湿天然气管道螺旋流水合物浆液安全输送研究*

戴源　王树立　饶永超　常凯　郑亚星

（常州大学江苏省油气储运重点实验室　江苏常州213016）

固体废弃物处理

湿天然气管道螺旋流水合物浆液安全输送研究*

戴源王树立饶永超常凯郑亚星

（常州大学江苏省油气储运重点实验室江苏常州213016）

研究了天然气水合物浆液在气液两相螺旋管流中流动特性，分析了以气相为连续相、水合物颗粒为离散相的气固两相螺旋流的流动机理，通过对水合物颗粒受力分析和运动分析，结合螺旋流旋涡结构演化规律，推导出水合物颗粒平动、转动的判断条件，给出了颗粒各种受力的关联式，建立螺旋管流水合物颗粒运动模型 ，探讨了水合物颗粒的动力学行为。分析水合物浆液流动特性得到临界速度1即水合物浆液从固定床流动向悬浮流转化速度以及临界速度2即水合物浆液从移动床流动向固定床转化速度，为水合物浆液稳定流动提供了理论判据。

天然气管道输送 螺旋管流 水合物颗粒 受力分析 数学模型 风险控制

0　引言

随着我国陆上天然气气田的大量开采以及海洋油气田的开发逐步进入深海领域，国内外相关学者在水合物颗粒（浆液）流动规律、水合物颗粒受力分析、管道内水合物生成与分解模型的建立等方面对以液相为主导输液管道动态控制技术作了大量的研究，取得了较多的理论和实践成果。然而以气相为主导输气管道动态控制技术却极少见著于报道，相关学者在这方面的研究很少。可见，开展湿气输送管道流动体系水合物浆液流动特性研究，不仅对流动体系下湿气输送管道中的水合物浆液流动机理的揭示具有重要的科学意义，而且对保障湿气输送管道安全运行具有重要的实际意义。近年来提出了水合物浆液管流输送技术，该技术虽然促进管道中形成水合物颗粒，但阻止这些水合物颗粒凝聚在一起（如果必要的话会使用降凝剂），使水合物颗粒随流体沿管道流动。这样就避免了使用昂贵的热力学/化学抑制剂，提高了多相流运输的实用性。为提高管道输送能力并降低能耗，运用水平管螺旋流输送天然气水合物。

本文通过研究螺旋管流中生成的天然气水合物颗粒的力学行为，分析了水合物颗粒的流动状态，得出了水合物颗粒运动临界速度，建立螺旋管流中水合物颗粒轴向速度模型，为水合物颗粒（浆液）管道安全输送提供理论依据。

1　简化条件

固体颗粒在液相中流动通常分为3种流型：①悬浮流；②移动床流；③固定床流。移动床流与固定床流无法同时存在。同样的道理，水合物颗粒在螺旋管流中同样分别存在上述3种流型。

对于水合物颗粒流动模型做出以下几点假设：①浓度分布由临界沉积速度与分散系数所决定；②水合物颗粒流属于稀相流动，忽略流动过程中颗粒间的碰撞、粘结以及破碎；③考虑到球形颗粒一维的两相流动中的颗粒的旋转以及侧向运动特征难以考虑，因此忽略升力、Magnus力和Saffman力。

2　水合物颗粒运动判据

在管壁上成核生成的水合物通过粘附力与管壁相连，此时水合物颗粒为固定床流，考虑到颗粒粘附于管壁 ，研究颗粒何时开始运动成为了运动模型的基础。通过测量颗粒和管壁之间的粘附力，颗粒的形状，流体性质和流体的速度分布这几个参数，可以预测水合物颗粒运动的临界值，为此对水合物颗粒建立其受力平衡图并定义此时的流体速度为临界速度1，即在系统参数不变时，此流动速度为固定床流向悬浮流转变的速度。

轴向受力如图1，粘合力FA，相间阻力FD，升力FL，重力 Fg和浮力 FB都是作用在直径为d的颗粒上的。此外，还有作用在颗粒上的表面应力的外力矩MD。

对于粘性流动中固定管壁与固定球体接触，奥尼解出线性斯托克斯流动方程的确切解，见于方程（1）和（2）。

式中，uf为流体在颗粒中心的流速，μ是流体的动力粘度 ，d是颗粒直径。考虑到阻力和外力矩的表面效应，采用常数1.700 9和0.943 993。FL升力是由于速度梯度产生的Saffman力，计算公式如下：

图1　水合物颗粒受力平衡

式中，ρ是流体的密度，u是流体的轴向流速 ，z是指向竖直方向。

通过图1中的力平衡分析，可以得出以下结论：当不等式（4）成立时，垂直方向的颗粒在升力的作用下成为悬浮质，具有流动性：

滑动判据是从水平方向受力平衡中推导出的，其中 f是颗粒和管壁之间的静态摩擦系数。

最后，颗粒滚动的判据是：

式中，l1和 l2是该颗粒转动的垂直力臂和水平力臂。

定义滚动时的速度为临界速度1，即水合物颗粒从固定床向悬浮流转变时的流速。此时，水合物浆液开始流动，水合物浆液被安全输送。

3　水合物颗粒运动模型建立及简化

当水合物颗粒成为移动床流时，螺旋管流中的水合物颗粒在轴向和切向流速的共同作用下，做螺旋线状运动。旋流场中的水合物颗粒的受力主要分为两大类，第一类是与颗粒运动相关的力 ，如Basset力 FB，Saffman力 FS，Magnus力 FM，附加质量力 Fa，颗粒运动的相间阻力 FJP等；第二类是与颗粒运动无关的力如颗粒的重力 FG，压差力 FP，颗粒间的作用力 FK。根据B.B.O方程，考虑颗粒间的作用力，建立如下颗粒的运动方程［1-4］：

并对两相建立质量守恒方程：

当液相流速达到一定值时 ，加载在水合物颗粒上的力满足公式（5），水合物颗粒开始运动，水合物颗粒在压降梯度力 FP和相间阻力 FJP的作用下做变加速运动。受力分析见图2。

图2　轴向受力分析

式中，rp为水合物颗粒半径，ρp为水合物颗粒密度，ρf为液相密度，uf为液相轴向速度，up为颗粒轴向速度，

对轴向受力建立方程：为压降梯度，CD为阻力系数。令

当t=0时，up=0，解出arctan

对方程进行处理、计算得出解析解：根据第一阶段的模型可以得出当 uf=up时，t=代入上式，得出

由上述分析可以知道，在水合物颗粒刚开始运动时，其轴向速度运动方程满足式（10），此时水合物颗粒进行变加速运动，速度从零增加直至与液相流速相同。随着水合物颗粒速度的继续增加，相间阻力方向随之变化，受力分析情况发生改变见图3，其轴向运动速度方程为式（11），颗粒的速度仍在逐渐增大，加速至最大值之后做匀速运动。

为对颗粒运动模型进一步简化，对颗粒运动进行分析：颗粒刚开始粘结在管壁上，其初始状态为固定床层，当流动速度逐渐增大 ，当达到颗粒运动的临界速度时，颗粒脱离管壁形成悬浮流动 ，定义此时的流动速度为临界速度1。即在其他系统参数不变的条件下 ，此流动速度为固定床层转化为悬浮流的转化速度。随着流动的推移 ，颗粒不断聚集向前移动，形成了移动床流动。随着流速的继续降低，床层不断增高 ，速度不断降低，最终床层速度达到0，形成新的固定床流，定义此时的流动速度为临界速度2。即移动床流向固定床流转化的速度。

图3　流动状态

4　结论

（1）分析水合物颗粒运动状态，将其划分为悬浮流；移动床流动；固定床流动，得到水合物颗粒从固定床流动转化为悬浮流动的临界速度1以及水合物颗粒从移动床流动转化为固定床流动的临界速度2。为水合物浆液稳定流动提供了判断依据：临界速度1为水合物浆液稳定流动所需最低流速；临界速度2则为管道内开始出现固定床，发生堵塞现象的临界流速 ，为螺旋管流安全输送天然气水合物提供理论依据。

（2）还需进一步掌握流动体系下气固两相螺旋流流动特性，主要探究水合物颗粒受力分析机理、水合物颗粒相粒子速度、粒子浓度分布（包括瞬时分布特征与时均分布特征）及湍流脉动规律、工艺条件对水合物颗粒扩散特性与分布特性的影响机理等 ，建立气固两相螺旋流的流动特点的定量表述。

（3）基于气固两相螺旋流的流动特点，建立综合考虑螺旋特性、热力学、动力学、传热和传质的水合物生长模型和管道内天然气水合物固体颗粒宏观运动数学模型。

（4）基于水合物颗粒气固两相螺旋流流动规律以及流动体系水合物生成规律，研究管道中水合物的聚集规律，为精确计算管道水合物堵塞位置提供理论支持与技术手段，为管道输送水合物提供理论依据。

［1］张香红.气-固两相螺旋流光整加工技术的理论分析与数值模拟研究［D］.太原：太原理工大学，2007.

［2］孙其城，王光谦.颗粒流动力学及其离散模型评述［J］.力学进展，2008，38（1）：87-100.

［3］Campbell C S.Granular material flows：an overview［J］.Powder Technology，2006，162：208-229.

［4］张羽，张仙娥，彭龙生.圆管螺旋流输沙特性试验研究［J］.泥沙研究，2005（2）：34-38.

Hydrate Particle Spiral Flow Motion Model in Wet Natural Gas Pipeline

DAIYuan WANG Shuli RAO Yongchao CHANG Kai ZHENG Yaxing
（Jiangsu Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou University Changzhou，Jiangsu 213016）

The flow characteristics of natrual gas hydrate slurry in gas-liquid two-phase pipeline spiral flow is studied，the flow mechanism of gas-solid two-phase pipeline spiralflow is analyzed and combined with the characteristic ofvelocity of spiral flow，force and kinematic analysis is carried out on the hydrate particles to set up the natural gas hydrate velocity model and judge the exercise condition of hydrate particles.The hydrate particles motion trajectory is discussed.The analysis of the flow characteristic of hydrate flow can get the critical speed 1，that is the velocity of the hydrate moved from fixed bed to suspension flow and critical speed 2，the velocity of the hydrate moved from moving bed to fixed bed，which can provide theoretical bases for the stable flowing of hydrate particles.

natural gas hydrate slurry pipeline transportation spiral flow in horizontal pipe hydrate particles force analysis mathematicalmodel risk management

国家自然科学基金（51176015）。

戴源 ，男，硕士，从事油气储运方面的研究。

（2015-09-25）