明顯的壓力波動。這種流型多發(fā)生在被輸送物的含氣率較低時。氣團(tuán)流2．氣團(tuán)流隨著被輸送物的含氣率增加，小氣泡結(jié)合成大氣團(tuán)，大氣團(tuán)之間還存在一些小氣泡。氣泡分布在連續(xù)的液相內(nèi)，并趨向于沿管道的上半部交替流動。分層流3．分層流

當(dāng)被輸送物的含氣率較大，且液相和氣相的流動速度都較低時，氣團(tuán)連成一片成為連續(xù)的氣相，兩相的流動被一層光滑的分界面隔開，氣相在上部，液相在下部，分開流動。波浪流4．波浪流

隨著被輸送物含氣率的進(jìn)一步增加，氣體流速不斷增大，在兩相分界面上掀起了擾動的波浪，分界面受到波浪的作用，變得波動不止。段塞流

5．段塞流當(dāng)氣體流速更高時，分界面處的波浪加劇，與管道上部管壁接觸，其波峰不時高達(dá)管頂，形成液塞，阻礙高速氣流通過，進(jìn)而又被氣體吹開并帶走一部分液體。被帶走的液體或吹散成霧滴或與氣體一起形成泡沫。顯然，以段塞流型工作的混輸管路其震動和水擊現(xiàn)象最為明顯，管路的壓力有很大波動，但震動頻率較小。不完全環(huán)狀流6．不完全環(huán)狀流氣量繼續(xù)提高，要求管路有更大的面積供氣體通過，氣流將流體的斷面壓縮成新月形，管路頂部的液層很薄而底部的液層較厚，形成不同心的環(huán)狀流。環(huán)狀流7.環(huán)狀流隨著氣流的速度進(jìn)一步提高，不同心的環(huán)狀液層變薄，形成環(huán)狀流，氣體攜帶著液滴以較高的速度在緊挨管壁的環(huán)狀液層的中心通過。彌散流8.彌散溜當(dāng)氣體的流速更大時，環(huán)狀液層被氣體吹散，以液霧的形式隨高速氣體流向前流動。相間能量損失

在混輸管道流動中，不同相介質(zhì)之間的速度常常不同，使相間存在能量交換和損失，造成較大的壓力降。如，流速較高的氣體，常常把一部分液體拖帶到氣體中去。被攜帶的流體，脫離液流主體時要消耗能量，被氣流吹成液滴或顆粒更小的霧滴要消耗能量，由流速較慢的液流主體進(jìn)入流速較快的氣流中的液滴或霧滴得加速要消耗能量。當(dāng)液流波峰達(dá)到管頂，液流占有整個管路界面時，高速流動的氣體沖散阻礙它流動的液塞時也要損失能量。液體劇烈的起伏造成相間界面粗糙，增加了相見滑脫損失。還有液面的起伏使氣體流道面積忽大忽小，氣體忽而膨脹忽而壓縮，氣體流動方向也隨液面起伏而變化，這些也都使兩相流動時相間能量損失增加。存在傳質(zhì)現(xiàn)象流動不穩(wěn)定水平油氣混輸管道的壓降計算

由于影響混輸管道流動狀態(tài)的因素眾多，導(dǎo)致混輸管道的壓降計算要比單相流管道復(fù)雜的多。從理論上找到一種考慮各種因素影響的混輸管道壓降計算方法是困難的。目前，在研究混輸管道的壓降計算時，通常是根據(jù)某類混輸流型的主要特征，在某些假設(shè)條件的基礎(chǔ)上使問題簡化為一定的模型，如均相流模型、分相流模型、流型模型等。

氣液兩相管路的處理方法根據(jù)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程均相流模型分相流模型流型模型一、均相流模型計算混輸管道壓降均相流模型的假設(shè)條件：一是氣液混合輸送的氣相流速和液相流速、管道截面含氣率和體積含氣率、混合物的流動密度和真實密度等參數(shù)相等；二是被輸送的氣液兩相介質(zhì)達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，氣相和液相間無熱量的傳遞，流動介質(zhì)的密度僅是壓力的單值函數(shù)。在滿足以上假設(shè)條件下，可以把被輸送的氣液混合物當(dāng)作一種均勻介質(zhì)對待，把氣液混輸管道當(dāng)作單相輸送管道處理。均相流模型用于計算氣泡流和彌散流混輸管道的壓降與實際情況比較接近。

按照均相流模型的思路，根據(jù)能量守恒方程的推導(dǎo)，可得到混輸管道不同流態(tài)的壓降計算公式為：①層流：

②紊流光滑區(qū)：③混合摩擦區(qū):④粗糙區(qū)：式中

PQ，PZ

──分別為管道起點和終點的輸送壓力（絕），Pa；

μ──被輸送混合物的動力粘度，Pa·s；

Z──被輸送氣體的壓縮因子；

Ml──被輸送液體的質(zhì)量流量，kg/s；

L,d──分別為混輸管道的長度和管徑，m；

δg──標(biāo)準(zhǔn)條件下被輸氣體對空氣的相對密度；

η──被輸送的氣相與液相的質(zhì)量流量之比，；

λ——混輸管道的阻力系數(shù)，一般取λ＝0.0025～0.0037，當(dāng)氣液兩項滑差較大時取較大的值；

T──混輸管道中混合物的平均溫度，

K。其中，tQ和tZ分別是被輸送混合物在管道起點和終點的溫度，0C。

利用上述公式計算混輸管道的壓降時，流態(tài)的判別方法與單相液體管道相同，雷諾數(shù)的計算公式為：

各流態(tài)區(qū)的劃分見表4－1。實踐證明，在被輸送混合物的氣油比低于120m3/t、原油粘度小于50㎜2/s、體積含水率低于10％、混合物平均流速在1~5m/s的情況下，應(yīng)用以上公式計算混輸管道壓降的結(jié)果與實際情況相比，誤差較小。

表4－1流態(tài)區(qū)的劃分

流態(tài)雷諾數(shù)層流<2000

紊

流水力光滑區(qū)3000<<混合摩擦區(qū)<<粗糙區(qū)>在混輸管道中，隨輸送壓力的降低，則溶解于原油中的天然氣會逐漸釋放出來，管道中氣體的質(zhì)量流量和流速都會增加，管道的流態(tài)（或流型）會發(fā)生改變，所以在計算較長的混輸管道壓降時，應(yīng)將管路分為若干管段，分別計算各管段的壓降后相加求得全管道的壓降。均相流模型法計算混輸管道壓降的另一處理方法是，在滿足均相流模型的假設(shè)、并認(rèn)為被輸送的混合物中氣相和液相混合非常均勻的條件下，直接用混合物的各參數(shù)取代單相液體的對應(yīng)參數(shù)，按單相液體管道的壓降梯度計算公式計算混輸管道壓降梯度，即：

均相流模型壓降計算式氣液混合物的粘度⑵杜克勒Ⅰ壓降計算法其中，，，，,μ均按混合物取值。

建模階段（相似理論為基礎(chǔ)）⑴中國或大慶壓降計算法收集資料階段驗證評價階段麥克達(dá)姆基克吉利二、分相流模型計算混輸管道壓降

分相流模型的假設(shè)條件，一是混合輸送的氣液兩相有各自的流通面積，并有按所占流通面積確定各自的平均流速；二是混合輸送的氣液兩相介質(zhì)間可以有質(zhì)量交換，但無熱量傳遞。在滿足以上假設(shè)條件時，可以把混輸管道內(nèi)氣液兩相介質(zhì)流動當(dāng)作氣相和液相各自的分別流動來處理，即分相流模型。顯然，分相流模型與分層流、波狀流和環(huán)狀流的情況比較接近。分相流模型壓降計算式：L-M公式假設(shè)：把兩項管路看成為兩條單相管路，一條輸送液體，一條輸送氣體

相間無相互作用，即不考慮相間滑脫損失ddgdl返回L-M公式的推導(dǎo)（1）（2）（3）假想輸液管的壓降梯度假想輸氣管的壓降梯度問題的關(guān)鍵是求wl、wg求求速度L-M公式的推導(dǎo)（4）（5）（6）（7）兩相管路中只有液體和只有氣體單獨流動時的壓降梯度：L-M公式的推導(dǎo)或由式（1）、（4）、（6）、（8）得：求λ之比求d之比定義洛-馬參數(shù)（8）（9）（10）（11）求λ之比由布拉修斯公式返回求d之比相比得：返回L-M公式的推導(dǎo)X為洛——馬參數(shù)將（10）、（11）式代入L-M參數(shù)的定義式得：或表示成將12式代入10、11式得：（13）（12）（14）L-M公式的推導(dǎo)混輸管路的壓降由下面任一式求出：管徑小1.49~25.8mm管長小0.67~15.2m壓力低基本是常溫分相流模型計算輸管路壓降梯度的公式可仍取下式的形式，即：（4-31）式中的,μ和Re等參數(shù)的計算方法與前面相同，混合物的密度按下式計算：

（4-32）從上式可知，按分相流模型計算混輸管道壓降的關(guān)鍵是正確確定混輸管道的體積含液（氣）率和截面含液（氣）率。其中，體積含液率可根據(jù)管道氣液相的體積流量計算，截面含液率通常是由如圖4－2所示的體積含液率與截面含液率之間的關(guān)系曲線查得。

圖4－2--的關(guān)系曲線

由于截面含液率與雷諾數(shù)間呈隱函數(shù)關(guān)系，一般是先假設(shè)一個值，按式（4-32）求得混合物密度，進(jìn)而求得雷諾數(shù)后,再由圖4-2查取對應(yīng)的值。若假設(shè)的值與由圖查得值相差超過5％，需要重新假設(shè)值，重復(fù)上述步驟，直至兩者誤差小于5％為止。

分相流模型中，通常將氣液兩相間的滑脫對管道壓降的影響考慮在水力摩阻系數(shù)的計算中，即考慮相間滑脫時的水力摩阻系數(shù)為：

式中,C是體積含液率Rl的函數(shù)，。

三、流型模型計算混輸管道壓降

流型模型計算管道壓降的思路是，首先確定混輸管道的流型，再根據(jù)不同流型的不同特征，采用不同的壓降計算方法。顯然，從理論上講，這種方法的針對性更強(qiáng)，能更深入地揭示混輸管道不同流型的流體水力學(xué)特征。在實際應(yīng)用中，如何準(zhǔn)確的確定混輸管道的流型，是這種方法計算結(jié)果準(zhǔn)確與否的前提。

1．混輸管道流型的劃分由于影響混輸管道流動狀態(tài)的因素很復(fù)雜，則通過理論計算方法確定其流型也就相當(dāng)困難。目前，確定混輸管道流型的常用方法是依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將影響混輸管道流型的諸多因素之間的