输气管道中气油水和水合物的瞬态流动特性数值研究

高赫岑，朱昌成，吴玉国

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁 抚顺 113001； 2.中国石油管道济南输油分公司，山东 济南 277100）

输气管道中气油水和水合物的瞬态流动特性数值研究

高赫岑1，朱昌成2，吴玉国1

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁 抚顺 113001； 2.中国石油管道济南输油分公司，山东 济南 277100）

对输气管道中气油水以及水合物的流动特性进行了四相四组分的数值计算研究。应用了相行为模型以及水合物相平衡模型对多组分的混合流动热力性质和水力特性进行研究。提出了相关的控制方程，并对流体与管壁之间的质量、动量以及热传递物理现象进行了描述。应用交错网格技术和有限差分法对控制方程进行求解，对边界条件和相的消失以及出现做出了很好地描述。用前人的调查结果对本文的模型进行了验证。应用此模型对管道中的流体流动特性进行了数值模拟，并通过分析所得结果对水合物的形成位置或潜在的形成位置进行了预测；通过对油气水以及水合物的水力流动特性进行分析，给出了输气过程中防止水合物的形成的方案。关 键 词：四相流动；管道模型 ；相行为模型；气-冷凝物；水合物

众所周知，在多相流动输气管道中固体晶体的沉积（天然气水合物、石蜡、蜡状物或者沥青）可能会堵塞管道，导致严重的管道运行问题以及一些其他的安全隐患，例如管道堵塞或破坏管道断裂等[1,2]。由于天然气中含有可以形成水合物的气体成分，如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮气和硫化氢等。一旦管道中形成水合物，则管道中会形成复杂的四相（包括气相、冷凝物相、水相、水合物相）流动显现。对于阻止水合物的生成，现在有一种可供选择的办法，分别为热力方法、化学抑制剂方法、机械破坏方法[3,4]。然而这些方法恰当正确的实施需要知道水合物在管道中形成的具体位置，所以对于输气管道生成天然气水合物后管道中的四相流体流动模型进行细致的研究显得尤为重要。

对于这方面的研究国外开展的较早一些。Flanigan,1972[5],这些学者对管道流体流动的单相流动问题进行了研究，然而他们的研究中只有少数涉及到石油天然气工业中输送管道的多相流动问题。Adewurni and Muchararn[6]，提出了一个稳态的、气-冷凝物模型来描述长输管道中的冷凝过程。Tek[7]提出了一个修正压力梯度的模型，此模型通过将两种不混溶的液体作为一个拥有平均混合物特性的单相来处理，来达到目的。Khor et al[8]对 Taitel et al的模型中添加剪切力对模型进行了修改。所提出的模型是基于一个稳态模型，用来计算每一相的体积分数的相关数据是来自具体的实验数据修正，但是此数据的获得没有考虑相之间的质量传递。并且这些模型都是在流体流速相对较低的管道中才有效的。当气体速度较高时，在企业两相流动管道中气体的有效体积分数会变得相对较大。从热力学角度来看这是一个气体和液体的流动，其中从水利方面分为气体的三流体流动、液膜和液滴。Tso and Sugawara[9]应用三流体模型（FIDAS-3DT）预测了水平环形管道中的两相流动液滴的非洲对称分布特性。

虽然已经有很多学者对输气管道中相关流体的瞬态流动特性做了研究，但只有少数的是针对多组分、多相流动问题的。特别是当输气管道中有水合物生成时，问题变为四相，四种流体的流动模型，目前为止仍未作出具体的研究。

本文提出一种四六体流动模型，用来预测气，冷凝水，水以及水合物在输气管道中的瞬态流动特性。可为相关的事故处理提供一定的理论依据。。

1 流体动力学模型

模型主要包括三部分：管道中的四相流动模型、相行为模型、水合物相平衡模型。控制方程是基于以下的假设：

（1）整个的流动是一个在圆柱形管道中的分散流，如图1所示。凝析油滴在连续的气相中是均匀分散的，水合物悬浮在连续的液相中；

（2）忽略滴入水相中的沉积油滴，忽略滴入气相中的水滴和水合物；

（3）忽略粘性耗散；

（4）模拟过程中重力是唯一的体积力。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

1.1 控制方程

流体k的连续性方程可以表述如下：

其中：A代表横截面面积；

ρ代表密度；

α代表原位体积分数；

v代表原位速度；

mjk代表从相j到相k的质量传递速率；

下表k分别代表气体（g）、油（L）、水（w）和水合物（h）；

j代表一个与相k不同的相。

相k的动量方程可以表示如下：

其中：

P代表压力；

F代表动量力；

上标W、G、D和M分别代表管壁摩擦力、重力、拖拽力和质量传递力。

摩擦力可以用下面的式子表示：

拽力可以用如下的方程描述：

下表C代表连续相；

通过假设每一线过的温度相等，混合物的能量方程可以写成如下的表达式：

其中：T代表温度；

可以写成如下的方程：

其中：

U代表整体导热系数；可以写成如下的方程：

其中：

k代表管壁的导热系数；

其中：Re和Pr分别代表雷诺数和普朗特数；

下表f和w分别代表流体和管壁；

D代表管道的内径或者外经；

h代表混合物或者周围环境的对流传热系数。

本文在四相管道流动模型中应用全隐式有限差分法对交错网格系统进行离散。应用能量方程求解了管道中的流体温度，应用压力方程求解了压力，应用连续性方程求解了沉积粒子的密度，最后应用动量方程求解了粒子的质量扩散，也就是粒子的增长问题。

2 模拟结果及分析

为了验证所提出的四相管道流动模型，与前人所提出的用实验得出的凝析油管道模型所得结果进行了对比。在这一组对比中，管径定义为0.1524 m，长度截取总长为15.53 km的管道中的一段进行研究。在管道的入口处压力为2.07 MPa，液相的体积分数为0.2。入口处气体也液体的速度分别假设为1.981和1.996 m/s，入口和周围环境的温度分别为310和291.4 K。管道中的气液流动假设为分散流。最终得到模拟结果的管道出口压力为1.773，这与前人的研究结果1.737 MPa吻合较好。

为了分析气-冷凝水-水-水合物所组成的混合物在管道流动中的瞬态水力特性，对管径为0.58m、长度为实验室尺度的管道中流动情况进行模拟。具体物理模型如图2所示。入口处边界条件定义为：温度333 K、压力10MPa气体、冷凝水和水的体积分数分别假设为0.65、0.05、0.30。为了研究出口压力对流动的影响，分别在出口端设置压力为4MPa（case1）和8MPa（case2），周围环境温度为280K。

图2 边界条件Fig.2 Boundary condition

图3为在出口端的温度结果。从图中可以看出，出口压力较低的case1情况时，经过2.7 h后出口处的温度达到稳定，数值为280.2 K。与case1出现鲜明的对比，在case2中经过4.5 h后，出口处的温度才打到稳定值282.3 K。在初始时刻，与case2相比case1中的出口温度导致了一个较大的压降，导致这种情况的原因是由于Joule-Thomson冷却效应。但是3.5 h之后，case1的温度比case2的温度稍微高一些，因为case1中的流体流动速度比case2中的大，且速度越大所导致的对流传热越强烈。因此在瞬态时期，case1从初始阶段到3.5 h更有可能形成水合物。

图3 不同出口压力，出口温度随着时间的变化关系Fig.3 Change of outflow temperature with the time under different outlet pressure

图4 不同出口压力，气体速度随着时间的变化关系Fig.4 Change of gas velocity with the time under different outlet pressure

图4给出了出口处的气体流速随着时间的变化关系。从图中可以看出：在case2中入口处的气体速度经过2.5 h候保持稳定，数值为3.64m/s。而case1中在相同的时刻并入口处的气体流速并没有达到稳定，并且经过80 h后仍然没有达到稳定。很明显，这是由于速度较大的流体需要用更长的时间去达到流速稳定。

一般的，水合物是气体和水在高压低温的情况下所形成的。所以图5给出了稳定后的压力分布图。从图中可以看出case2的工况更有可能在管道中形成水合物。图6给出了沿着管道中的温度分布情况。从图中可以看出，温度在入口的部分下降较为极具，而且整体来看，case2沿管道的温度要比case1低，也就是意味着水合物在case2中更有可能形成。

图5 不同出口压力，压力随着距离的变化关系Fig.5 Change of pressure with the distance under different outlet pressure

图6 不同出口压力，压力随着距离的变化关系Fig.6 Change of temperature with the distance under different outlet pressure

图7 不同出口压力，水的体积分数随着距离的变化关系Fig.7 Change of volume fraction of water with the distance under different outlet pressure

图7给出了流动趋于稳定时水的体积分数沿着管道的分布情况。两种情况中体积分数都随着距离出口端距离的减小而减小。从图中两组工况的折线图中可以看出：case1中水的体积分数要比case2的低很多。由于水的存在，导致了水合物潜在生成的可能性，这点在多相管道流动中预测水合物的存在风险具有极其重要的意义。

3 结论

本文对长输天然气管道中非稳态、多组流动以及管道中天然气水合物的形成情况进行预测。应用四相四流体模型对其进行模拟。得出的管道中流体流动特性具体如下：

（1）本文应用前人的气体凝析油流动系统的研究结果，对四相流体模型进行校验，结果吻合较好。

（2）应用相行为模型和水合物相平衡模型对管道中四相混合项行为模型进行检验。模拟结果显示，水露点曲线、冻结点曲线以及水合物分解压力曲线将整个P-T图分成五个区域。

（3）为了研究出口压力对流动特性的影响，对气体速度、水的体积分数、压力以及温度分别随着时间和管道沿线的变化关系进行了分析。从P-T图的热力和水力结果中可以得出水合物的形成位置，综合分析结果为：出口压力较低时，整个管道系统形成水合物的可能性较低。

［1］曾义聪,徐海良,谢秋敏,等.深海天然气水合物管道水力提升规律研究[J].海洋湖沼通报,2015(2):164-170.

［2］李长俊,杨宇.天然气水合物形成条件预测及防止技术[J].管道技术与设备,2002(1):8-10.

［3］刘陈伟,李明忠,王卫阳,等.输气管道天然气水合物段塞形成机理[J].石油学报,2012,33(1):150-156.

［4］张存.采气期输气管线水合物形成原因影响及预防[J].中国科技博览,2016(3):70-71.

［5］Flanigan O.Constrained derivatives in natural gas pipeline system optimization[J].Journal of Petroleum Technology,1972,24(05): 549-556.

［6］Adewumi M A,Mucharam L.Compositional multiphase hydrodynamic modeling of gas/gas-condensate dispersed flow in gas pipelines[J].SPE Production Engineering,1990,5(01):85-90.

［7］Tek M R.Multiphase flow of water,oil and natural gas through vertical flow strings[J].Journal of Petroleum Technology,1961,13(10): 1029-1036.

［8］Khor S H,Mendes-Tatsis M A,Hewitt G F.One-dimensional modelling of phase holdups in three-phase stratified flow[J].International journal of multiphase flow,1997,23(5):885-897.

［9］Tso C P,Sugawara S.Film thickness prediction in a horizontal annular two-phase flow[J].International Journal of Multiphase Flow,1990, 16(5):867-884.

Numerical Simulation on Transient Flow of Oil,Gas,Water and Natural Gas Hydrate in Gas Pipelines

GAO He-cen1,ZHU Chang-cheng2,WU Yu-guo1

（1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001,China；2.PetroChina Pipeline Jinan Oil Transportation Sub-Company,Shandong Jinan 277100,China）

Numerical simulation on flow characteristics of four-phase four-component of gas,oil,water and natural gas hydrate in a gas pipeline was carried out.The phase behavior model and hydrate phase equilibrium model were used to study thermodynamic and hydrodynamic properties of the multicomponent mixture.The related control equations were formulated for describing the physical phenomena of mass,momentum and heat transfers between the fluids and the wall.The equations were solved by utilizing the implicit finite difference method and the staggered-grid system,the boundary conditions and phase appearance or disappearance were properly described.The developed pipeline simulator was validated with the field data presented by previous investigation.The model was also applied to simulate a multi-component,four-phase flow system in order to examine the transient flow characteristics in pipeline. The location and potential location of hydrate formation in the pipeline were studied by analyzing the flow characteristics.As a result,it was found that a pipeline system flowing gas,oil water and hydrate could be optimized by systematically investigating the hydrodynamic variables for preventing hydrate formation.

Four-phase flow;Pipeline model;Phase behavior;Gas-condensate;Hydrate

TE 832

A

1671-0460（2017）04-0677-04

2016-06-17

高赫岑（1991-），男，辽宁人，在读硕士研究生，现就读于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，主要从事油气管道输送技术研究。Email：1605273216@qq.com。