低含液输气管道内积液特性研究现状及展望

花 靖，蒋 秀，于 超，傅建斌，靳彦欣，逄铭玉

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

0 前言

湿气集输工艺因具有集气站和管网设施相对简单、维护费用低等优点，被广泛地应用在气田集输系统。在输送过程中，随着沿程温度、压力逐渐降低，饱和水蒸气会冷凝析出沉降在管道底部，形成气液两相流。此时，管线低洼处形成积液以及积液引发的腐蚀是亟待解决的问题。具体来说，积液的产生会引发内腐蚀、输送效率降低、压力扰动，导致设备损坏等一系列问题。因此，研究管内积液的形成和分布规律，进而制定相应的积液消除措施，对气田集输系统的安全高效运行具有重大意义。

1 积液形成机理

管道的湿气输送过程是典型的低持液率气液两相流工况。在这种工况条件下，气相、液相表观流速较小，由Taitel & Dukler流型转变图版可知(如图1所示)，流型是层流或层状-波浪流，气、液相表观流速在图版中的位置由灰色方框标注。流动过程中，液相受到液壁剪切应力(

τ

)、气液间剪切应力(

τ

)以及重力(

G

)的综合作用，流体受力分析示意如图2所示。其中，液壁剪切应力和重力阻碍液相向上运移，气液间剪切应力促进液相向上运移。因此，当气液间剪切应力大于液壁剪切应力和重力分量之和时，液相向上运移；反之，液相向下运移，在管线低洼处积聚形成积液。气液间剪切应力和液壁剪切应力计算公式分别见式(1)、式(2)。

图1 Taitel & Dukler流型转变图版及典型工况在图版中的位置示意

图2 输气管道中分层流流体受力分析示意

(1)

(2)

式中：

f

——气液相间剪切摩擦系数；

f

——液壁间剪切摩擦系数；

u

——气相流速，m/s；

u

——液相流速，m/s；

τ

——气液相间剪切应力，N/m；

τ

——液壁间剪切应力，N/m；

ρ

——气相密度，kg/m；

ρ

——液相密度，kg/m。

2 积液形成影响因素

积液的形成主要受流体性质、输送条件以及管道结构影响。其中，流体性质包括入口气液相流量、气相组分构成；输送条件包括管内温度、压力、环境温度等；管道结构包括管道内径、管道倾角。

2.1 影响因素分析

a) 流体性质。刘甜甜通过研究发现，入口气量对管内积液量的影响较大，随着入口气量的增大，管内积液量逐渐减小；而入口液量对管内积液量的影响较小，随着入口液量的增加，管内积液量呈现总量增大但增幅逐渐减小的规律。此外，存在气液比临界值，当实际气液比小于临界值时，管内饱和积液量随着气液比增大而减小;相反，当实际气液比高于临界值时，管内饱和积液量保持恒定。

气相组分中重组分类型及所占比例对持液率也具有一定的影响，王国栋等采用基于OLGA瞬态模拟的方法研究了4种不同组分的气体(C7+摩尔比例分别为1%，3%，5%，7%)对持液率的影响，得出C7+摩尔比例越高，持液率越大的结论。

b) 输送条件。输送压力、输送温度影响气相流速和密度，间接影响气相的携液能力。陈星杙研究发现：输送压力与积液量呈现正相关关系，输送温度与积液量呈现负相关关系，且输送压力的影响程度高于输送温度。此外，环境温度影响气相的冷凝析出过程，析出量的多少与气相组成有关，若气相组成中重组分占比较小，则管内积液量受到环境温度的影响也较小。

c) 管道结构。管道倾角和管径对积液量影响较大。上倾管中，输送气量一定时，管道内径越小，表观气相流速越大，气液相间剪切应力越大，从而管内积液量越少，下倾管则呈现相反的规律。上倾管的倾角越大，要克服的液相重力分量越大，从而积液量越多，下倾管的倾角越大，液相越容易向下运移，从而积液量越少。因此，管道倾角对积液量的影响呈现上倾管>水平管>下倾管的规律。

2.2 影响因素总结

综合上述，分别绘制上倾管和下倾管各因素Spearman相关系数，如图3所示。由图3可知，管道倾角对持液率影响最大，其次是管径、气液比、压力、温度。

图3 上倾管和下倾管各因素Spearman相关系数

3 积液研究方法

国内外专家学者主要采用室内实验、软件模拟、检测技术等方法对低含液输气管内积液特性进行了研究，各种方法的研究情况如下。

3.1 室内实验研究

国外关于低持液率下两相流积液和压降的室内实验研究起步较早，理论体系比较成熟。主要分为两种类型：一种是通过对实验数据进行拟合得到的经验模型；一种是基于观察到的实验现象建立的机理模型。

3.1.1

经验模型

经验模型的发展经历着从水平管段扩大到任意倾角管段、不区分流型到每个流型对应一个关系式、经验关系式到半经验关系式的过程，各相关式的研究情况如表1所示。

表1 低持液率气液两相流实验情况(经验模型)

在水平管持液率预测方面，喻西崇以实际数据对比了Eaton、Dukler II、Beggs-Brill、Mukherjee-Brill 4种相关式的预测精度，结果显示：Eaton的计算精度最好，Dukler II次之。Majeed采用Minami-Brill(水平管、管径77.93 mm、111个检测点、持液率范围为0.009～0.45)的实验数据对比发现：G.H.Abdul-Majeed、Minami-Brill I、Minami-Brill II相关式的预测精度较高。在倾斜管持液率预测方面，由于单一相关式的使用范围具有一定的局限性，为了达到更精确的预测效果，逐渐发展形成一些组合模型，比如：BBE(Beggs & Brill+Eaton)组合、BBX(Beggs & Brill+Xiao-Brill)组合、BBD(Beggs & Brill+Dukler II)组合、MBX(Mukherjee-Brill+Xiao-Brill)组合等。计算过程为先用一种相关式计算水平持液率，再用另外一种相关式修正得到相应倾角下的计算值(如BBE、BBD)或者上倾管段和下倾管段分别用相应的相关式计算(如BBX、MBX)。喻西崇通过现场数据计算发现，MBX(-8.26%)、BBE(5.8%)的预测精度要好于其它组合。

3.1.2

机理模型

从20世纪开始，国外专家学者对低持液率下两相流的机理模型做出了大量的研究，具体的实验条件和结果如表2所示。

表2 低持液率气液两相流实验情况(机理模型)

在众多的研究成果中，比较典型的几种界面形状见图4。Taitel & Dukler假设气液界面是平板状，提出了FLAT模型，界面形状见图4(a)。随着研究的深入，研究者发现随着气相流速的逐渐增大，气液界面不再保持水平，而呈现出其它形状：薄膜状(ARS模型)、弯曲状(MARS模型)、双圆环状(Double Circle模型)、Banafi状(Banafi模型)，分别见图4(b)～4(e)。

图4 五种不同界面形状的分层流流型示意

除了界面形状的刻画不同之外，各机理模型的不同点还在于摩擦系数闭合关系式的选用。FLAT模型采用雷诺数计算

f

和

f

，且假设

f

与

f

相等；ARS和MARS模型采用Eck公式计算

f

和

f

；Double Circle模型的

f

与FLAT相同，而对于

f

的计算，则考虑了分层波浪流气液界面的弯曲特性，给出了新的计算公式。

Badie等分别以气-水和气-油为实验介质，在直径为0.079 m的水平管中进行了实验，油气水三相表观速度范围分别为0～0.026，15～25，0.001～0.046 m/s。用所得的实验数据对比了ARS模型和Double Circle模型的预测精度。结果显示ARS模型对持液率的预测效果整体更好，介质为气-水、高气相流速时两种模型的压降预测效果均较好，但是气-水两相流低气相流速实验条件和气-油两相流的压降预测效果都不佳。

Banafi等以气-水为实验介质，在长7 m内径0.033 m的水平塑料管中研究了持液率在0.01～0.08范围内压降的变化规律，并将实验结果与8种模型(见图5)的预测结果进行对比。研究发现：Taitel & Dukler、Zhang的模型整体预测效果较好，平均相对误差分别为25.24%、33.74%，这与用Badie的实验数据计算的结果相一致(平均相对误差分别为30.65%、24.65%)，而Baker、Double Circle的模型预测效果较差(平均相对误差分别为253.2%、88.85%)。作者分析了Zhang的模型预测效果较好的原因是模型中考虑了气体中的液相携带现象，同时认为Taitel & Dukler模型在0～0.02持液率范围内预测效果不显著的原因是气液比较大，两相界面开始弯曲不再保持水平，模型的适用性开始变差。

图5 8种模型在不同持液率范围的平均相对误差

综上所述，现有经验模型和机理模型参数预测精度还比较低，尚有提升的空间，且不同工况下的预测精度有所差异，主要源于：①实验数据较少。实验主要在常压、小管径水平管道(近水平管道)工况进行，而多起伏、大管径、高压、低含液工况下气液两相流的实验研究较少，使得建立经验模型所需拟合的数据不足，实验现象描述不够准确，最终导致2种模型在该工况下的适应性较差；②实验条件不同。气液两相流的流动是个复杂的过程，受到流体流速、实验介质、管道倾角、温度、压力等参数的综合影响，从而特定实验条件下建立的机理模型的预测范围受限；③实验研究不够深入。由于管内两相流的复杂性，气液两相界面的形状、尺寸、摩擦系数、液滴携带还没有充分的理解或者精确的数学表达，通常为了建立机理模型方便，对实验现象做出了简化，导致预测精度有所不足。

3.2 软件模拟

数值模拟软件由于具有操作性强、成本低、可模拟工况广泛等优点，被大量地运用在输气管道积液特性研究领域。按照参数是否随时间变化软件可以划分成稳态模拟软件和瞬态模拟软件。稳态模拟软件主要有PEPITE、PIPEPHASE、TWOPHASE，瞬态模拟软件主要有OLGA、FLUENT、LedaFlow。

在稳态模拟软件方面，PEPIE软件采用双流体模型，考虑了流型、相组成、壁面热交换等因素的影响，可以模拟水平管和近水平管中分层流、弹状流等流型的持液率、压降、温度变化规律。PIPEPHASE软件包含单相流体、多相流体、组分等多种流体模型，拥有庞大的物性数据库和热力学计算方法，可以研究不同的工况下压降、持液率、温度的沿程变化规律。TWOPHASE软件对压降的预测准确性高，但持液率的预测精度不稳定，受气体流速和管道倾角的影响较大。

在瞬态模拟软件方面，OLGA软件采用双流体模型为基础，考虑气相、液滴、液膜3相，对压降的预测效果较好，但对持液率和温度的预测较差。FLUENT软件在管内流体流动特性方面具有较为理想的模拟效果，在管内流型模拟及形态观察方面有较大的优势。LedaFlow软件内嵌复杂网络求解器和包含耦合不同维数模型的算法，气相流量较高时，压降与现场数据相差10%，持液率预测效果较好，但气相流量较低时，预测的压降严重高于现场数据，预测的持液率也偏高。

虽然多相流模拟器性能在不断优化，计算精度也在不断提升，但依然存在几点不足之处：①大部分经验关系式没有基于流体运动学理论建立；②对水相及引发的问题处理不恰当，比如持液率增加、水合物形成、内壁腐蚀等；③超大管径和高压工况下的预测水平较低；④可视化水平还有待提升。

3.3 检测技术

超声波检测、红外检测、快关阀门法等检测技术在气液两相流流型识别和截面含液率测量两方面运用较多，具体包括管内流型的形态及演化观察、液面高度的检测和界面形状的刻画等。

未小会依据超声波反射原理，开发了超声波检测系统，对管道内部积液高度进行了测量，实现了测量误差小于3%。杨涛利用开发的管道积液红外检测系统分别开展了动态和静态条件下积液高度检测，检测误差小于10%。李玉浩基于固-液和固-气2种界面回波特性的差异，给出了层流、段塞流和环状流3种流型的识别方法，检测系统层流液位高度的测量精度在3 mm以内。管孝瑞利用相似准则建立水平管中液膜厚度测量系统，通过内置螺旋测微器测量两相流过程中各向液膜厚度。研究表明：6点钟方向液膜最厚，两端最薄；同一表观气速下，随着表观液速的增加，液膜最厚值呈现先减小后增大的规律；同一表观液速下，随着表观气速的增加，气液间剪切力增大，液相被携带的越多，从而液膜最厚值逐渐减小。

研究发现，现有检测技术尚有一些不足之处：①检测精度有限，准确性因人而异。为了保证输气过程中的安全，管线结构要求保证完整，从而必须选用超声波、红外等非介入式检测技术，但这些技术的检测精度容易受到管壁的影响。同时，上述检测技术对检测人员的经验和水平要求高，检测精度相当程度上取决于检测人员的经验和水平；②气液两相流流型识别不够精准，对于层流来说，现有技术默认界面形状为平板状，而不能够检测区分其它界面形状的层流流型，从而导致截面含液率的计算误差较大。

4 结论

低含液输气管道中，气液两相流流型主要是层流。管道倾角、管径、气液比是积液形成的主要因素。目前，室内实验、软件模拟、检测技术是低含液输气管道内部积液特性研究的主要手段。通过研究发现，未来的技术可以从以下3点开展。

a) 多起伏、大倾角、大管径、高压工况下的实验研究有待开展，同时实验现象(流型形成和演化、界面形状等)的认知及数学表达仍需发展，将两者相结合，建立的理论预测模型才会具有更加精确的预测效果。

b) 多相流模拟器的计算精度需要提高，适应性需要拓展，此外，计算结果的可视化水平也需要进一步提升。

c) 高精度、易操作非介入式检测技术尚有较大发展空间。这对检测技术和设备提出了很高的要求，下一步重点研究如何拓宽检测维度、加强有效检测信息的提取和最小化测量人员检测失误概率。

值得一提的是，输气管内气液两相的流动是个非常复杂的过程，采用单一手段研究持液率的分布精确度可能受限。因而，综合运用3种研究方法，发挥各自的优势，取长补短，可以达到更好的预测效果。