3.2.3. Гидравлический расчет трубопроводов для перекачки газожидкостных смесей

Экспериментально установлено, что для практического расчета трубопроводов удобно объединить ряд структурных форм потока, оставив только три: расслоенную, пробковую и кольцевую. В слабонаклонных и горизонтальных трубопроводах могут реализовываться все три структурные формы двухфазного потока, а в восходящих - только пробковая и кольцевая.

Экспериментальными исследованиями ВНИИГаза установлено, что смена расслоенной структуры потока пробковой происходит при превышении числа Фруда смеси

, (3.12)

где _ж - коэффициент гидравлического сопротивления при безнапорном течении жидкости в участке трубопровода, наклоненном под углом  к горизонту.

Критерием смены пробковой структуры потока кольцевой является параметр

. (3.13)

Граничные значения этого параметра вычисляются по формуле

, (3.14)

где а_w - коэффициент, зависящий от характера наклона трубопровода; при восходящем течении а_w = 0,82, а при нисходящем а_w = 2,2;

_ - отношение динамической вязкости газов к динамической вязкости жидкости.

При W^  имеет место кольцевая структура течения, а при W^  - пробковая.

Для каждой структурной формы потока установлены свои закономерности изменения истинного газосодержания и перепада давления.

При расслоенном течении двухфазной смеси потери давления на трение находятся по формуле

, (3.15)

где _г - коэффициент гидравлического сопротивления при течении

газового потока над жидкостью;

 - центральный угол между радиусами, проведенными в точки

касания поверхности раздела фаз со стенкой трубы.

Истинное газосодержание расслоенного потока в трубах с углом наклона от 1 до 10 ^о к горизонту находят по формуле, полученной во ВНИИГаз

, (3.16)

где  - безразмерный параметр, равный .

При пробковой структурной форме двухфазного потока гидравлический уклон вычисляется по формуле

, (3.17)

где коэффициент гидравлического сопротивления _см вычисляется по зависимости

. (3.18)

Здесь  - коэффициент гидравлического сопротивления, вычисляемый по параметрам смеси как однофазного потока;

- приведенный коэффициент гидравлического сопротивления, учитывающий особенности течения пробкового потока (  1).

Истинное газосодержание пробкового потока находят как

, (3.19)

где К - коэффициент пропорциональности, равный

;

Fr_a - автомодельное число Фруда, начиная с которого увеличение Fr_см не приводит к изменению величины К.

Кольцевая структура потока при промысловом сборе нефти (конденсата) и газа не встречается.

Расчет потери давления на преодоление разности нивелирных высот двухфазным потоком в рельефном трубопроводе имеет некоторые особенности.

Пусть имеет профиль трубопровода, изображенный на рис. 3.3.

На восходящих участках трубопровода имеет место пробковая структура потока, а на нисходящих - расслоенная , переходящая в пробковую.

Общие потери давления на преодоление разности нивелирных высот найдем, суммируя их по участкам

. (3.20)

Раскрывая скобки, после сокращения слагаемых с разными знаками и перегруппировки оставшихся членов будем иметь

(3.21)

где _см - плотность смеси на участке с пробковым течением;

z - разность нивелирных высот конца и начала трубопровода,

z = z_k -z_н;

- сумма перепадов высот на участках с расслоенной

структурой потока.

Таким образом, при перекачке двухфазных потоков потери давления на преодоление разности нивелирных высот профиля зависят в общем случае от длины участков с расслоенной структурой потока, а значит - от скорости смеси в трубопроводе.

Потери давления на трение в двухфазных потоках больше, чем при перекачке того же количества одной жидкости. Это связано с тем, что кроме трения о стенку трубы энергия расходуется на волнообразование, формирование газовых пробок, дробление газовой фазы.