在上述措施中，立管底部注气和顶部节流已有应用实例，但用注气法解决强烈 段塞流的费用太高，因而常采用各种顶部节流法。
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立管顶部节流原理

为使系统稳定运行，必须在立管底部出现新液塞并在立管内增长 至顶部前，将液塞排出立管，使气液混合物在系统中连续流动， 即把混合物速度Umix（定义为气液折算速度之和）作为控制参
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段塞流形成机理

强烈段塞流
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（1）液体堵塞和液塞变长 在立管内较小气流速度下，管内的液体向下流动，积 聚在立管底部。它堵塞了管道内流来的气液混合物，使液塞上游的管道压力增大， 液塞变长。管道出口几乎没有液体流出，排出的气量也很小； （2）气体压力增大 管道内压力增大，同时液体继续积聚液塞增长，立管内的液 位逐渐上升。当管道压力高于立管液体静压头时，才有液体从立管顶部流出； （3）液塞流出 当管道压力足以举升立管内的液柱时，液体开始由立管顶部排出。 起初排液速度较低，当气体串入立管后液体加速，在很短时间内液体流量达到峰 值流量（常为平均流量的几倍），如果分离器或捕集器没有控制系统将淹没容器； （4）管道气体排出 最后，液塞上游积聚的气体极快排出立管，进入平台的接收 装置，使装置工作失常。此时，立管内气体流速减小，管道压力下降，又开始新 一轮循环。
lnLs （英尺）
实测值
Brill Norris Scott
lnD（英寸）
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最大液塞长度的确定

Norris（1982）经验关系式
Ls max exp1.54 ln Ls 假设液塞长度按对数正态分布，最大液塞长度出现的概率

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Dunbar 16”管道强烈段塞流的抑 制

Dunbar位于北海英国海域北侧，它及它的卫星油田Ellon包括一 座生产平台和通向Alwyn north 平台（NAB平台）的16英寸和 长22km的多相流管道，87年投产。来自Ellon水下井口的气体
和Dunbar的油气混合，送往Alwyn north生产处理装置。最大
第九章 段塞流
李玉星
引言

段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，在许多操作条件下（正 常操作、启动、输量变化）混输管道中常出现段塞流。其特点是 气体和液体交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，
气团下方沿管底部流动的是分层液膜。管道内多相流体呈段塞流
时，管道压力、管道出口气液瞬时流量有很大波动，并伴随有强 烈的振动，对管道及与管道相连的设备有很大的破坏，使管道下
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段塞流的抑制方法

强烈段塞流的抑制法 :抑制强烈段塞流的方法较多，基本上从设计和增加附加设 备两方面解决。例如：

减小出油管直径，增加气液流速； 立管底部注气，减小立管内气液混合物柱的静压，使气体带液能力增强 采用海底气液分离器如海下液塞捕集器 在海底或平台利用多相泵增压； 气体自举 立管顶部节流－最经济、实用的抑制方法
游的工艺装置很难正常工作。
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第一节 段塞流形成机理

段塞流分类

水动力段塞流(hydrodynamic slugging)

管道内气液折算速度正好处于流型图段塞流的范围内所诱发的段 塞流，水动力段塞流又可细分为：普通稳态水力段塞流和由于气 液流量变化诱发的瞬态段塞流，发生这种段塞流时一般气液流量 较大;地形起伏诱发段塞流
压力传送器失效时，HIC1作为备用设施。

高输量控制方式。在高输量下，管道流态非常稳定，不会引起立 管的严重段塞流。在NAB平台的立管底也不需要保持89巴的压
力。为不超过Dunbar的最大操作压力（129巴），必须由手动
控制器HIC2打开16”入口主阀PV2。
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气体自举
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pump
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第三节 段塞流特性参数计算
数。若Umix减小表示发生阻塞，为举升刚形成的液塞，出油管
道的压力应高于立管下游分离器或捕集器正常平均操作压力。立 管顶部节流可增大管道和捕集器之间的差压，利于在立管内刚形
成的小液塞流向捕集器。
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控制强烈段塞流的实例

带小分离器的控制方法

荷兰Shell Research B V, Kooninklijke/Shell-

变。
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段塞流特性参数计算

液塞捕集器的工艺计算与段塞流特性参数密切相关，表征 段塞流特性的参数有很多，基本上可以分为两大类：

液塞区特性参数：包括液塞含液率，平均液塞长度，最 大液塞长度，液塞速度以及平移速度； 液膜区特性参数：包括液膜含液率，液膜速度，气泡速 度和平均气泡长度。

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液塞区特性参数
液膜高度均匀一 致，液膜含液率 和液膜速度为定 值
液膜高度是变化 的，液膜含液率 和液膜速度也随 之变化
vb
vs vf
模型 I
vb
vs vf
模型 I I
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段塞流特性参数计算

段塞流模型的建立基于以下几个假设：

液塞内的小气泡和液相以相同的速度运动，并且都是以 混合物速度运动； 液膜内不含小气泡，气泡中也不含小液滴； 液塞前锋拾液量和尾部脱液量相等，即液塞长度保持不
流量7791m3油/d和7.9MMSCMD，流量变化范围较大，特别 当Ellon不生产时，管道操作处于不稳定状态，产生立管诱导型
强烈段塞流。

计算表明：在很大流量范围内（特别当Ellon不生产时）， 特别是在低流量和低气油比时，管道处于立管诱导型强烈
段塞流。使NAB处理设备超压、火炬过负荷。
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Dunbar 16”管道强烈段塞流的抑 制
流量变化最大的段塞流，对管道和管道下ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ相应设备正常工作危
害最大的一种段塞流。和地形起伏诱发段塞流相似，常在低气液 流量下发生。
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段塞流形成机理

水动力段塞流
5

众所周知，在管道内气液流量较小时，呈分层流型。当管 内液体流量较大，液位较高时，被气流吹起的液波可能高 达管顶，阻塞整个管路流通面积形成液塞，流型由分层流 转变为段塞流。这是由于在波浪顶峰处，由于伯诺利效应， 气体流速增大将使该处的压力降低，在波峰周围压力下，
0.1 ln Ls 25.4144 28.4948ln D
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Brill关系式 , Norris关系式 Scott关系式 Scott关系式的 计算结果与实 测值最为接近。
7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

由于液塞前锋的拾液和尾部的脱液，液塞前锋的运动速度 比液塞体内流体的运动速度快，称其为平移速度。 1975年， Dukler和Hubbard提出了一个计算平移速度的模型，即
vt vs 1 C
C 0.021ln Re s 0.022
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液塞含液率的确定

Gregory（1978）经验关系式



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由上述形成机理可以看出：

第二、第三类段塞流的形成机理是类同的与第一类有所 区别； 管愈高（或地形起伏愈大）形成的强烈段塞流愈严重； 形成强烈段塞流时管道出口的气液流量极不均匀；

气液流量较小时才能形成强烈段塞流。
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第二节 段塞流的抑制方法

水动力和地形诱发段塞流的抑制

在多相流管道设计中，可选择合适的管径使管道处于 非段塞流工况下工作。若必须在段塞流下工作，由于水 动力、地形起伏、以及陆上集油管线进入油气分离器时 配有立管（高度较小）引发的段塞流，其段塞长度和冲 击强度远小于海洋油气田，常在分离器入口处安装消能 器，吸收油气混合物的冲击能量即可。

地形起伏诱发段塞流

由于液相在管道低洼处积聚堵塞气体通道而诱发的段塞流，常在 低气液流量下发生强烈段塞流(severe slugging)
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段塞流分类

强烈段塞流(severe slugging)

通常在两海洋平台间的连接管道上发生。定义为：液塞长度大于 立管高度的段塞流。这是一种压力波动最大、管道出口气液瞬时
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装置的立管高16.4m， 出油管线由透明聚丙 烯制成，长100m直径 50mm。管线前50m 水平，后50m向立管 倾斜2度。小型分离器 的体积近似等于立管 体积的25%。试验所 用流体是空气（最高 压力5bar）和水（加 入约20%的乙二醇作 为防冻剂）。
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控制强烈段塞流的实例

主分离器的液位和立管底部压力 的波动能够很好地反映出油管立管系统特性。气液质量流量分 别为0.002kg/s和0.36kg/s时， 实验测试的参数曲线见图 。 增加小分离器和控制系统后，主 分离器液位和立管底部压力相当 稳定。
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防止强烈段塞流的操作策略

使多相流管道流动稳定最有效的方法是：增加 Ellon采 气量或增加Dunbar的产量。然而，在很宽流量范围内 操作条件处于强烈段塞流，因而所选段塞控制系统包括： 管道节流防止液塞在立管底部堵塞。对Dunbar管道防 止强烈段塞流所需的立管底部最小压力为 84bar。图11 为控制工艺，图12为段塞控制系统。
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低输量控制方式。由立管底部压力传感器（有比例、积分、微分 线路PC1）控制接收Dunbar油气的分离器入口的段塞控制阀 PV1，使立管底部压力达89巴。手动控制器HIC1用于平缓地切 换为立管压力自动控制，并在管道再启动时（管内有很大的液体 持留量）限制分离器入口流量。此外，HIC1用来限制PV1的开 度，以免由于小的波动使阀失效而引起工艺条件的波动。在海底
Laboratorium认为 ：直接操作