摘 要：隨著海底天然氣水合物開采及開發(fā)技術(shù)研究的不斷發(fā)展，水合物漿的宏觀流動(dòng)特性研究成為保證天然氣水合物漿順利輸送的必要條件。為此，對(duì)天然氣水合物漿液在管道中的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)及臨界堵塞條件進(jìn)行了研究，以傳統(tǒng)的固液雙層流動(dòng)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合天然氣水合物在水平管道中的流動(dòng)特點(diǎn)，提出了天然氣水合物漿穩(wěn)定流動(dòng)的判定標(biāo)準(zhǔn)——臨界流動(dòng)速度和臨界床層高度，即管道內(nèi)出現(xiàn)固定床層的臨界速度和該速度對(duì)應(yīng)的床層高度；并提出了計(jì)算天然氣水合物漿流型及流動(dòng)參數(shù)的方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)天然氣水合物漿在管道中流動(dòng)的沉積特性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)正交方案，對(duì)比了不同因素對(duì)臨界沉積速度的影響因子。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：該方法可以較為準(zhǔn)確地描述天然氣水合物漿的流動(dòng)狀態(tài)及其特征參數(shù)，對(duì)判斷其安全流動(dòng)具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：天然氣 水合物漿 安全流動(dòng) 沉積特性 流動(dòng)參數(shù) 計(jì)算模型 臨界沉積速度
Flow and deposition characteristics of natural gas hydrate in pipelines
Abstract：Along with the increasing demand for marine hydrate recovery and exploitation from the sea floor，the studv of hydrate slurry flow characteristics serves as a robust technical support for the steady operation of undersea muhiphase flow Dipelines．Thus．focusing on the steady flow characteristics of hydrate slurry and critical parameters of hydrate pluggin9，this study presented a new model for hydrate slurry flow pattern and flow parameters prediction based on the traditional solid-liquid two layer flow model．According to the flow characteristics of hydrate slurry in horizontal pipelines，the criterion for j udging the sready flow of hydrate slurry was determined，i．e．,the critical flow velocity and critical bed height in pipelines．Then the deposition characteristic was further studied and orthogonal experiments were carried out to determine the influence factors of different parameters on critical plug vclocity．In the end，experimental results verified that the new model gives relatively accurate prediction of flow patterns and parameters，which can help to judge the flow assurance of natural gas hydrate in pipelines．
Keywords：pipeline，natural gas，hydraie slurry，flow assurance，deposit，flow characteristics，calculating model，critical deposit
隨著海底天然氣水合物開采及開發(fā)技術(shù)研究的不斷發(fā)展，水合物漿的宏觀流動(dòng)特性研究成為保證水合物漿順利輸送的必要條件，由于天然氣水合物在輸送管線中主要以顆粒形式存在，因此水合物漿的流動(dòng)特性研究和固液兩相流動(dòng)研究具有緊密的聯(lián)系[1-2]。筆者在深入理解由Doron等[3]人提出的固液兩相雙層流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合水合物漿物性及對(duì)水合物漿流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的分析，對(duì)此模型進(jìn)行了改進(jìn)、簡(jiǎn)化，提出了一種計(jì)算天然氣水合物漿宏觀流動(dòng)參數(shù)的方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)天然氣水合物漿沉積特性進(jìn)行分析，對(duì)比了不同因素對(duì)臨界沉積速度的影響。
1 雙層流動(dòng)模型介紹
Doron等將固相顆粒在液相管道中的流型分為3種：①懸浮流；②移動(dòng)床流；③固定床流動(dòng)。其中移動(dòng)床流和固定床流不能同時(shí)存在。
雙層流動(dòng)模型基于以下假設(shè)：①濃度分布嚴(yán)格受臨界沉積速度及分散系數(shù)影響[4]；②忽略流動(dòng)過(guò)程中顆粒的碰撞、聚結(jié)以及破碎；③移動(dòng)床流與固定床流不會(huì)同時(shí)存在。
基于以上假設(shè)，列出流動(dòng)質(zhì)量守恒方程，可以得到：
固相
UhChAh+UCA＝UbCbAb (1)
連續(xù)相
Uh(1-Cg)Ah+Ub(1-Cb)Ab＝Us(1-Cs)A (2)
結(jié)合濃度分布計(jì)算公式：
根據(jù)受力平衡可以得到：
對(duì)于懸浮床流動(dòng)有[5]：
Ub＝0|Ch＝Cs|Uh＝Us (7)
Cb＝Cmax(即最大填充率) (8)
對(duì)于固定床流動(dòng)有[6]：
式中Uh為懸浮相流動(dòng)速度；Ch為懸浮相顆粒體積分?jǐn)?shù)；Us為平均流速；Cs為平均濃度；A為體系總截面積；e¢為顆粒擴(kuò)散系數(shù)；w¢為臨界沉積速度；Ah、Ab為懸浮層、床層的橫截面積；th為壁面和懸浮層之間的剪切應(yīng)力；ti為懸浮層與床層之間界面的剪切應(yīng)力；tb為壁面和床層之間的剪切應(yīng)力；Sh為懸浮層的濕周；si為界面濕周；Sb為床層濕周；Fb為摩擦阻力，在床層剛開始流動(dòng)時(shí)，摩擦阻力達(dá)到最大值；t0為屈服應(yīng)力，對(duì)于沉積于底部的高濃度水合物漿溶液，認(rèn)為其流變性符合Bingham模型。
應(yīng)用以上模型，對(duì)于給定的系統(tǒng)參數(shù)(顆粒直徑、顆粒密度、顆粒平均濃度、連續(xù)相密度、連續(xù)相黏度、連續(xù)相平均流速以及管線直徑)，結(jié)合式(1)～(6)求解即可得到兩相流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)參數(shù)。雙層流動(dòng)模型流動(dòng)參數(shù)如圖l所示。
雖然雙層流動(dòng)模型可以較好地解決固液兩相流動(dòng)中固相顆粒體積濃度分布及流態(tài)判斷的問(wèn)題，但是仍然存在著如下缺點(diǎn)：
1)實(shí)際流動(dòng)中，固定床流和移動(dòng)床流可能同時(shí)存在[7]，模型并未考慮這種情況。
2)對(duì)于移動(dòng)床流存在的情況，需要對(duì)以上公式聯(lián)合求解，求解復(fù)雜，不易收斂。
3)模型無(wú)法給出移動(dòng)床流和固定床流存在的臨界轉(zhuǎn)化條件即臨界沉積速度，而在水合物漿液安傘輸送流動(dòng)研究中，該參數(shù)是至關(guān)重要的[8]。
4)高濃度的水合物漿表現(xiàn)出非牛頓流體特性[9]，該模型沒有考慮。
在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析流態(tài)轉(zhuǎn)化條件并結(jié)合水合物漿的流動(dòng)特性，提出了適用于水合物漿的雙層流動(dòng)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)水合物漿流動(dòng)的臨界速度進(jìn)行了計(jì)算。
2 水合物漿流動(dòng)模型的建立及簡(jiǎn)化
對(duì)水合物漿的流變性研究發(fā)現(xiàn)，水合物漿在低濃度下可視為牛頓流體，而在高濃度下，則表現(xiàn)為非牛頓流體，較為常用的表征模型為Bingham模型[10]：
其屈服應(yīng)力可由本文參考文獻(xiàn)[11]中提出的擬合公式進(jìn)行計(jì)算：
t0＝0.00059C3-0.00701C2+0.087C-0.02498 (12)
由于
主要應(yīng)用于有床層出現(xiàn)的情況，此時(shí)漿液濃度較高，可認(rèn)為是Bingham流體，因此，在以上基礎(chǔ)上，對(duì)
進(jìn)行修正，可得：
用
替換
即可得到適用于水合物漿液的固液兩相雙層流動(dòng)模型。
為了對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，對(duì)固相顆粒在液相中的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析：假設(shè)初始流動(dòng)狀態(tài)為懸浮流，隨著流動(dòng)速度不斷降低，固相顆粒聚集，在底部或頂部局域顆粒濃度不斷增大，達(dá)到最大填充率的時(shí)候，出現(xiàn)移動(dòng)床流動(dòng)，定義此時(shí)管線的平均流動(dòng)速度為“臨界速度1”，即在其他系統(tǒng)參數(shù)固定不變的條件下，此流動(dòng)速度為懸浮流到移動(dòng)床層流的轉(zhuǎn)化速度。然后隨著流動(dòng)速度的繼續(xù)降低，床層高度上升，速度不斷降低，最終在某一流動(dòng)速度下，床層速度達(dá)到0，定義此時(shí)的流動(dòng)速度為“臨界速度2”，即移動(dòng)床流到固定床層流動(dòng)的轉(zhuǎn)化速度，此時(shí)的床層高度稱為“臨界床層高度”。即床層高度在達(dá)到臨界床層高度之后，出現(xiàn)固定床層的不斷累積。流動(dòng)狀態(tài)隨速度變化如圖2所示。
在計(jì)算流動(dòng)參數(shù)之前，首先計(jì)算得到“臨界速度1”和“臨界速度2”，然后判斷水合物漿的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而分析計(jì)算當(dāng)前流動(dòng)狀態(tài)下，水合物漿的床層高度、顆粒濃度分布、平均黏度及壓降系數(shù)數(shù)據(jù)。
據(jù)此，提出水合物漿宏觀流動(dòng)特性的計(jì)算過(guò)程，并應(yīng)用VisualStudio C#編制應(yīng)用程序?；谝陨瞎ぷ?，對(duì)于任意給定的系統(tǒng)條件，可得到體系從懸浮狀態(tài)流動(dòng)向移動(dòng)床層流動(dòng)的轉(zhuǎn)化速度、“臨界速度1”以及由移動(dòng)床層流動(dòng)向固定床層流動(dòng)的轉(zhuǎn)化速度、“臨界速度2”，并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算當(dāng)前流動(dòng)速度下管道內(nèi)水合物漿的流動(dòng)形態(tài)、顆粒濃度分布、平均黏度及壓降因子。
3 模型驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
為了驗(yàn)證模型的可行性及準(zhǔn)確性，利用文獻(xiàn)中提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
王武昌等[11]對(duì)四氫呋喃(THF)水合物在水平管道中的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究(表1)，研究?jī)?nèi)容包括顆粒粒徑、濃度以及流速等對(duì)水合物漿流動(dòng)狀態(tài)的影響，筆者以其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為參照，對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
主要參數(shù)實(shí)測(cè)值及計(jì)算值比較如表2所示。
對(duì)比以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
1)和傳統(tǒng)的雙層流動(dòng)模型相比，該模型不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)床層流態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)水合物漿關(guān)鍵參數(shù)——臨界速度的計(jì)算。
2)水合物漿流動(dòng)模型可以在較廣泛的適用范圍內(nèi)對(duì)水合物漿流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，表觀黏度及壓降因子的預(yù)測(cè)結(jié)果雖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定出入，但是其基本趨勢(shì)及數(shù)值變化范圍和實(shí)際值相符合。
3)模型中所選用的黏度計(jì)算模型Thoma。模型[13]并不能很好地預(yù)測(cè)水合物漿的黏度。因此，需要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Thomas模型系數(shù)進(jìn)行修正，得到適用于該種水合物漿的黏度關(guān)系式。
4)對(duì)模型中提供的其他參數(shù)，包括臨界速度、濃度分布等，由于缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證，有待提出新的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方法，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。
4 臨界沉積速度影響因素的正交分析
在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，研究各計(jì)算參數(shù)對(duì)臨界沉積速度的影響效果，參數(shù)選取如下：顆粒直徑為100～800mm，顆粒密度為920～980，固相體積分?jǐn)?shù)為l0％～50％，介質(zhì)流速為0.4～3.0m／s，管線直徑為0.1～0.5m，最大填充率為0.55，液相密度為l000kg／m3，液相黏度為1.79mPa·s?？疾?span lang="EN-US">“臨界速度2”的值。
設(shè)計(jì)正交比較方案并計(jì)算“臨界速度2”，方案及計(jì)算結(jié)果如表3所示。
從表3及方差分析可以看出，顆粒直徑對(duì)“臨界速度2”的影響效果最大，因此，開展水合物顆粒流動(dòng)過(guò)程中的生長(zhǎng)、碰撞以及聚結(jié)研究對(duì)降低“臨界速度2”，進(jìn)而保證管線的安全輸送具有重要意義，同時(shí)，以上結(jié)論還對(duì)“冷流技術(shù)”實(shí)現(xiàn)的作用原理(防止水合物聚結(jié)，減小水合物顆粒直徑，進(jìn)而降低臨界速度)進(jìn)行了闡釋[13-15]。
此外，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，普遍常識(shí)所認(rèn)為的對(duì)流動(dòng)狀態(tài)有較大影響的固相顆粒體積分?jǐn)?shù)卻是對(duì)“臨界速度2”影響最小的參數(shù)，分析原因，筆者認(rèn)為固相顆粒體積分?jǐn)?shù)在較低濃度時(shí)(小于35％)，對(duì)“臨界速度2”影響不大，而只有在較高濃度，尤其是濃度接近最大填充率的時(shí)候，才會(huì)對(duì)“臨界速度2”有顯著影響。
5 結(jié)束語(yǔ)
在傳統(tǒng)雙層流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)管線中水合物漿的受力進(jìn)行分析，以建立移動(dòng)床層流動(dòng)和固定床層流動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)化條件，并在對(duì)水合物漿流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出了水合物漿穩(wěn)定流動(dòng)的判定標(biāo)準(zhǔn)：臨界流動(dòng)速度和臨界床層高度，即管線內(nèi)出現(xiàn)固定床層流動(dòng)的臨界速度和該速度對(duì)應(yīng)的床層高度。對(duì)此模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化以及編程求解，隨后，通過(guò)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可行性，模型在預(yù)測(cè)移動(dòng)床流動(dòng)狀態(tài)以及臨界速度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是也存在著一些缺點(diǎn)，包括：①模型并不適用于水合物漿粒徑和管徑比較大的情況，濃度分布方程并不適用于粒徑比較大的情況；②模型中對(duì)顆粒直徑的近似化處理、黏度模型的選取等需要做進(jìn)一步的修正與改進(jìn)。
此外，通過(guò)設(shè)計(jì)正交方案，研究了流動(dòng)參數(shù)對(duì)臨界沉積速度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，顆粒粒徑對(duì)臨界沉積速度的影響遠(yuǎn)較其他參數(shù)顯著，這為降低臨界沉積速度、增大水合物漿安全輸送區(qū)間提供了理論依據(jù)，而水合物漿體積分?jǐn)?shù)卻被證明在低濃度下對(duì)臨界沉積速度影響不大，而在較高濃度區(qū)間內(nèi)才會(huì)對(duì)臨界沉積速度形成顯著影響。
參考文獻(xiàn)
[1]孫志高，劉成剛，周波．水合物儲(chǔ)存氣體促進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]．石油與天然氣化工，2011，40(4)：337-338．
SUN Zhigao，LIU Chenggang，ZHOU Bo．Experimental study of gas storage in hydrates with wet active carbon[J]．Chemical Engineering of Oil＆．Gas，2011，40(4)：337-338．
[2]張琦．天然氣水合物的生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)及現(xiàn)狀[J]．石油與天然氣化工，2013，42(3)：261-264．
ZHANG Qi．Natural gas hydrate storage and transportation technology and its development status[J]．Chemical Engineering of Oil＆Gas，2013，42(3)：261-264．
[3]DORON P，GRANICA D，BARNEA D．Slurrv flow in horizontal pipes：Experimental and modelingCJ．Journal of Muhiphase Flow，l987，13(4)：535-547．
[4]SINQUIN A，PALERMO T，PEYSSON Y．Rh∞logical and flow properties of gas hydrate suspensions[J]．Oil and Gas Science and Technology，2004，59(1)：41-57．
[5]DORON P，BARNEA D．Pressure drop and linlit deposit velicity for solid-liquid flow in pipes[J]．Chemical Engineering Science，1995，50(10)：1595-1604．
[6]KITANOVSKI A，POREDOS A．Concentration distribution and viscosity of ice slurry in heterogeneous flow[J]．International Journal of Refrigeration，2002，25(6)：827-835．
[7]DORON P，BARNEAN D．Flow pattern maps for solid-liquid flow in pipes[J]．Journal of Muhiphase Flow，1995，22(2)：273-283．
[8]AUSTVIK T，LI Xiaoyun，GJERTSEN L H．Hydrate plug properties：Formation and removal of plugs[J]．Annals of the New York Academy of Sciences，2000，912：294-303．
[9]白曉寧，胡壽根．漿體管道的阻力特性及其影響因素分析[J]．流體機(jī)械，2000，28(11)：26-30．
BAI Xiaoning，HU Shougcn．Analysis of influence factors on drag characteristics of slurry pipeline[J]．Fluid Machinery，2000，28(11)：26-30．
[10]饒永超，王樹立，江光世，等．水合物漿體流動(dòng)規(guī)律研究進(jìn)展[J]．天然氣化工，2012，37(4)：68-73．
RAO Yongchao,WANG Shuli，JIANG Guangshi．et al．Progress in research on flow law of hydrate slurry[J]．Natural Gas Chemical Industry，2012，37(4)：68-73．
[11]WANG Wuchang，FAN Shuanshi，IAANG Deqing，et al．Experimental study on flow characteristics of tetrahydro furan hydrate slurry in pipelines[J]．Journal of Natural Gas Chemistry，2010，19(3)：318-322．
[12]鄭浩．水平管道內(nèi)氮漿的流動(dòng)傳熱特性研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2010．
ZHENG Hao．Study on the flow and heat transfer of slush nitrogen in horizontal pipe[D]．Hangzhou：Zhejiang University，2010．
[13]陳光進(jìn)，孫長(zhǎng)宇，馬慶蘭．氣體水合物科學(xué)與技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．
CHEN Guangjin，SUN Changyu，MA Qinglan．Science and technology of gas hydrate[M]．Beijing：Chemical Industry Press，2007．
[14]KINNARI K，LABES-CARRIER C，LUNDE K，et al．Hydrate plug formation prediction tool-an increasing need for flow assurance in the oil industry[C]//Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates，2008 Vancouver，British Columbia，Canada．
[15]DAVIES S R，BOXALL J A，DIEKER L E，et al．Predicting hydrate plug formation in oil dominated flowlines[J]．Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，72(3／4)1 302-309．
本文作者：王武昌 陳鵬 李玉星 劉海紅 張慶東
作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院
中國(guó)石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司
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