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天然气-凝析液混输技术在海上、沙漠等社会依托差的凝析油气田中应用较为广泛。混输管道的停输过程,涉及到复杂的相变过程(相间质量、动量、能量交换)、气液两相的重新分布等,是典型的不稳定流动。本文开展了混输管道停输过程实验分析和理论研究,目的是研究停输过程管内压力、温度、持液率、气液两相流速的变化规律、气液两相重新分布,不仅有利于正确地认识混输管道水力、热力的瞬变过程,同时,对于混输管道的设计和安全运行管理具有一定的借鉴和指导意义。
首先,在气液两相流实验环道上,开展了空气-水两相管流停输再启动实验研究,并与输液、输气管道实验进行对比。混输管道停输和启动过程,同时存在压力波和密度波作用,且压力波动程度介于输液和输气管道之间。实验发现,混输管道在关阀停输至管道系统压力平衡之前,压力波传播占主导,而当系统压力平衡后,因重力或持液率分布不均匀而形成的密度波传播则占主导。由于停输过程密度波的传播引起的气液两相的重新分布,以及启动段塞消散过程的影响,混输管道系统稳定时间相对较长。
其次,以双流体模型为基础,考虑气液相间作用力、气相相分率、系统压力等影响因素,通过引入虚拟质量力系数,推导了适用于分层流、段塞流、泡状流等多种流型工况的气液两相管流压力波速预测的统一模型。模型得到了国外公开发表的压力波实验数据的验证,可以用于不同流型气液两相管流压力波速的预测。
再次,构建了天然气-凝析液管流瞬态双流体模型,动量方程引入了压力修正项以满足基本方程的双曲型条件,能量方程考虑了势能和动能项的作用,将模型写成守恒通式形式,并对封闭关系进行了综合比选。
最后,将有限体积法AUSM+格式引入到具有多组分特征的天然气-凝析液混输管道停输过程瞬态模型的数值求解之中。同时,分析了混输管道停输过程管内流体的温降规律和密度波的传播机理,采用组分相态模型与AUSM+格式耦合求解。在课题组现有的混输管道稳态工艺计算程序基础上,编制了混输管道瞬态模拟程序TPCOMP停输模块。与商用软件OLGA模拟比较表明,TPCOMP模拟停输过程管内压力、温度、持液率分布规律与OLGA结果相差不大。对于停输过程沿线气液两相流速的分布,TPCOMP与OLGA模拟结果存在一定差异,趋势一致。计算结果表明,本文算法稳定性较好,且计算简单、高效,具有较好的应用前景。