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气液混输管线与立管系统严重段塞流特性研究

高嵩  
【摘要】:在海洋油气资源开采工程中,通常采用气液混输组合管线系统对油气资源进行输送,管线系统由铺设于海底的卧底管和连接于海洋平台的立管所组成。这种形式的组合管线系统容易引发严重段塞流现象,这是一种管道内液塞长度达到一倍甚至数倍立管高度的特殊有害流型,不仅会干扰正常的油气开采作业,而且还会大幅地减小海底油气田的产量。随着海洋油气开采不断走向深海,气液混输组合管线系统严重段塞流已成为深海油气工程中的热点问题之一,因此对该种流型的深层次流动机理及其流动参数特性进行研究,具有重要的学术意义和工程实用价值。 在全面地回顾和总结了关于该主题的国内外研究现状之基础上,本论文选取深海油气开采工程中最为典型的卧底管线与垂直立管系统和新兴的卧底管线与钢悬链线立管系统为研究对象,采用理论、数值与模型实验相结合的方法,对两类气液混输管线与立管系统严重段塞流的形成机理、气液流态变化特征及其流动参数变化规律等进行了深入系统的研究,具体研究内容如下。 1)采用Brackbill模型求解气液相间表面张力,结合VOF方法追踪气液两相运动界面,根据长液塞形成和生长过程一致性的原则,发展了一种将三维严重段塞流等效为二维流动的计算流体力学(CFD)数值模拟方法。以下倾管-垂直立管系统为对象,结合文献中的实验工况和结果,对该种组合管线系统的严重段塞流气液流动过程进行了系列数值模拟,获得了严重段塞流气液流动细节及周期、压力波动和喷发时间等参数变化特性,数值模拟与文献所述实验结果吻合。在此基础上,深入揭示了严重段塞流的形成机理,并对实验中难以直接获得的卧底管线含气率、立管含气率、液塞速度、立管出口气液混合速度及其流量等流动参数变化特性进行了深入研究与分析。 2)采用二维等效CFD数值模拟方法,系统地分析了气液物性参数以及管道几何变形对严重段塞流形成机理及其流动参数特性的影响。根据海底油气混合物特点,分别选取原油、煤油和水作为液体介质,天然气和空气作为气体介质,结果表明液体粘性、表面张力和密度等物性参数对严重段塞流的形成机理、气液流动特征及其流动参数变化特性等均有明显的影响,而气体物性参数的影响较小。此外,根据实际海底管线的铺设方式,设计了四类变形卧底管线系统,结果表明卧底管线的凸起对严重段塞流形成机理、气液流动特征及其流动参数变化特性等也均有明显的影响。 3)针对卧底管线与垂直立管系统严重段塞流问题,建立了一维瞬态分相理论预测模型,该理论模型根据严重段塞流气液流动特性实时求解各流动参数,计算过程中始终考虑气液的分相流动过程,通过对气液流态的实时判别,选取相应的计算模型,并且通过该模型可直接判定管道系统内能否发生严重段塞流以及严重段塞流的类型。同时,通过理论模型的求解,还可以得到严重段塞流的压力、周期、喷发时间、立管与卧底管线含气率、液塞速度、立管出口速度、气弹上升速度、立管和卧底管线液塞长度、立管入口气液折算速度等严重段塞特性参数,各流动参数的模拟结果与二维等效CFD数值结果吻合良好。 4)采用水平/下倾与悬链线立管气液混输组合管道系统,通过系列实验在悬链线立管中获得了严重段塞流、间歇流和振荡流等流型。特别地,实验中首次发现了该种管型系统中的水动力严重段塞流现象。阐述了这些流动现象的形成机理,建立了严重段塞流的判定准则。结果表明,悬链线立管严重段塞流具有明显周期性,在一个周期内的流动特征可分为液塞形成、液体出流、液气喷发及液体回流等4个阶段,进而给出了各阶段中相关流动参数的变化规律。在实验中同时还对悬链线与垂直立管中严重段塞流形成机理进行了比较分析,发现两者在液塞形成阶段有显著差别。其中,在悬链线立管中液塞形成之前首先需要经历一个气液混合液塞形成过程,而垂直立管则没有这个过程。 5)基于悬链线立管系统严重段塞流的判定准则,建立了针对该类管型系统严重段塞流的二维等效CFD数值模拟方法,并发展了一种以集气箱代替卧底管线气体压缩空间的优化方案,旨在减少网格数量,缩减计算时间。结合本论文的系列实验工况和结果,对气弹长度变化过程、气弹相互追逐情况、尾随气泡数量、气弹位置以及立管内流态变化等气液流动规律进行了系列数值模拟与分析,对实验中难以直接得到的立管与卧底管线含气率、液塞速度和出口截面含气率及其流量等重要的严重段塞流特性参数变化规律及其变化原因进行了研究。 本论文发展的二维等效CFD数值模拟方法,可大幅地缩减严重段塞流数值模拟所需时间和计算机资源,而所建立的瞬态分相理论模型则是一种简单高效的快速预测方法,这两类方法为深海油气开采工程中严重段塞流特性的研究提供了一种新的手段。此外,本论文还首次针对卧底管线与悬链线立管系统的严重段塞流特性开展了系列实验,并进行了二维等效CFD数值研究,获得了一些有重要理论和实际意义的研究成果。


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