起伏管路气液两相弹状流液弹特性实验*

张炳东， 曹志旭， 刘彦丰， 张 超

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 河北 保定 071003； 2. 国网甘肃省电力公司 刘家峡水电厂， 甘肃 永靖 731000)

石油天然气混合输运技术区别于传统的分管输运，可减少工程设计的复杂程度、工程周期及投资成本；同时油气混合输运对工质纯度的要求较低，使得一些开采价值低、地层构造复杂及地处偏远的油田得到了经济有效的开发[1]，油气混输模式在石油化工行业中得到了越来越广泛的应用[2].管路在铺设过程中无法确保全程水平过渡，不可避免地会由于地形变化而引发管段起伏[3].起伏管段内存在多种流型，最为常见的是液弹与长气泡交替流动的弹状流[4].当液弹频率与特征频率接近时，管路系统会发生共振现象[5]，严重时会对整个管路系统的稳定运转造成影响，从而破环上下游管路及相关设备.李珊珊[6]对起伏振动状态下倾斜管路内的气液两相流进行了探究.通过改变振幅、振动频率及管路倾角的方式对不同工况下的流型进行研究，总结出了振动状态下倾斜管内特有的珠状流和起伏弹状流特性.吴志成等[7]针对水平管和倾斜管内两相段塞流进行实验研究，总结了流速、管道倾角对流型的影响.韩洪升等[8]对不同倾角下的管内流型转变进行实验研究，分析实验数据并获得流型图，总结了倾斜角度对流型的影响.Yang等[9]对起伏管路两相流的流动参数进行计算，详细分析管道内的两相分布、弯管周围的速度和压力、不同截面的液体流量和持液量及液体流出量.总体而言，研究者们对起伏管路的倾角、流型及流动参数进行大量研究，但对液弹长度和液弹频率等影响设备安全经济运行的因素及变化规律的研究尚且较少.本文通过建立起伏管路气液两相流动起伏管路实验台，采集与分析相关数据，总结了弹状流在起伏管路内随各管路倾角及折算速度变化的相关规律，为优化工程实际中起伏管路的布置方式提供理论支撑.

1 起伏管路实验数学模型与系统

1.1 液弹数学模型

气液两相流弹状流在管路中流动时，其液弹频率均受折算速度、气液两相流混合平均速度等直接影响，具体表达式为

f=0.075Fr

(1)

(2)

式中：λ为波长；Fr为弗汝德数；VSL为折算液相速度；Vm为气液两相混合物平均速度；D为管路直径；g为重力加速度.

液弹速度Vs是多相混合物流动管道中的一个重要参数，也是建立流型图的一个重要参数.在管径、流率和流体物性较宽的范围内，液弹运动速度Vt(Tayloy气泡平移速度)和气液两相混合速度成线性关系，即

Vt=c0Vs+V0

(3)

式中：Vs=VSG+VSL，VSG和VSL分别为气相与液相的折算速度；c0和V0为经验常数，c0取值范围为1.20～1.52，V0取值为0.

1.2 起伏管路物理模型

起伏上升管内气液两相弹状流参数测量实验装置如图1所示(单位：mm).由内径为40 mm、长为10 000 mm的透明有机玻璃管构成.根据实验需要，在倾斜上升管中点位置加装电导探针，分别调节实验段管路倾角为θ=0°、θ=2°和θ=5°，测量不同倾角下气弹与液弹交替通过探针时电信号的变化.

图1 起伏管路实验装置

本文中所用的电导探针为DDS-11A型，其输出信号为电压信号，分辨率为0.01，测量精度为±2.5%[10-11]，工作原理为：输出信号经转化后传送到动态采集卡，根据气相与液相导电性的差异来标定相态，进而通过所测数据体现弹状流流动特性[12].

1.3 实验系统组成

气液两相实验循环回路、实验设备如图2、3所示.该实验循环回路主要由3部分管段构成，分别起到供气、供水及模拟流动的作用.供气管段由空气压缩机、旁路、调节阀、压力计、温度计、气体流量计及止回阀组成；供水管段由水箱、泵、旁路、调节阀、压力计、温度计及液体流量计组成；实验管段由混合器、发展段、起伏管段及分离器组成.混合器将前两部分管段输送过来的气相与液相流体进行混合，得到实验所需的气液两相流.

1.空气压缩机 2.压缩空气容器 3.涡街流量计 4.水箱 5.过滤器 6.泵 7.水流量计 8.混合器 9.测试模块 10.旋风分离器

图3 两相流实验系统

在气相与液相混合前，需分别对其状态参数进行测量.气相与液相流量采用型号为MIK-LUGB-DN20-P、量程为0～12 m3/h的涡街流量计进行测量，其输出的电信号经过电流信号—电压信号—数字信号的转换后，由计算机通过采集卡直接进行采集；温度与压力分别由温度计和压力计测量获得.

实验在室温条件下进行，温度范围为20～25 ℃，压力范围为0.01～0.5 MPa.设置折算气速为1.95 m/s，在不同管路倾角下，调整折算液速在0.2～0.8 m/s间变化，探究折算液速对液弹频率的影响；设置折算液速分别为0.189、0.345和0.793 m/s，调整折算气速在1.0～6.0 m/s间变化，探究折算气速对液弹频率的影响；分别设置折算气速、折算液速为2 m/s，探究折算液速、折算气速对液弹长度的影响.实验中采用的采样频率为1 000 Hz，采样时间为10 s.

2 起伏管路内弹状流实验结果与特性

起伏管路内气液两相弹状流是由两相工质分层流动液膜的不稳定波生成的[13]，属于管路的入口效应，其与管路入口气液流量、液位波动和气液混合物的结构形式等因素有关；液弹频率与液弹长度是近似描述液弹间歇性周期特性的重要参数，是开展两相弹状流特性研究不可或缺的数据[14-15].

2.1 液弹频率

当一个液弹通过电导探针，会在电导探针的电信号曲线上产生一个突变峰值.可以通过分析电导探针输出的电信号曲线来获知管路内气液两相工质弹状流的液弹频率特性[16].

图4给出了固定折算气速Vg=1.95 m/s时，液弹频率与起伏管路上升管倾角之间的变化曲线.管路倾角分别为θ=0°、θ=2°、θ=5°时，液弹频率随折算液速增大而增大，不同倾角上升管路中液弹频率的变化趋势一致.结合入口效应理论可知，液弹频率与管路倾角无关联.

图4 不同倾角管路中液弹频率随折算液速的变化

图5给出了在折算液速分别为0.189、0.345和0.793 m/s时，液弹频率与折算气速之间的关系.不同折算液速下，液弹频率曲线均表现出先小幅减小到某一最低值后，转而大幅增大的趋势，且认为这个最小值存在于气液两相总体积流速4 m/s处附近.而从本文所得实验数据来看，这个值约为4.2 m/s.

图6给出了折算气速Vg=1.659 m/s时，液弹频率与折算液速之间的关系.由图6可知，液弹频率随折算液速的增大而增大，近似成正相关关系.

图6 固定折算气速下液弹频率随折算液速的变化

2.2 液弹长度

由于液弹的间歇性与不稳定性，不存在一个能够准确描述某一时间和工况下管路内液弹长度的值，故本文取平均液弹长度来描述，其值Ls由液弹在探针中的经过时间τs与液弹运动速度Vt决定[17-19]，即

Ls=Vtτs

(4)

图7给出了固定折算气速Vg=2.0 m/s时，不同倾角管路中液弹长度随折算液速的变化情况.由图7可知，不同倾角管路中的液弹长度均随折算液速的增大而增大，且变化趋势一致.

图7 不同倾角管路中液弹长度随折算液速的变化

图8给出了固定折算液速Vl=1.20 m/s时，不同倾角管路中液弹长度随折算气速的变化情况.由图8可知，不同倾角管路中的液弹长度均随折算气速的增大而减小，且变化趋势一致.

图8 不同倾角管路中液弹长度随折算气速的变化

3 结 论

通过建立实验台及应用电导探针等测量手段，分别对倾角为θ=0°、θ=2°和θ=5°的起伏管路气液两相流动中弹状流的特性参数和影响因素进行实验探究，得出结论如下：

1) 在不同管路倾角下的实验结果表明，液弹频率与管路倾角基本无关，其主要影响因素为管路入口的气液流量、气液混合物的结构形式以及液位的波动等入口效应.

2) 调整气液两相流在管路中的流动速度，随着折算气速的增大，液弹频率先减小到某一最小值，而后增大；随着折算液速的不断增大，液弹频率则始终呈现增大的趋势.

3) 当折算气速保持不变时，随着折算液速的逐渐增大，液弹的平均长度逐渐增大.当折算液速保持不变时，随着折算气速的逐渐增大，液弹的平均长度逐渐减小.

4) 在起伏管路气液两相弹状流特性的研究中，利用电导探针探究液弹特性与管路倾角和折算速度的关系，是对液弹特性与管路压降、两相混合速度等之间关系研究的有益补充.可为保障长距离能源化工混合输运管路的安全经济运行，提供更多值得参考的经验和理论支撑.