气液两相流流型判断及管径计算软件的设计与开发
Outline:
夏婧
1
,
李泽东
2
1. 九江石化设计工程有限公司;
2. 长岭炼化岳阳工程设计有限公司
摘要：以流体的基础数据(流量、密度、黏度、表面张力等)为基础，根据SH/T 3035-2007《石油化工工艺装置管径选择导则》中两相流型的计算模型，以VB6.0作为开发用户操作界面的平台，设计了一个适用于石化装置牛顿性流体的管道两相流流型判断及管径计算软件。通过实例计算证明，该软件不仅能提高手算或Excel计算的效率，还可方便地输出流型判断及管径计算的结果，为设计工作带来便利。
Design and development of flow regime judgment about gas-liquid two phase flow and pipe diameter calculation software
Outline:
Xia Jing1
,
Li Zedong2
1. Jiujiang Petrochemical Design Engineering Co., Ltd, Jiujiang 332000, China;
2. Changling Petro-chemical Engineering Design Co., Ltd, Yueyang 414000, China
Abstract: Based on the fluid basic data such as flow rate, density, viscosity, surface tension, etc., according to the calculation model of two phase flow regime in SH/T 3035-2007 Guide for Pipeline Sizing in Petrochemical Industry, the VB6.0 was used as a platform to develop a user operation interface. The software was designed to judge the flow regime of Newton fluid pipe gas-liquid two phase flow and calculate pipe diameter. Proved by practical calculation, the software can not only develop the calculation efficiency by hand or by Excel, but also output the flow regime judgment results conveniently, which will bring convenience for the design effort.
气液两相混合物在管道中的流动是石油化工企业工艺装置中常见的流体流动过程之一，具有单相流动所不存在的许多复杂因素。其流动状态不能仅由滞流和湍流确定，而是要取决于不同的流动形态(分层流、泡状流、雾状流、波状流、环状流、块状流、塞状流)和两相间自由界面等因素，上述因素使问题变得很复杂。两相流管道管径选择是否合理，直接影响着管道运行的安全性和稳定性，在设计时需要进行正确的计算才能确定，工程上常采用SH/T 3035-2007《石油化工工艺装置管径选择导则》[1]中所规定的方法进行计算。计算公式较多，若手算则工作量较大且极易造成错误，使用Excel计算又没有良好的人机交互界面，两者皆不便于作为计算书供校审查阅。因此，根据标准所给出的方法与模型，用VB6.0开发用户操作界面并进行代码的编写，开发出一款用于石化装置核算牛顿性流体的两相流管道和计算两相流管道管径的软件，为设计人员提供便利，十分必要。
1 数学模型
根据SH/T 3035-2007《石油化工工艺装置管径选择导则》第7章中介绍的方法，管径的确定需经过初选管径、流型判断、流型调整阶段。
1.1 初选管径
采用和流型判断相结合的方法，根据流型计算的结果初选管径。
两相流中的体积含气率按下式计算：
| $
\beta = \frac{{{q_{{\rm{vg}}}}}}{{{q_{{\rm{vg}}}} + {q_{{\rm{vl}}}}}}
$ |
(1) |
式中：β为两相流中的体积含气率；qvg为两相流中气相的体积流量，m3/h；qvl为两相流中液相的体积流量，m3/h。
根据体积含气率估算管径有两种情况：
(1) 当β在0.17以下(一般不产生块状流)时，先假定一个管内径，按式(2)计算两相流均相流速：
| $
{u_{\rm{H}}} = \frac{{353.7({q_{{\rm{vg}}}} + {q_{{\rm{vl}}}})}}{{d_{\rm{i}}^{'2}}}
$ |
(2) |
两相流的均相流速还应满足下式要求：
| $
{u_{\rm{H}}} \ge 3.05 + 0.024{{d'}_{\rm{i}}}
$ |
(3) |
式中：uH为两相流中的均相流速，m/s；di′为管内径，mm。
若假设的管内径不符合要求，则应向小规格管径调整。
(2) 当β大于0.17时，按下式初选管径：
| $
{{d'}_{\rm{i}}} \le 4.68q_{{\rm{vg}}}^{0.5}\rho _{\rm{g}}^{0.25}
$ |
(4) |
式中：ρg为两相流中的气相密度，kg/m3；qvg为两相流中气相的体积流量，m3/h。
由式(4)计算的管内径要进行试差，得到的管内径计算的均相流速要满足式(3)，否则要向小规格管径调整。
1.2 流型判断
在两相流管道工艺设计中，必须防止出现块状流，这种流型压力不稳定，实际生产中对管道、管件冲击导致管道和设备的破坏。此外，环状流和雾状流会对管壁产生严重冲蚀，也要避免。
计算过程中，水平管道和垂直管道的流型判断均有各自相对准确的方法，文献建议用两种流型图进行对照判断，在下面分别描述两种类型管道的流型判断。
1.2.1 水平管道两相流型判断
水平管道采用曼得汉流型图和伯克流型图来判断管内的流动情况。曼得汉流型图见图 1，伯克流型图见图 2。
曼得汉流型图坐标中的参数按下式计算：
| $
{u_{{\rm{ls}}}} = 353.7\frac{{{q_{{\rm{vl}}}}}}{{d_{\rm{i}}^{'2}}}
$ |
(5) |
| $
{u_{{\rm{gs}}}} = 353.7\frac{{{q_{{\rm{vg}}}}}}{{d_{\rm{i}}^{'2}}}
$ |
(6) |
式中：uls为液相表观流速，m/s；ugs为气相表观流速，m/s。
伯克流型图坐标中参数如下：
| $
{G_{\rm{l}}} = 353.7\frac{{{q_{{\rm{ml}}}}}}{{d_i^{'2}}}
$ |
(7) |
| $
{G_{\rm{g}}} = 353.7\frac{{{q_{{\rm{mg}}}}}}{{d_i^{'2}}}
$ |
(8) |
式中：Gl为液相表观质量流速，kg/m2·s；Gg为气相表观质量流速，kg/m2·s；ρl为两相流中的液相的密度，kg/m3；σ为液相的表面张力，N/m；ρa为常压、20 ℃时空气的密度，ρa=1.2 kg/m3；ρw为常压、20 ℃时水的密度，ρw=998 kg/m3；μl为液相的动力黏度，Pa·s；μw为常压、20℃时水的动力黏度，μW=0.001 Pa·s；σw为常压、20 ℃时水的表面张力，σw=0.073 N/m；qmg为两相流中气相的质量流量，kg/h；qml为两相流中液相的质量流量，kg/h。
1.2.2 垂直管道两相流型判断
垂直管道采用海威特流型图和格里菲斯流型图进行判断。海威特流型图见图 3，格里菲斯流型图见图 4。
由海威特、格里菲斯流型图上横纵坐标的表达式可计算出海威特、格里菲斯流型的横纵坐标值，进而判断流型所在区域。
1.3 流型调整
如果流型判断的结果为实际生产中不希望出现的块状流或环状流和雾状流，应调整假定的管径，直至计算结果为满意流型为止。
假定的管径通过流型判断后，还应满足式(9)~式(10)的要求：
| $
{u_{\rm{H}}} \le 122.47\rho _{\rm{H}}^{-0.5}
$ |
(9) |
式中：uH为两相流中的均相流速，m/s；ρH为两相流中的均相密度，kg/m3；按式(10)计算
| $
{\rho _{\rm{H}}} = {\rho _{\rm{g}}}\beta + {\rho _{\rm{l}}}(1-\beta )
$ |
(10) |
式中：ρg为两相流中气相的密度，kg/m3；ρl为两相流中液相的密度，kg/m3；β为两相流中的体积含气率。
软件在流型输出的界面中还设计了是否满足式(9)的流速计算判断步骤，确保初选的管径能够满足所有计算要求。
1.4 核算极限质量流速
当管道进出口两端的压差大于进口端绝对压力的30%时，应核算出口端的极限质量流速，管道出口端两相流的最大质量流速应小于极限质量流速的75%。
管道出口端极限质量流速按式(11)计算：
| $
{G_{{\rm{c}}2}} = \frac{{\gamma + {p_2} \cdot {{10}^3}}}{{{x_2} + {v_{{\rm{g2}}}}}}
$ |
(11) |
式中：Gc2为两相流在管道出口端的极限质量流速，kg/m2·s；γ为气相的比热容比，即Cp/Cv；p2为管道出口端的绝对压力，kPa；x2为两相流在管道出口端的质量含气率；vg2为气相流在管道出口端的比容，m3/kg。
x2按式(12)进行计算：
| $
{x_2} = \frac{{{q_{{\rm{mg}}}}}}{{{q_{{\rm{mg}}}} + {q_{{\rm{ml}}}}}}
$ |
(12) |
式中：x2为两相流在管道出口端的质量含气率；qmg为两相流中气相的质量流量，kg/h；qml为两相流中液相的质量流量，kg/h。
2 软件的设计与开发
2.1 软件的功能设计
开发此软件的目的在于建立一个良好的人机交互界面，快速准确地计算和判断流型，确定两相流管线管径。从前面的计算模型可以看出，管径的确定要通过试算、流型判断等过程确定，试算过程可能会反复进行。如何使这几个步骤上下连贯、界面友好是软件的开发重点之一。为了提高计算效率，增加软件实用性，设置了4种常见的设计工况，可一次性输入5组管内径数据进行验算，具有同时计算水平管线和垂直管线的功能。如何在计算时对输入的各项条件进行识别组合也是软件开发的难点。
针对以上目的，软件设计了以下几项功能：
(1) 不仅能对已知管线内流体进行两相流核算，而且可以根据两相流流型的计算结果试算合适的管径。
(2) 能同时对管线的水平段和垂直段中的流体流型进行计算判别。
(3) 内置4种常见运行工况，可对需计算的管线选择指定工况进行计算。
(4) 软件计算结果可以Excel文件的格式输出保存。
该软件适用于石油化工装置内管道选择，不适用于储运系统管道、非牛顿流体和固体气流输送管道的管径选择。
2.2 软件的总体设计
程序主要分为用户操作界面和后台程序代码两部分。用户操作界面接受输入的数据，用变量传给后台的程序代码进行计算。后台程序代码将计算的结果通过变量再输出到用户操作界面显示出来。
为了能够实现软件的功能，设计了方便计算的操作界面。用户操作界面分为用户输入界面、流型判断界面和结果输出界面。用户输入界面见图 5和图 6，流型判断界面见图 7，结果输出界面见图 8。
2.3 程序代码部分设计
软件主体包括4个窗体文件、1个模块文件、1个帮助文件及1个Excel模板文件。每个窗体文件下放置该窗体实现功能的程序代码，Excel模板文件用于输出计算书。
设计程序代码时，按照计算步骤设计了各种功能的子程序，子功能程序代码放在模板文件中供计算调用。软件开发设计阶段具体的程序流程如图 9所示。
3 软件的使用介绍
(1) 用户打开软件，在图 5所示界面输入物流的相关性质，选择计算工况，输入需要计算的管道类型—水平管道或垂直管道。
(2) 在管内径初选(手动)区域输入用户想要计算的管径，之后在管内径初选(自动)区域点击初选管径按钮，进入初选管径界面，判断输入的管内径能否满足第1.1节中各计算式的要求，不能满足则需重新输入管内径，如此重复试算，直到管内径满足要求为止。
(3) 选择好管内径之后，用户点击下一步，进入4种流型横纵坐标计算界面。每种流型图片右侧从上到下的五组横纵坐标值依次代表管内径1~管内径5的计算坐标值。计算完成之后，用户根据各组坐标值在流型图片中找到每一个管内径对应的坐标值所处的流型。如果某个管内径的各流型判断均能满足要求，则在界面右侧的复选框内将相应的管内径选中，表示此管内径符合流型要求。若没有一个管内径能满足流型的要求，则需要返回上一计算步骤，重新选择管内径。
(4) 当有满足流型的管内径后，用户进行最后一个步骤的计算，选择的管径需要满足第1.3节中式(9)的要求。在流型判断界面，点击下一步按钮，进入判断输出界面。点击计算按钮，操作界面会显示哪些管内径能够满足所有的计算要求。
(5) 最后，用户点击图 8中的结果输出按钮，软件生成Excel文件。生成的Excel文件可作为计算书保存核查。
(6) 对于需要进行极限质量流量核算的管段，在输入界面窗体输入相应的参数值，可计算出极限质量流量。
4 软件的实例验证
为了验证软件的可操作性和实用性，采用了若干组数据进行验证。现将其中一组数据的计算结果列于表 1。
表 1
表 1 物流原始数据表
Table 1 Stream primary date
| 气相 |
| 项目 |
|
数值 |
|
| 质量流量/(kg·h-1) |
|
5 867.700 |
|
| 体积流量/(m3·h-1) |
|
2 260.420 |
|
| 实际密度/(kg·m-3) |
|
2.600 |
|
| 液相 |
| 项目 |
数值 |
项目 |
数值 |
| 质量流量/(kg·h-1) |
4 132.240 |
动力黏度/(Pa·s) |
0.000 01 |
| 体积流量/(m3·h-1) |
4.680 |
表面张力/(N·m-1) |
0.050 |
| 密度/(kg·m-3) |
882.840 |
|
|
|
表 1 物流原始数据表
Table 1 Stream primary date
|
表 2
表 2 计算结果汇总表
Table 2 Calculation results summary
| 体积含气率/% |
0.997 933 447 |
| 初选管内径 |
是否符合条件 |
均相流速/(m·s-1) |
| 管内径1/mm |
200 |
是 |
20.034 |
| 管内径2/mm |
150 |
否 |
35.615 |
| 管内径3/mm |
100 |
否 |
80.135 |
| 管内径4/mm |
250 |
否 |
12.822 |
| 管内径5/mm |
300 |
否 |
8.904 |
|
表 2 计算结果汇总表
Table 2 Calculation results summary
|
表 3
表 3 流型坐标计算值
Table 3 Calculated value of flow patterns coordinates
| 初选管内径 |
曼德汉流型图 |
伯克流型图 |
| 横坐标 |
纵坐标 |
横坐标 |
纵坐标 |
| 管内径1/mm |
19.988 |
0.041 |
0.311 |
35.910 |
| 管内径2/mm |
35.534 |
0.074 |
0.311 |
63.839 |
| 管内径3/mm |
79.951 |
0.166 |
0.311 |
143.639 |
| 管内径4/mm |
12.792 |
0.026 |
0.311 |
22.982 |
| 管内径5/mm |
8.883 |
0.018 |
0.311 |
15.960 |
|
表 3 流型坐标计算值
Table 3 Calculated value of flow patterns coordinates
|
从计算结果可以清晰地看出，管径DN200符合所有的计算要求，并且流型坐标计算可以作为校审查验流型判断准确性的依据。该管径的管线在实际生产过程中运行良好，证明了此款软件的实用性和可操作性。
5 结语
开发了1个能够判断两相流流型及两相流管线管径的计算软件，软件实现了设计阶段想要实现的功能，软件界面友好，操作简单。通过实例计算，所开发的软件能够满足设计工作的要求，可为两相流管道管径的设计工作带来很大便利。目前，该软件只能满足单个管段的计算要求，暂时不能实现批量计算管段的要求，后续会增加相关功能。
| [1] |
李俊儒, 张建华. 石油化工工艺装置管径选择导则: SH/T 3035-2007[S]. 北京: 中国石化出版社, 2007: 20-24.
|
2016, Vol. 45