Двухфазные потоки жидкости

Двухфазными (бифазными) потоками жидкости обычно называют потоки, содержащие:

а) или частицы твердого тела, находящиеся во взвешенном состоянии;

б) или капли другой более легкой или более тяжелой  жидкости;

в) или, наконец, пузыри газа, в частности, пузыри, заполненные воздухом или парами данной жидкости.

Наиболее часто он встречается в промысловых условиях: состав многокомпонентной смеси  таков, что при имеющих место  давлении и температуре она не может находиться только в жидком состоянии.

В магистральных же конденсатопроводах образование двухфазного потока является нарушением технологического режима.

К появлению газовой  фазы здесь приводят:

- разгерметизация трубопровода

- возникновение волн  пониженного давления при нестационарных  процессах (пуск и остановка насосов или перекачивающих станций, закрытие-открытие запорной арматуры, организация попутных путевых сбросов нестабильного конденсата и др.)

- работа трубопровода с пониженным противодавлением

- а также другие  операции, приводящие к снижению  давления в потоке ниже давления насыщения при температуре перекачки.

 

Двухфазные потоки характеризуются  наличием различных структурных  форм течения, под которыми подразумевается, главным образом, характер распределения  газа в жидкости при их совместном движении в трубопроводе.

Структурные формы газожидкостного  потока очень разнообразны и зависят  от:

- скорости смеси

- расходного газосодержания

- физических свойств  газовой и жидкой фаз

- диаметра и угла  наклона трубопровода

В результате многочисленных экспериментальных исследований выделены следующие основные структуры газожидкостных потоков в трубах:

1 – расслоенная с  плоской границей раздела фаз;

2 – расслоенная с  криволинейной границей раздела  фаз;

3 – пузырьковая;

4 – пробковая;

5 – кольцевая;

6 – эмульсионная.

Пузырьковая и эмульсионная структуры характеризуются тем, что газовая фаза в виде отдельных пузырьков распределена в потоке жидкости.

Расслоенная структура  характеризуется послойным движением газа и жидкости с четкой гладкой или волновой поверхностью раздела.

Пробковая (снарядная, четочная) структура характеризуется чередованием жидкостных и газовых пробок различных размеров.

Кольцевая (пленочная, пленочно-дисперсная) структура характеризуется течением основной массы жидкости по стенке трубы в виде жидкостного кольца, внутри которого с высокой скоростью движется газовое ядро, содержащее капли жидкости.

Структуры взаимосвязаны и переходят  одна в другую при изменении условий  течения (за счет выделения растворенного  газа по мере падения давления в  трубопроводах, изменения площади сечения труб и их наклона к горизонту и т.д.).

 

Проблемы транспорта двухфазных жидкостей

Характерной особенностью двухфазных течений является пульсация давления в трубопроводах. Она приводит к нарушению нормального режима работы перекачивающего оборудования, контрольно-измерительных приборов и т.д.

Кроме того, в реальных условиях эксплуатации трубопроводов, проложенных по пересеченной местности, на газожидкостный поток вместе с силами трения действуют силы гравитации. В результате чего, жидкая фаза аккумулируется на восходящих участках, а газовая – на нисходящих участках трассы трубопровода. Так, например, в процессе эксплуатации трубопроводных систем возникают осложнения, связанные с уменьшением проходного сечения или полной закупоркой труб, вызванных образованием устойчивых газовых пробок и скоплений жидкости (воды или конденсата).

В нефтях, перекачиваемых по магистральным и промысловым нефтепроводам, почти всегда содержатся растворенные нефтяные газы, которые могут аккумулироваться в локальные скопления газа, выделяющегося из жидкости при понижении давления.

Помимо этого в нефтепроводах  возможно образование водяных пробок связанных с перекачкой обводненных нефтей. Скопления воды и газа уменьшают рабочее сечение труб, увеличивают их гидравлическое сопротивление. Аналогичные трудности возникают и при трубопроводном транспорте нестабильных жидкостей особенно в зимнее время или в пусковой период.

При эксплуатации газопроводов наличие влаги в транспортируемом продукте также осложняет нормальный режим их работы, помимо того, что увеличивает сероводородную коррозию она еще и вызывает различные эксплуатационные осложнения. Пары воды способны конденсироваться, нарушая нормальное движение газа по газопроводу.

На горизонтальных и  нисходящих участках трассы жидкость движется в виде пленки по стенкам трубы. Наличие жидкой пленки значительно увеличивает гидравлические сопротивления газового потока. Наибольшее количество жидкости скапливается на восходящих участках газопровода, образуя гидравлический затвор, частично или полностью перекрывающий сечение трубы.

Помимо этого присутствие  в трубопроводе гидратообразователя (газа, конденсата) и свободной воды (жидкой воды, льда, воды, диспергированной в объеме газа или жидкого гидратообразователя, пленки воды на поверхности трубопровода и т.д.) при соответствующих температуре и давлении способствует образованию гидратов.

Указанные причины  приводят к повышению гидравлического сопротивления и гидростатического перепада давления.

Решение проблем

Очевидно, что существование эксплуатационных осложнений в работе трубопроводов оказывает негативное влияние на их гидродинамические режимы, что особенно актуально в современных условиях эксплуатации объектов трубопроводного транспорта, при давлениях ниже проектных. Поэтому в целях снижения энергетических затрат на транспорт необходимо осуществлять эффективный эксплуатационный контроль и управления режимами перекачки, особенно на участках трубопровода, где возникают условия для проявления эффектов многофазности транспортируемой среды и благоприятного существования эксплуатационных осложнений.

Решение поставленной задачи возможно, во-первых, применением методов математического моделирования процессов в трубопроводах и параметрического анализа гидродинамических величин для описания движения углеводородных смесей в трубопроводных системах с учетом вышеотмеченных особенностей их эксплуатации, и, во-вторых, использованием современных методов информационного мониторинга режимов перекачки углеводородных смесей в трубопроводах.