海底管道多相混输技术研究现状与发展
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参
1, 2, 3, 麻 新 闵 面工程 , 2007, 26( 5) 。 宋承毅 : 多相混输管道水合物 预测与控 制动态试 验研究 , 工 程 热物理学报 , 2007, 28( S 1) 。 韩方勇 周晓红 邱 周 叶 晶等 : 多起伏地 形下油气 混输管道 的水力特 性 , 兵 : 海底多相流混输管道压降计算主要影响因素 油气储运 , 2007, 26( 11) 。 4, 5, 6, 分析 , 中国海上油气 , 2007, 12( 1) 。 昆 : 渤西油田群混输海管 中段塞的 控制方法 研究 , 内蒙 古 宫 敬 : 海底混输管 线严重段 塞流动的 预测与控 制 , 石油化工 , 2007, 33( 2) 。 徐孝轩 宫 敬 海洋工程 , 2005, 23( 4) 。 7, 8, 徐 孝 轩 : 油气 混 输管 道 中 的波 动 现 象 , 油 气 储 运 , 2006, 25( 12) 。 白云香 : 水平管两相流流型研究 ( 硕士论文 ) , 中国石油大学 ( 华 东 ) , 2006。 9, 10, M andhane J M , G regory G A et al: A f low patt ern m ap for gas liquid fl ow in horizont al pipes , M ult iphase f low , 1974. H ew it t G F: T hree phase gas li qu id f low pat t erns holdu ps an d pressur e drop, Proceedings of ISM F, Bei jing, Int A cademic Pres s, 1997. 11, R ezkallah K S , Zhao L: A fl ow pat tern map f or tw ophase liquid -gas f low u nder R educed G ravit y condit ions, A dvances in Space R es earch, 1995, 16( 0Z) . 12, 13, 李玉星 : 多相混输管道温降的计算 , 油气储运 , 2001, 20( 9) 。 喻西崇 任彦兵等 : 海底混输立管段瞬态流动规律及其敏感性 分析 , 中国海上油气 , 2007, 19( 1) 。 14, Carpent er P S, Ni cholas E D et al: M et hod gives realis ti c an aly sis of leak -det ect ion syst ems, O il & G as J ou rnal , 2005, 103( 11) . ( 收稿日期 : 2009 -03 -10)
5, 6
。
二、 海底管道多相混输的 相关研究
1、 流型与流型识别 多相流的流型直接影响其流动的压降规律和温 降规律 , 在不同倾斜程度的管道 ( 从水 平管到垂直 管 ) 中流型差异很大, 且影响因素多。对于流型的识 别 , 比较经典的方法是使用流型图 , 在现场应用中, 通常需要对流型图进行修正。常用的流型图有贝克 流型图、 曼德汉流型图、 SCOT T 流型图等 ; 工程研 究中多利用经验数据回归 , 找到不同流型的转换标 准 , 进而确定不同参数条件下的流型图。
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储ຫໍສະໝຸດ Baidu
运
2009 年
三、 多相混输技术研究的发展方向
随着国际石油公司之间的市场竞争越 来越激 烈, 海洋油田、 沙漠油田以及已建油田的外围边远区 块已成为今后石油勘探开发的重点地区, 多相混输 技术仍将被视为降低这类油田油气生产成本极具吸 引力的一项技术。可以预见, 多相混输技术的应用 前景广阔 , 相关技术的研究也仍将持续下去。 ( 1) 在经济效益最大化原则下 , 多相混输系统应 包含若干单项技术 , 其中最核心的技术是多相混输 管道的压降计算和多相增压设备的研发。多相混输 工艺技术通常应用在海洋、 沙漠等自然条件相对恶 劣的油田 , 生产管理难度大, 需要采用无人值守的操 作管理方式, 因而要求混输泵能够长期无故障运行。 目前 , 欧美发达国家研发的多相增压设备虽然已经 达到相当高的水平 , 但仍无法满足寿命长和故障率 低的实际生产需求; 我国尚无多相混输泵等设备, 应 通过引进、 消化和自主研发, 制造出与国际先进水平 接近的国产化多相混输泵系列产品 , 以取代昂贵的 进口产品。 ( 2) 温降规律 是研究多相流流 动规律的基础。 由于海底混输管道所处的散热环境比较复杂, 因此 管输介质的温度值很难确定, 现场技术人员往往忽 视温度值的获取或单凭经验判断温度值。到目前为 止, 尚无系统研究海底混输管道稳态抑或瞬态温降 规律的报道。要获得准确的热物性参数, 就需要准 确的温度值和传热规律, 为此 , 开展海底混输管道介 质温降规律研究十分必要。特别是建立较准确的物 理模型, 以期利用数值方法求得数值解 , 是一个重要 的研究方向。 ( 3) 多相混输管道的压降计算属于国际性难题 , 特别是油气水三相流动和长距离起伏管道的多相流 动, 预测其管流压降尤其困难。尽管国内外已经推 出若干种计算方法 , 并有几个商品化计算软件应用 于工程实际, 但这些软件大都只在一定条件下适用 , 不具有普遍适用性。 ( 4) 在海底混输管道的工程实际中 , 经常会遇到 类似段塞流、 水合物 6, 14 等技术难题, 且迄今没有较 好的解决办法。应继续以扎实的理论研究为基础 , 深入剖析海底混输管道的工艺特性和输送介质的流 动特点, 力争取得实质性突破。 ( 5) 与单相流动相比 , 气液多相流的流动特性要 复杂得多, 至今还不能从根本上对其准确预测。陆
合 , 形成腐蚀性物质 , 极易造成管道穿孔、 强度降低
一、 海底管道多相混输的 技术特点
随着油气田勘探开发向海洋、 沙漠、 极地等自然 环境恶劣地区的发展, 多相流技术得到越来越广泛 的应用, 多相混输技术成为油气储运领域的研究热 点。由于所处环境特殊, 海底管道多相混输技术具 有明显区别于陆地管道的特征。 ( 1) 海底管道特殊的压力和温度环境, 滋生出一 系列问题 , 包括形成天 然气水合物 , 管壁结蜡 严重 等。这些问题势必影响管道输送介质的正常流动。 目前 , 已有专家学者从热力学和动力学角度开展了 水合物防治技术研究 , 包括改变水合物分压、 制备水 合物抑制剂等。解决管壁结蜡问题的相关研究 , 则 主要集中在清管技术方面
。
( 2) 海底地形的变化和输送工艺的需求使海底 管道存在一定起伏。在起伏地形下 , 油气混输管道 中油气间的滑脱损失大, 水力特性比较特殊。同时 , 水力特性与流型密切相关, 而上坡段与下坡段的流 型变化非常多, 上坡段积累的静压能由于气液分离 在下坡段不能得到有效恢复, 使水力特性变得愈加 复杂 3 。 ( 3) 在混 输管 道中 , 气 相中 的酸 性气 体 CO 2 、 H 2 S、 H 2 O 以及液态油中的硫、 沙子、 游离水相互结
地油田中已建的短距离多相混输管道, 已经使设计 者获得了丰富的多相混输管道的实践经验 , 凭借这 些经验可以设计出较符合生产实际的短距离混输管 道。但是, 多相混输技术领域面临的真正挑战来自 于长距离输送, 因为多相管流特性难以准确预测等 若干复杂的技 术问题与高昂的投资风 险交织在一 起 , 且没有经验可循。 多相混输技术在 我国具有广阔的市场应用前 景 , 制约多相混输技术应用的主要因素体现在技术 本身的不完善和适用程度。我国石油工业迫切需要 一整套完善的、 适用性强的长距离多相混输技术 , 以 提高海洋油田、 滩海油田、 沙漠油田和边远外围油田 开发的经济效益, 从而为石油工业实施低成本战略 提供技术支持。
* 国家自然科学基金项目 ( 50479043) 。 * * 434023, 湖北省荆州市南环路 1 号 ; 电话 : 13476968393。
第 28 卷第 7 期
史宝成等 : 海底管道多相混输技术研究现状与发展
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试验是一种直接而有效的流型识别手段, 包括 观察法、 压力测量法、 射线衰减法、 接触探头法、 压差 波动法 7~ 9 。观察法是用肉眼或高速摄影机观察识 别流型。在低流速情况下 , 可以直接用肉眼观察; 在 高流速情况下, 可以借助高速摄影机进行分析识别。 由于该方法观察到的视野范围小 , 识别结果不很精 确, 因此带有一定的盲目性和主观性。当流型发生 变化时, 压力梯度曲线的坡度降也随之发生变化, 压 力测量法是根据不同流型下坡度降的变化, 识别流 型。由于与坡度降变化相关联的流型仍然由观察法 获得 , 因此识别结果不够精确 , 带有许多人为因素。 射线衰减法是通过分析 X 射线或 射线沿截面信 号的衰减规律, 根据不同流型所对应的概率密度函 数的特点识别流型。由于该方法经济性很差, 且需 要特殊安装和运行才能确保操作人员的人身安全 , 因此其应用受到很大局限。接触探头法是根据不同 介质的物性差异 , 例如导电率或对管子折射率的不 同来分析管内各相的分布规律, 识别流型。由于该 方法要求的工作环境条件苛刻 , 因此难以应用于工 程实际。压差波动法是利用试验段在不同流型下压 力降的脉动特性来确定流型。 针对海底混输管道, 应结合现场实际, 选择合适 的方法, 确定流型变化规律。 2、 压降规律 海底管道多相流的流动压降包括 3 部分, 即管 道高程差、 摩阻损失和相间滑脱损失。采用双流体 模型和均相流模型可以得到相对满意的压降计算结 果, 但对于冲击流等复杂流型 , 该问题尚未得到很好 的解决。目前, 用于油气混输管道的压降模型很多 , 研究表明 , Dubler 和 Beg gs - brill 模型的计算结果相 对较好 10, 11 。 周晓红 研究了混输压降的影响因素 , 以黑油 模型和 PIPEF L OW 计算软件为基 础, 分析了 压降 模型、 管道启输温度、 气体流量对混输压降计算结果 的影响, 指出不同 压降模型的计算 结果差别很大。 较高的启输温度可以降低高粘原油管道中的介质粘 度, 但同时会增加海洋平台的热力消耗和设施的建 设维护费用, 因此, 原油的起始温度应设计适当 ; 低 粘原油管道应在满足末端温度的条件下尽可能降低 启输温度 , 因为温度越高 , 气体所占体积越大, 流速 增大导致的压降损失越大。原油中溶入一定量的气 体, 有降粘减阻的作用 , 但是, 无论高粘原油管道还 是低粘原油管道 , 都存在某一最佳气液比, 此时压降 损失最小 , 即最小压降气液比。
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油
气
储
运
2009 年
海底管道多相混输技术研究 现状与发展*
史 宝 成* * 付在国
( 长江大学石油工程学院 )
史宝成 付在国 : 海底管道多相混输技术研究现状与发展, 油气储运, 2009, 28( 7) 8~ 10。 摘 要 介绍了海底管道多相混输的技术特点, 从流型识别、 压降规律 、 温降规律和模拟计算 等方面论述了海底多相混输管道相关技术的研究现状 。探讨了海底管道多相混输技术的研究发展 方向 , 包括多相增压设备的研发、 压降规律和温降规律的模拟计算、 段塞流和水合物等技术难题的 解决以及长距离多相混输技术的攻关。 主题词 海底管道 多相流 混输 技术 研究 发展
1, 2
等失效事件。该问题的解决属于腐蚀防护的范畴, 包括界面防 护、 缓蚀剂 保护 以及采 用耐 腐蚀 管材 等4 。 ( 4) 海底上岸混输管道立管段底部低洼处, 易出 现分层流, 液体积聚在立管底部 , 阻碍气体通过, 形 成短 液塞 , 且长度逐渐增加, 立管上游的气体压力 增大, 窜入立管底部, 迫使 液塞 快速喷入下游分离 器 , 直至上游气体压力低于立管液柱产生的静压力。 液塞 进入下游设备, 造成管道和设备的压力波动, 管道压降急剧增大, 出现振动, 运行不稳定 , 分离器 溢流、 断流等情况 , 严重影响管道的生产运行
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在海底混输管道的设计中, 应注重不同模型的 建立基础和适用性 , 结合历史工程的反馈信息, 选择 适当的模型 ; 同时根据工程实际 , 对启输温度、 气体 流量等进行合理设计。 3、 温降规律 在多相流流动的温降规律方面 , 针对埋地集输 管道开展了大 量研究
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, 其中 多为基 于苏霍 夫公
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式 , 在稳态传热的基础上开展的工作。周晓红 指 出 , 低输量下的高粘原油管道, 总传热系数的变化对 原油温降的影响显著 , 因而需要对粘温特性敏感的 高粘原油管道采用有效的保温措施; 对于低粘原油 管道, 总传热系数的变化对原油温降和粘度的影响 均很小。 目前, 尚未获得多相流流动的温降规律, 特别是 海底混输管道的温降规律。一般认为, 混输距离越 长 , 温降越显著, 影响温降的因素也越复杂。温降规 律中值得研究的有管流及环境温度场, 沿程温度变 化等多方面 , 温降规律与管道总传热系数及其他热 物性参数有关。 4、 模拟计算 瞬态模拟以连续性方程、 动量方程和能量方程 为基础 , 采用双流体模型、 漂移流模型、 黑油模型或 组合模型。瞬态模拟能够解决很多问题 , 例如段塞 预测、 段塞释放以及液塞和清管器的跟踪等。 双流体模型和漂移流模型的能量方程都是按照 多相流综合考虑的。虽然动量方程都是对油、 水、 气 相单独列出的连续性方程 , 但漂移流模型考虑了各 相间的滑移 , 列出的是混合相的动量方程 ; 而双流体 模型则是各 相分 开考虑 , 列 出的是 单一 相的 动量 方程。 目 前, 稳 态 模 拟 软 件 主 要 有 PIPEP H ASE、 P IP ESIM 和 P IP EFL OW, 瞬 态 模 拟 软 件 主 要 有 OL GA 和 T RAF L OW 。 利 用 OL GA 软 件 和 P IP EFL OW 软件进行多相流混输管道 压降预测等 的计算结果与现场实测值吻合较好 5, 13 。 OL GA 软件主要基于双流体模型, 辅以漂移流 模型, 多相综合考虑。OL GA 软件利用的数值方法 是有限体积法, 能够进行水力和热力计算 , 但具体采 用何种计算程序和数据修正方法尚不可知 , 有待于 深入调研和分析。 受计算机运行功能的限制, 关于多相流管道计 算模拟的范围很有限 , 虽然可以进行设备内的流场 分析, 但尚无法进行整条长距离多相流混合输送管 道的模拟。
1, 2, 3, 麻 新 闵 面工程 , 2007, 26( 5) 。 宋承毅 : 多相混输管道水合物 预测与控 制动态试 验研究 , 工 程 热物理学报 , 2007, 28( S 1) 。 韩方勇 周晓红 邱 周 叶 晶等 : 多起伏地 形下油气 混输管道 的水力特 性 , 兵 : 海底多相流混输管道压降计算主要影响因素 油气储运 , 2007, 26( 11) 。 4, 5, 6, 分析 , 中国海上油气 , 2007, 12( 1) 。 昆 : 渤西油田群混输海管 中段塞的 控制方法 研究 , 内蒙 古 宫 敬 : 海底混输管 线严重段 塞流动的 预测与控 制 , 石油化工 , 2007, 33( 2) 。 徐孝轩 宫 敬 海洋工程 , 2005, 23( 4) 。 7, 8, 徐 孝 轩 : 油气 混 输管 道 中 的波 动 现 象 , 油 气 储 运 , 2006, 25( 12) 。 白云香 : 水平管两相流流型研究 ( 硕士论文 ) , 中国石油大学 ( 华 东 ) , 2006。 9, 10, M andhane J M , G regory G A et al: A f low patt ern m ap for gas liquid fl ow in horizont al pipes , M ult iphase f low , 1974. H ew it t G F: T hree phase gas li qu id f low pat t erns holdu ps an d pressur e drop, Proceedings of ISM F, Bei jing, Int A cademic Pres s, 1997. 11, R ezkallah K S , Zhao L: A fl ow pat tern map f or tw ophase liquid -gas f low u nder R educed G ravit y condit ions, A dvances in Space R es earch, 1995, 16( 0Z) . 12, 13, 李玉星 : 多相混输管道温降的计算 , 油气储运 , 2001, 20( 9) 。 喻西崇 任彦兵等 : 海底混输立管段瞬态流动规律及其敏感性 分析 , 中国海上油气 , 2007, 19( 1) 。 14, Carpent er P S, Ni cholas E D et al: M et hod gives realis ti c an aly sis of leak -det ect ion syst ems, O il & G as J ou rnal , 2005, 103( 11) . ( 收稿日期 : 2009 -03 -10)
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二、 海底管道多相混输的 相关研究
1、 流型与流型识别 多相流的流型直接影响其流动的压降规律和温 降规律 , 在不同倾斜程度的管道 ( 从水 平管到垂直 管 ) 中流型差异很大, 且影响因素多。对于流型的识 别 , 比较经典的方法是使用流型图 , 在现场应用中, 通常需要对流型图进行修正。常用的流型图有贝克 流型图、 曼德汉流型图、 SCOT T 流型图等 ; 工程研 究中多利用经验数据回归 , 找到不同流型的转换标 准 , 进而确定不同参数条件下的流型图。
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2009 年
三、 多相混输技术研究的发展方向
随着国际石油公司之间的市场竞争越 来越激 烈, 海洋油田、 沙漠油田以及已建油田的外围边远区 块已成为今后石油勘探开发的重点地区, 多相混输 技术仍将被视为降低这类油田油气生产成本极具吸 引力的一项技术。可以预见, 多相混输技术的应用 前景广阔 , 相关技术的研究也仍将持续下去。 ( 1) 在经济效益最大化原则下 , 多相混输系统应 包含若干单项技术 , 其中最核心的技术是多相混输 管道的压降计算和多相增压设备的研发。多相混输 工艺技术通常应用在海洋、 沙漠等自然条件相对恶 劣的油田 , 生产管理难度大, 需要采用无人值守的操 作管理方式, 因而要求混输泵能够长期无故障运行。 目前 , 欧美发达国家研发的多相增压设备虽然已经 达到相当高的水平 , 但仍无法满足寿命长和故障率 低的实际生产需求; 我国尚无多相混输泵等设备, 应 通过引进、 消化和自主研发, 制造出与国际先进水平 接近的国产化多相混输泵系列产品 , 以取代昂贵的 进口产品。 ( 2) 温降规律 是研究多相流流 动规律的基础。 由于海底混输管道所处的散热环境比较复杂, 因此 管输介质的温度值很难确定, 现场技术人员往往忽 视温度值的获取或单凭经验判断温度值。到目前为 止, 尚无系统研究海底混输管道稳态抑或瞬态温降 规律的报道。要获得准确的热物性参数, 就需要准 确的温度值和传热规律, 为此 , 开展海底混输管道介 质温降规律研究十分必要。特别是建立较准确的物 理模型, 以期利用数值方法求得数值解 , 是一个重要 的研究方向。 ( 3) 多相混输管道的压降计算属于国际性难题 , 特别是油气水三相流动和长距离起伏管道的多相流 动, 预测其管流压降尤其困难。尽管国内外已经推 出若干种计算方法 , 并有几个商品化计算软件应用 于工程实际, 但这些软件大都只在一定条件下适用 , 不具有普遍适用性。 ( 4) 在海底混输管道的工程实际中 , 经常会遇到 类似段塞流、 水合物 6, 14 等技术难题, 且迄今没有较 好的解决办法。应继续以扎实的理论研究为基础 , 深入剖析海底混输管道的工艺特性和输送介质的流 动特点, 力争取得实质性突破。 ( 5) 与单相流动相比 , 气液多相流的流动特性要 复杂得多, 至今还不能从根本上对其准确预测。陆
合 , 形成腐蚀性物质 , 极易造成管道穿孔、 强度降低
一、 海底管道多相混输的 技术特点
随着油气田勘探开发向海洋、 沙漠、 极地等自然 环境恶劣地区的发展, 多相流技术得到越来越广泛 的应用, 多相混输技术成为油气储运领域的研究热 点。由于所处环境特殊, 海底管道多相混输技术具 有明显区别于陆地管道的特征。 ( 1) 海底管道特殊的压力和温度环境, 滋生出一 系列问题 , 包括形成天 然气水合物 , 管壁结蜡 严重 等。这些问题势必影响管道输送介质的正常流动。 目前 , 已有专家学者从热力学和动力学角度开展了 水合物防治技术研究 , 包括改变水合物分压、 制备水 合物抑制剂等。解决管壁结蜡问题的相关研究 , 则 主要集中在清管技术方面
。
( 2) 海底地形的变化和输送工艺的需求使海底 管道存在一定起伏。在起伏地形下 , 油气混输管道 中油气间的滑脱损失大, 水力特性比较特殊。同时 , 水力特性与流型密切相关, 而上坡段与下坡段的流 型变化非常多, 上坡段积累的静压能由于气液分离 在下坡段不能得到有效恢复, 使水力特性变得愈加 复杂 3 。 ( 3) 在混 输管 道中 , 气 相中 的酸 性气 体 CO 2 、 H 2 S、 H 2 O 以及液态油中的硫、 沙子、 游离水相互结
地油田中已建的短距离多相混输管道, 已经使设计 者获得了丰富的多相混输管道的实践经验 , 凭借这 些经验可以设计出较符合生产实际的短距离混输管 道。但是, 多相混输技术领域面临的真正挑战来自 于长距离输送, 因为多相管流特性难以准确预测等 若干复杂的技 术问题与高昂的投资风 险交织在一 起 , 且没有经验可循。 多相混输技术在 我国具有广阔的市场应用前 景 , 制约多相混输技术应用的主要因素体现在技术 本身的不完善和适用程度。我国石油工业迫切需要 一整套完善的、 适用性强的长距离多相混输技术 , 以 提高海洋油田、 滩海油田、 沙漠油田和边远外围油田 开发的经济效益, 从而为石油工业实施低成本战略 提供技术支持。
* 国家自然科学基金项目 ( 50479043) 。 * * 434023, 湖北省荆州市南环路 1 号 ; 电话 : 13476968393。
第 28 卷第 7 期
史宝成等 : 海底管道多相混输技术研究现状与发展
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试验是一种直接而有效的流型识别手段, 包括 观察法、 压力测量法、 射线衰减法、 接触探头法、 压差 波动法 7~ 9 。观察法是用肉眼或高速摄影机观察识 别流型。在低流速情况下 , 可以直接用肉眼观察; 在 高流速情况下, 可以借助高速摄影机进行分析识别。 由于该方法观察到的视野范围小 , 识别结果不很精 确, 因此带有一定的盲目性和主观性。当流型发生 变化时, 压力梯度曲线的坡度降也随之发生变化, 压 力测量法是根据不同流型下坡度降的变化, 识别流 型。由于与坡度降变化相关联的流型仍然由观察法 获得 , 因此识别结果不够精确 , 带有许多人为因素。 射线衰减法是通过分析 X 射线或 射线沿截面信 号的衰减规律, 根据不同流型所对应的概率密度函 数的特点识别流型。由于该方法经济性很差, 且需 要特殊安装和运行才能确保操作人员的人身安全 , 因此其应用受到很大局限。接触探头法是根据不同 介质的物性差异 , 例如导电率或对管子折射率的不 同来分析管内各相的分布规律, 识别流型。由于该 方法要求的工作环境条件苛刻 , 因此难以应用于工 程实际。压差波动法是利用试验段在不同流型下压 力降的脉动特性来确定流型。 针对海底混输管道, 应结合现场实际, 选择合适 的方法, 确定流型变化规律。 2、 压降规律 海底管道多相流的流动压降包括 3 部分, 即管 道高程差、 摩阻损失和相间滑脱损失。采用双流体 模型和均相流模型可以得到相对满意的压降计算结 果, 但对于冲击流等复杂流型 , 该问题尚未得到很好 的解决。目前, 用于油气混输管道的压降模型很多 , 研究表明 , Dubler 和 Beg gs - brill 模型的计算结果相 对较好 10, 11 。 周晓红 研究了混输压降的影响因素 , 以黑油 模型和 PIPEF L OW 计算软件为基 础, 分析了 压降 模型、 管道启输温度、 气体流量对混输压降计算结果 的影响, 指出不同 压降模型的计算 结果差别很大。 较高的启输温度可以降低高粘原油管道中的介质粘 度, 但同时会增加海洋平台的热力消耗和设施的建 设维护费用, 因此, 原油的起始温度应设计适当 ; 低 粘原油管道应在满足末端温度的条件下尽可能降低 启输温度 , 因为温度越高 , 气体所占体积越大, 流速 增大导致的压降损失越大。原油中溶入一定量的气 体, 有降粘减阻的作用 , 但是, 无论高粘原油管道还 是低粘原油管道 , 都存在某一最佳气液比, 此时压降 损失最小 , 即最小压降气液比。
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2009 年
海底管道多相混输技术研究 现状与发展*
史 宝 成* * 付在国
( 长江大学石油工程学院 )
史宝成 付在国 : 海底管道多相混输技术研究现状与发展, 油气储运, 2009, 28( 7) 8~ 10。 摘 要 介绍了海底管道多相混输的技术特点, 从流型识别、 压降规律 、 温降规律和模拟计算 等方面论述了海底多相混输管道相关技术的研究现状 。探讨了海底管道多相混输技术的研究发展 方向 , 包括多相增压设备的研发、 压降规律和温降规律的模拟计算、 段塞流和水合物等技术难题的 解决以及长距离多相混输技术的攻关。 主题词 海底管道 多相流 混输 技术 研究 发展
1, 2
等失效事件。该问题的解决属于腐蚀防护的范畴, 包括界面防 护、 缓蚀剂 保护 以及采 用耐 腐蚀 管材 等4 。 ( 4) 海底上岸混输管道立管段底部低洼处, 易出 现分层流, 液体积聚在立管底部 , 阻碍气体通过, 形 成短 液塞 , 且长度逐渐增加, 立管上游的气体压力 增大, 窜入立管底部, 迫使 液塞 快速喷入下游分离 器 , 直至上游气体压力低于立管液柱产生的静压力。 液塞 进入下游设备, 造成管道和设备的压力波动, 管道压降急剧增大, 出现振动, 运行不稳定 , 分离器 溢流、 断流等情况 , 严重影响管道的生产运行
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在海底混输管道的设计中, 应注重不同模型的 建立基础和适用性 , 结合历史工程的反馈信息, 选择 适当的模型 ; 同时根据工程实际 , 对启输温度、 气体 流量等进行合理设计。 3、 温降规律 在多相流流动的温降规律方面 , 针对埋地集输 管道开展了大 量研究
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, 其中 多为基 于苏霍 夫公
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式 , 在稳态传热的基础上开展的工作。周晓红 指 出 , 低输量下的高粘原油管道, 总传热系数的变化对 原油温降的影响显著 , 因而需要对粘温特性敏感的 高粘原油管道采用有效的保温措施; 对于低粘原油 管道, 总传热系数的变化对原油温降和粘度的影响 均很小。 目前, 尚未获得多相流流动的温降规律, 特别是 海底混输管道的温降规律。一般认为, 混输距离越 长 , 温降越显著, 影响温降的因素也越复杂。温降规 律中值得研究的有管流及环境温度场, 沿程温度变 化等多方面 , 温降规律与管道总传热系数及其他热 物性参数有关。 4、 模拟计算 瞬态模拟以连续性方程、 动量方程和能量方程 为基础 , 采用双流体模型、 漂移流模型、 黑油模型或 组合模型。瞬态模拟能够解决很多问题 , 例如段塞 预测、 段塞释放以及液塞和清管器的跟踪等。 双流体模型和漂移流模型的能量方程都是按照 多相流综合考虑的。虽然动量方程都是对油、 水、 气 相单独列出的连续性方程 , 但漂移流模型考虑了各 相间的滑移 , 列出的是混合相的动量方程 ; 而双流体 模型则是各 相分 开考虑 , 列 出的是 单一 相的 动量 方程。 目 前, 稳 态 模 拟 软 件 主 要 有 PIPEP H ASE、 P IP ESIM 和 P IP EFL OW, 瞬 态 模 拟 软 件 主 要 有 OL GA 和 T RAF L OW 。 利 用 OL GA 软 件 和 P IP EFL OW 软件进行多相流混输管道 压降预测等 的计算结果与现场实测值吻合较好 5, 13 。 OL GA 软件主要基于双流体模型, 辅以漂移流 模型, 多相综合考虑。OL GA 软件利用的数值方法 是有限体积法, 能够进行水力和热力计算 , 但具体采 用何种计算程序和数据修正方法尚不可知 , 有待于 深入调研和分析。 受计算机运行功能的限制, 关于多相流管道计 算模拟的范围很有限 , 虽然可以进行设备内的流场 分析, 但尚无法进行整条长距离多相流混合输送管 道的模拟。