机坪管道积水驱除数值模拟北大核心

机坪管道底部积水引起的腐蚀产物容易堵塞管道,影响管道正常运行。结合计算流体力学和等效切应力原理,运用CFD技术对机坪管道积水驱除过程的流动特性进行三维数值模拟,分析大管径工况下机坪管道底部积水的驱除状况,得出影响积水流态的主要参数及积水能够被完全驱除的临界条件,揭示机坪管道积水后系统的流动特性。结果表明:管道底部积水形态与油相流速、管路布置、积水量等参数有关;利用管道内部油相将底部积水完全携带出管道,需要增大油相流速、降低倾角、减小积水量。研究大管径管道积水的流动特性对机坪管道积水驱除的实际应用具有重要的指导意义。     

油流排除管道积水的理论分析

针对成品油管道存在的低洼管段积水腐蚀管道的问题,探讨了利用油流将积水携带出管道的机理。以固定倾角圆管管段为研究对象,运用动量守恒和动量积分关系式,采用界面剪切应力的经验关系式,假定上游油流按照平均流速流动,分析了上游来油对倾斜管道中积水的携带作用。结果表明,管道水平且水量较少时,上游来油可将积水完全带出;而增大管道倾角或增加积水量,积水无法被携带出去,甚至出现逆流。若能考虑非定常流动模型,将会更合理地解决成品油管道中的积水携带问题。     

管道CCl_3F水合物浆流动特性的数值模拟

为了研究CCl_3F(R11)水合物浆在水平管内的流动特性,建立了CFD/Fluent数值模型。对比模拟得到的压降与实验压降可知,相对误差均在20%以内,表明该模型可行。通过模拟分析管内水合物颗粒流动特性发现,控制流速可以有效防止水合物阻塞。同时,深入模拟研究了R11水合物颗粒在管内流动的沉积特性,结果表明:流速对R11水合物的沉积特性影响较大,当平均流速达到一定值时,水合物颗粒体积分数对其沉积特性影响不大,将该流速视为管道安全运行的最小流速。通过分析水合物浆的其他关键参数(颗粒密度、颗粒粒径及管径)对管道安全运行最小流速的影响,得出水合物颗粒粒径对管道安全运行最小流速的影响较大,水合物颗粒密度及管径对管道安全运行最小流速的影响较小。     

积水在成品油管道中的运动状态

为解决国内成品油管道因积水产生的内腐蚀问题,建立了室内实验环道,通过高速摄像等方法,对低洼-爬坡成品油管段内积水的运动状态进行研究,分析了积水量、油品流速对积水运动状态的影响。结果表明:积水在成品油管道中的运动状态不同于传统的油水两相流,在不同管段呈现不同的流型。由于成品油与积水的密度差较大,在上倾管段中,受成品油携带作用与重力作用的影响,积水在管道底部达到动态平衡,因此难以排出管道。积水在成品油管道中的运动状态研究成果,可为进一步研究积水的排除方法,减少管道的内腐蚀提供实验依据。     

成品油携水特性对管道内腐蚀的影响

为了研究成品油携水特性的主要影响因素,分析成品油管道内腐蚀原因,以兰成渝管道为例,采用Fluent软件,模拟了流速、油品黏度、上倾角度等因素对油携水能力的影响,分析在地形起伏管段及工况参数改变的情况下油携水时的积水分布形态。重点研究兰成渝管道各年运行工况下的临界倾角,在此基础上判断兰成渝管道运行过程中的积水情况和内腐蚀原因。研究表明:流速和黏度的增加能够有效地提高油携水能力;成品油管道沿线坡度较大的上倾管段处是低洼积水的危险位置,而管道沿线低洼处存在大量积水是导致成品油管道内腐蚀的根本原因。     

起伏管道中成品油携杂质的流动状态

针对成品油管道中存在的油携杂质流动问题,建立了成品油携水携杂质试验环道装置,研究了油携杂质的流动状态,并进行了油携水类比试验;采用大涡模拟方法对油相流场进行仿真模拟,分析了流场对杂质运动的影响。研究表明:油携杂质固液两相流型可分为颗粒流、移动床流及固定床流3种;颗粒加入量越少,油品流速越高,流型由移动床流向颗粒流的转换越快;杂质沉积点位于上倾段后的高点位置,此处管道下侧壁面边界层增厚,油流曳力减弱,二次流有利于杂质聚集;杂质是否在杂质沉积点沉积与油品流速有关,与颗粒加入量无关;类似于杂质颗粒,小体积水团也会在杂质沉积点沉积。研究结果为成品油管道的安全输送提供了保障。     

基于混合模型的管道输沙特性数值模拟研究

【目的】探索管道水沙两相流的流场结构和输沙特性,为进一步研究管道输沙过程中阻力损失随含沙量、流速等的变化规律奠定基础。【方法】采用多相流混合模型和标准k-ε湍流模型,利用管道清水层流和湍流流场模拟,验证所选模型的可行性,并将模拟得到的管道流场以及阻力情况与实测值和计算值进行对比,确定模型参数,进一步结合小浪底水库现场管道抽沙试验,对管道流量(Q)为620和950m3/h工况下含沙量(Cv)分别为3.74%,10.53%,22.64%,37.74%和45.28%的5种含沙水流进行数值模拟计算,并分析其流场结构和流速、含沙量的垂向分布等水力特性。【结果】根据模拟值与实测值以及计算值的综合对比情况,选定粗糙度0.6mm、粗糙常数0.6、入口湍流强度25%为参数组合来模拟分析管道含沙水流的流动特性,得到了5种含沙量工况下管道输沙过程中的水沙两相流分布和管道横断面的流速分布,以及5种含沙量下横断面流速的垂向分布和含沙量的垂向分布规律,具体表现为:在管道流量Q=620和Q=950m3/h时,管道中心断面水沙呈上小下大的悬移质分布形态,随着水流含沙量的增加,管道底部沙量逐渐增大,当含沙量增加至45.28%时,管道中的水沙几乎为稠密的沙浆,在垂向分布上管道含沙量出现顶部小而底部大的现象。另外,管道的断面流速呈现出顶部流速大而底部流速小的现象,且随着含沙量的增大,高流速区扩大且逐渐向管道顶部上移,与大流量工况相比,小流量时高流速区集中且上移明显。垂向流速分布不再呈对称分布而出现管道顶部大、底部小的分布形态,且随着含沙量增大,不对称性更加明显。【结论】多相流混合模型可用于管道输沙流场的模拟计算,模拟结果表明,挟沙水流极大地改变了管道清水流场时呈轴对称分布的流速形态,表现为管道顶部低含沙区流速大,底部高含沙区流速小,且含沙量越高,不对称性越显著;随着流速增大,水流挟沙能力大大提高,流速分布的不对称性显著降低。     

液氨管道水力热力特性影响因素数值模拟

液氨物性参数受自身体积膨胀性和温度敏感性影响较大,管道输送过程中液氨易汽化并产生气阻现象。为探究液氨管道水力热力特性发展规律,参考中国现有液氨管道设计运行参数,在修正液氨物性参数的基础上建立液氨长输管道仿真模型,模拟分析管径、环境温度、出口压力、入口温度、输量及土壤介质对液氨管道水力热力特性的影响。结果表明：随着管径增大,管道全线压力下降趋势逐渐平缓,当环境温度低于投氨温度时,适当增大管径能够有效避免液氨相特性的大幅改变;在综合考虑管道承压和液氨膨胀性的基础上,适当提高管道压力能够有效降低液氨汽化风险;在低输量工况下,提高输量对液氨管道全线压降影响较小、对温降影响较大,在高输量工况下结论则正好相反。研究成果可为液氨长输管道的设计和安全稳定运行提供参考。（图8,表4,参21）     

突变管段油水两相流的流动模拟

利用FLUENT软件模拟了油水两相流在突变管段中的流动,结果表明,在管径突变段管内流体的压力、速度有明显变化,且变化程度受到流体中油相含量的影响。通过模拟得到了油水两相流处于不同油相含量时在突扩管和突缩管中的流动规律,可为油水两相流输送管道的生产运行提供必要的参考。     

管道低洼处积水排除实验

通过分析成品油管道清管杂质中铁锈和水的来源,指出管道不断产生杂质的原因是管道投产期间水压试验过程中低洼处积水引起的管道内腐蚀。提出了油流携水的积水排除方法。为研究油流携水系统的流型、积水分布以及出水量,分别利用透明管、钢管对积水在油流冲刷作用下的运动形态和出水量大于0的临界条件进行了实验研究。借助由下倾、水平、上倾3段测试管段组成的内径为15mm的玻璃管和内径为25mm的塑料管两套实验系统,采用柴油和水分别对积水分布形态进行了观察,并利用内径为27mm的钢管实验系统对上倾管段不同位置的出水量进行测量。在实验范围内,油相流量较小时,积水以近壁偏心大水滴的形式在油流携带下向前爬行;随油相流量增大,偏心大水滴下游被打散成小水滴进入油流;油相流量越大,大水滴经过的距离越长,出水量越大。     

90°水平弯管内环状流流动特性

油气集输管道内气液两相流尤其是环状流在弯管处流动特性复杂，极易加剧管道腐蚀和破坏。为此，开展90°水平弯管环状流实验，分析表观气速20～35 m/s、表观液速0.20～0.35 m/s范围内的相分布、液膜流速及压力变化规律；再通过数值模拟研究水平弯管处相分布、压力分布及流速分布特征，对弯管处环状流流动特性规律进行验证。结果表明：弯管底部和外侧液膜厚于弯管顶部和内侧，越靠近弯管中心，内外侧差异越大；表观气速增加和液速降低使液膜分布趋于均匀；弯管内侧压力低于弯管外侧；受二次流动影响在低气速下弯管中心截面位置最大压力较入口处增加。研究成果可为弯管冲蚀机理研究、弯管设计与保护提供理论基础。（图11，表1，参29）     

煤层气采气管道压降特性试验

煤层气的排采特性决定了进入采气管道的煤层气同时含有水和粉尘等颗粒杂质,气体在流动过程中的压降损失势必受到水和固体颗粒的影响。为此,利用试验环道模拟煤层气集输管道多相介质的流动特点,试验研究了气液两相和气固两相流动的压降特性,得出如下结论：煤层气采气管道气体流速应控制在4～8m/s范围内,并应适当采取清管等措施,减少固相沉积物;采气管道水力计算可以忽略固体颗粒的影响而采用气液两相压降计算方法。（图6,参7）     

埋地热油输送管道的经济管径计算模型

考虑了输送温度对油品粘度的影响以及油品粘度和输送量对泵效、流态和经济管径的影响,以管道建设投资的年分摊费用、保温投资的年分摊费用、管道年维护费用、年动力消耗费用和年热力消耗费用之和为目标函数,给出了埋地热油管道经济管径的完整计算模型。该模型能自动满足管道的沿程温降约束条件,适用于不同粘温特性的原油、不同保温材料和不同埋地深度的管道。采用斐波那契搜索算法对所建模型进行了算例计算,结果表明,该模型能较好地反映各种因素对经济管径的影响,可为埋地热油管道的优化工艺设计提供理论依据。     

污泥在排污直管内的流动阻力特性研究

【目的】考察污泥在排污直管内的流动特性、管道压降及其阻力特性,为排污管道的设计提供参考。【方法】理论分析了直管内污泥流量的计算公式及管道输送沿程阻力系数,并在小型污泥流动试验系统上进行验证,同时利用污泥管道输送试验,就污泥流量、污泥含水率、排污管管径对排污直管内污泥流动阻力特性的影响进行了研究。【结果】在相同管径下,随着污泥流量的增加,管道压降逐渐增大,当流量平均增大到4~5m3/h时,剪切应力破坏了污泥原有的结构,使其黏度降低,阻力系数逐渐趋于稳定;不同排污直管管径形成的流动阻力不同,当排污管直径从20mm增大到32mm时,管道压降从50 000~60 000Pa/m降到10 000Pa/m左右,降幅明显;污泥含水率越低,污泥在排污管中的停滞时间越长,污泥黏性就越高。【结论】污泥流量和管道输送沿程阻力系数计算值与试验值比较吻合,污泥的管道输送受排污管管径、污泥流量、含水率及停滞时间等因素的影响。     

改进的段塞流特性参数理论计算模型

段塞流特性参数的计算是油气混输管道工艺计算的基础。诸多研究成果表明，用平衡液膜简化法计算段塞流流动参数，其计算结果明显比试验数据的偏差大。在液膜高度渐变物理模型的基础上，用两相流水力学方程，推导了一个段塞流液膜区完全耦合的流动参数计算模型。在计算液塞区参数时，采用了一组综合流体物性、倾角、管径等因素的经验计算式，其中部分关系式经过Tulsa大学TUFFP数据资料分析，与现有半经验半理论的计算式相比，统计误差较小，准确度较高。利用改进的计算模型对某油田一段混输管道的段塞流特性参数进行了预测。     

起伏地形对宝汉天然气管道生产运行的影响

为了研究天然气管道在地形起伏地区的生产运行状态,以陕西省宝鸡-汉中天然气管道为例,结合实际生产情况,分析了起伏地形对天然气管道输量,以及积水静压阻力和段塞流对清管作业的影响;简化了积水静压阻力的计算公式,建立了分段积水柱长度和高程差与积水静压阻力的函数关系式。研究表明:起伏地形对天然气管道输气能力影响明显,未考虑高程差的输量普遍大于考虑高程差因素计算出的输量;起伏地形引发的天然气管道积水静压阻力和段塞流,影响清管器的运行速度和对清管器通过声音的监听;积水静压阻力足够大时,甚至可以击破清管器;通过积水静压阻力计算公式,可以精确确定清管器前后压差,为宝汉天然气管道清管作业提供理论指导。     

成品油油流携水机理研究进展

成品油管道低洼处积水引起的腐蚀产物经常会堵塞干线设备,利用油流剪切、冲刷低洼处积水进而将其排出管道是减少管道腐蚀、防止管道堵塞的有效方法。从试验研究、理论分析及数值模拟等方面,对成品油油流携水时积水流动特征、积水运动速度、积水可被携带的临界条件、临界条件的影响因素与规律等方面的研究进展进行了总结,分析了目前研究中存在的问题,并提出应在更大速度范围(0.57～1.53 m/s)内进行积水分布特征及积水运动速度的试验研究;此外,还应研究水相预润湿后的钢管转变为恒定油润湿时的临界条件。研究成果对排除管内积液、杂质有指导意义。(参28)     

长输管道冷热油交替输送热力影响因素分析

针对冷热油交替输送管道的设计与运行,通过冷热油交替输送软件计算,考察了输送距离、年输送批次、相对输量、管道输量和出站温度等热力影响因素对原油流动安全的影响,总结了长输管道冷热油交替输送的典型热力特征,深化了对冷热油交替输送规律的认识.     

优化成品油管道设计减少混油量

成品油管道设计优化以往大多集中在对管径、壁厚、泵站数、进出站压力等工艺参数的优选,对影响混油量的因素考虑不多.介绍了顺序输送成品油管道产生混油的影响因素,包括:管内流体沿径向流速分布不均匀,管内流体沿径向、轴向的紊流扩散,站场工艺管道的“死区”“盲肠”等部位滞留油品,管道沿线地形起伏,不同油品的密度差,输油生产过程中的...     

油-水两相流研究及其软件在渤海油田的应用

油-水两相流是石油开采中的常见现象,具有独特的流动特征,给混输管道的安全、经济设计及混输管道腐蚀速率的确定造成很大困难。通过对多种油-水两相流的试验和理论研究,对油-水两相流现象和规律进行了分析,提出了流型和压降模型,并编制出油-水两相流的流型和压降预测软件,利用该软件对渤西油田和绥中36-1油田两条油水混输管道相关参数进行了计算,计算结果与油田实际完全吻合。