Трубы 7 - 13

•Если известна тепловая нагрузка, выходная температура вычисляется из расчета фазового равновесия при заданных давлении и энтальпии.

Когда вычислена выходная температура участка, ее сравнивают с оценкой выходной температуры. Если разница превышает допустимое значение (0.01 С), производится новая оценка выходной температуры, и вычисляются новые свойства потока (возврат к пункту 3).

8После того, как найдены температура и давление, выходные результаты передаются в качестве входа следующего участка, где продолжаются вычисления.

7.3.1Специализированное окно операции Трубопровод

Добавить операцию в расчет можно следующим образом:

1В меню Схема выполните команду Добавить операцию (F12). Откроется окно выбора операции.

2Среди Групп операций выберите Трубы.

3Из списка имеющихся операций выберите Pipe Segment (Трубопровод).

4Нажмите кнопку Добавить. Откроется специализированное окно операции.

ИЛИ

1В меню Схема выполните команду Касса объектов (F4).

2Дважды щелкните по иконке Трубопровод.

Откроется специализированное окно операции	Значок Трубопровод

Чтобы сделать операцию неактивной, отметьте флажок Отключить. ХАЙСИС не будет рассчитывать эту операцию пока Вы снова не активизируете ее, убрав флажок.

7 - 14 Трубы

7.3.2 Закладка Данные

На закладке Данные имеется пять страниц:

•Соединения

•Параметры

•Вычисл. парам.

•Переменные пользователя

•Примечания

Страница Соединения

На этой странице задаются имена входного и выходного технологических потоков.

В полях Вход, Выход и Энергетический поток необходимо задать потоки, соединенные с операцией, впечатав их названия или выбрав из падающего списка.

Кроме материальных потоков, вы также можете присоединить к операции Трубопровод также и Энергетический поток. Кроме того, на этой странице можно изменить название операции.

Страница Параметры

В группе Методика расчета можно выбрать один из методов, который будет использоваться для вычисления гидравлического сопротивления двухфазного (пар-жидкость) потока.

Возможные следующие варианты:

•Aziz, Gover and Fogarasi

•Baxendel and Thomas

•Beggs and Brill

•Duns and Ros

•Gregory Aziz Mandhane

Трубы 7 - 15

•Hagedorn and Brown

•HTFS, Liquid Slip

•HTFS, Homogeneous Flow

•OLGAS2000_2P

Метод OLGAS реализован в программе другой фирмы, которую можно приобрести у Hyprotech или SCANDPOWER

•OLGAS2000_3P

•Orkiszewski

•Poettmann and Carpenter

•Tacite Hydrodynamic Module

•Tulsa 99

Краткая характеристика методов

Методы, перечисленные выше, предназначены для описания сопротивления двух фаз. Одни методы используются исключительно для потоков в горизонтальных трубах, другие – в вертикальных, третьи – в обоих случаях. Некоторые методы определяют режим течения (строят карту режимов) и в зависимости от режима используют тот или иной вариант расчета. Одни методы рассчитывают объем удерживаемой жидкости, а другие предполагают наличие гомогенной смеси.

В следующей таблице сведены основные характеристики перечисленных моделей. Более подробная информация о каждой модели приведена ниже.

Данные	Горизонтальный	Вертикальный	Удерживаемая	Карта
	поток	поток	жидкость	режима
				течения
Aziz, Gover and Fogarasi	Нет	Да	Да	Да
Baxendel and Thomas	Использ. осторожно	Да	Нет	Нет
Beggs and Brill	Да	Да	Да	Да
Duns and Ros	Нет	Да	Да	Да
Gregory Aziz Mandhane	Да	Использ.	Да	Да
		осторожно
Hagedorn and Brown	Нет	Да	Да	Нет
HTFS, Liquid Slip	Да	Да	Да	Нет
HTFS, Homogeneous	Да	Да	Нет	Нет
OLGAS2000	Да	Да	Да	Да
Orkiszewski	Нет	Да	Да	Да
Poettmann & Carpenter	Нет	Да	Нет	Нет
Tacite Hydrodynamic Module	Да	Да	Да	Да
Tulsa 99	Нет	Да	Да	Да

В однофазных потоках для расчета гидравлического сопротивления используется уравнение Дарси. Данное уравнение является модифицированной формой уравнения сохранения механической энергии, которое учитывает и потери на трение, и изменение потенциальной энергии.

Информация о тепловых потерях трубопровода выводится в поле Нагрузка. Эта величина может быть вычислена, исходя из рассчитанных коэффициентов теплопередачи, или задана на странице Теплопередача закладки Расчет.

Вы также можете указать Сопротивление. Падение давления происходит благодаря эффекту трения, гидростатическому напору и фитингам. Если общее падение давления не указано на странице Параметров, то оно будет

7 - 16 Трубы

вычислено программой ХАЙСИС, в том случае, если указаны остальные требуемые параметры.

В поле Изменение потенциальной энергии выводится изменение в потенциальной энергии, полученное потоком при прохождении через трубопровод. Данное изменение определено для общего изменения высоты, основываясь на сумме изменения высот, указанных для каждого сегмента на странице Размеры закладки Расчет.

Когда сопротивление указано, операция Трубопровод может использоваться для вычисления либо длины Трубопровода, либо расхода потока.

Заметьте, что тип вычислений (сопротивление, длина, расход) не задается явно. ХАЙСИС определяет предмет вычислений в зависимости от введенной пользователем информации.

Общее сопротивление, которое может быть указано или рассчитано ХАЙСИС, является суммой потерь давления на трение, гидростатического напора и сопротивлений фитингов. При наличии двух жидких фаз для вычисления единственной псевдожидкостной фазы используются эмпирические правила смешения. Необходимо соблюдать определенную осторожность в интерпретации вычисленных сопротивлений для трехфазных систем. Действительные падения давления могут существенно отличаться для различных режимов течения и для эмульсионных систем.

Aziz, Gover and Fogarasi

Эта модель предполагает, что режим потока не зависит от вязкости фаз и диаметра трубы, а зависит лишь от плотности газа в степени 1/3 (ρ1/3). На основе этого разработана следующая диаграмма режимов потоков в координатах, соответствующих модифицированным скоростям газа и жидкости, отнесенным к полному сечению трубы.

После определения режима течения (точки на диаграмме) для расчета градиента давления и скорости проскальзывания паровой фазы используются соответствующие формулы.

Трубы 7 - 17

Baxendel and Thomas

Модель Baxendel & Thomas представляет собой расширение модели

Poettmann & Carpenter, позволяющее работать с большими расходами. Она основана на гомогенной модели с использованием коэффициента трения двух фаз, полученного из уравнения, основанного на экспериментальных результатах относительно соотношения коэффициента

трения и параметра Dρυ . Baxendel & Thomas провели плавную кривую для значений параметра Dρυ больше, чем 45х103. Для значений ниже

45х103 используются оригинальные уравнения Poettmann & Carpenter. Baxendel & Thomas заявляют, что их модель можно использовать не только расчета градиента гидравлического сопротивления вертикальных потоков, но и для горизонтальных потоков, хотя эти уравнения не принимают во внимание тот факт, что режимы течения в этих случаях могут оказаться различными. Аналогично модели Poettmann & Carpenter эта модель предполагает, что градиент сопротивления не зависит от

Beggs and Brill

Метод Беггса и Брилла основан на эксперименте, выполненном с воздушно– водяной смесью в различных условиях, и может применяться для наклонного течения. В этом уравнении режим потока определяется с помощью числа Фруда и доли жидкости.

Используемая карта режимов течения относится к горизонтальному течению

иимеет четыре режима:

•Segregated (Распределенный) – расслоенное течение, волновое и кольцевое

•Intermittent (Перемежающийся) – пробковое и поршневое течение

•Distributed (Распределенный) – пузырьковое и туманное течение

•Transition (Переходный)

Как только определен режим течения, вычисляется количество жидкости удерживаемой в горизонтальной трубе при помощи соответствующей этому режиму корреляции. Чтобы учесть наклон трубы, к вычисленному значению применяется поправка. Наконец, исходя из полученной доли жидкости,

7 - 18 Трубы

вычисляется двухфазный коэффициент трения и определяется градиент давления.

Duns & Ros

Модель Duns & Ros основана на обширных лабораторных материалах исследования поднимающегося вертикального потока воздух/углеводородная жидкость и воздух/вода. Модель предполагает наличие трех областей, соответствующих разным режимам течения:

Область 1: Жидкая фаза непрерывна (пузырьковый и пробковый и частично пенистый режимы)

Область 2: Жидкая и газовая фазы перемежаются (оставшаяся часть пенистого режима и поршневой)

Область 3: Газовая фаза непрерывна (кольцевой и туманный режимы):

Gregory Aziz Mandhane

Этот метод для расчета общего падения давления в двухфазном потоке предполагает использование соответствующей модели для каждого режима.

Трубы 7 - 19

Режим	Модель
Slugflow	Мэндхейн, модификация №1 Локхарта-Мартинелли
Dispersed	Баббл Мэндхейн, модификация №2 Локхарта –Мартинелли
Annular Mist	Локхарт – Мартинелли
Elongated Bubble	Мэдхейн , модификация № 1 Локхарта – Мартинелли
Stratified	Локхарт – Мартинелли
Wave	Локхарт – Мартинелли

Hagedorn & Brown

Hagedorn & Brown основали свою модель на экспериментальных данных, где рабочим телом был вертикально поднимающийся поток воздух/вода или воздух/углеводородная смесь. Гидравлическое сопротивление трения рассчитывается с использование коэффициента трения, полученного на однофазной кривой Муди, но с использованием числа Re, полученного для двухфазного течения, которое предполагается гомогенным. При расчете такого Re требуется знание доли парового пространства и статического напора. Для этого Hagedorn & Brown предложили универсальную кривую зависимости доли парового пространства от тех же безразмерных параметров, что и Duns & Ros.

Модель HTFS

Две модели HTFS используют один метод расчета сопротивления за счет трения и ускорения среды, но используют различные методы расчета статической составляющей давления.

Метод расчета сопротивления за счет терния адаптирован из источника Claxton et. al. (1972). Метод сначала рассчитывает сопротивление трения для газовой и жидкой фаз в предположении, что они протекают в отсутствии второй фазы. Затем сопротивление за счет трения рассчитывается по формуле:

∆pF = ∆pl + Cc (∆pl ∆pg )+ ∆pg

(7.12)

где ∆pF - сопротивление трения

∆pl - сопротивление жидкой фазы

7 - 20 Трубы

Cc - корректирующий коэффициент, рассчитанный из свойств

жидкой и газовой фаз и модифицированной скорости газа, отнесенной к полному сечению

∆pg - сопротивление газовой фазы.

Статическая составляющая рассчитывается по разным моделям двухфазного потока. В модели HTFS Homogenious доля парового пространства рассчитывается исходя их гомогенной модели. В модели HTFS Liquid Slip паровое пространство рассчитывается с помощью метода,

опубликованного Vhalley & Ward (1981).

Сопротивление за счет ускорения рассчитывается из уравнения гомогенной модели.

Модели HTFS были подтверждены для широкого набора горизонтальных и вертикальных труб (для потоков, направленных вверх и вниз) на основе Базы данных Harwell.

Расчет сопротивления по OLGAS

Данный метод использует механистические модели для каждого из четырех основных режимов течения: стратифицированного (stratified), кольцевого (annular), поршневого(slag) и дисперсного пузырькового (dispersed bubble) течения. В большой степени данный метод основан на данных лаборатории двухфазного течения SINTEF, Норвегия.

При многофазном течении необходимо учитывать свойства сред, геометрию каналов, а также взаимодействия между резервуаром, скважинами, трубопроводами и технологической установкой. Программа OLGAS 2000 рассчитывает двухфазные и трехфазные потоки. Например, можно рассчитать систему, в которой присутствуют капли воды, углеводородной жидкости, газ, песок, парафины и гидраты.

Метод рассчитывает градиент давления, удержание жидкости и режим течения. Он тестировался на трубах от горизонтальных до вертикальных с шагом в один градус. Среди всех существующих методов, OLGAS дает один из лучших общих методов расчета падения давления и удержания жидкости. Для получения более полной информации о данном методе обращайтесь к представителю Hyprotech.

Orkiszewski

Orkiszewski представил сложное уравнение для потоков, поднимающихся по вертикальным трубам, на основе методов описанных Griffith (1962), Griffith & Wallis (1961), Duns & Ros (1963). Определяются четыре режима течения потока и используются соответствующие уравнения:

•Bubble (пузырьковый режим) – Griffith

•Slug/Plug (пробковый и поршневый режим) - Griffith & Wallis, модифицированный Orkiszewski.

•Churn (перемешанный (?) режим) - Duns & Ros

•Mist/Annular (туманный/кольцевой режим) - Duns & Ros

Orkiszewski предполагает, что для определения границы между пузырьковым и поршневым режимами использован метод Griffith & Wallis, а для определения границ между другими режимами использован метод Duns & Ros.

Трубы 7 - 21

Poettmann & Carpenter

Модель Poettmann & Carpenter предполагает, что составляющая сопротивления за счет ускорения среды мала, и сопротивление трения можно рассчитать на основе гомогенной модели. Далее предполагается, что потери статического напора можно рассчитать из модели двухфазной гомогенной среды. Poettmann & Carpenter “отошли” от стандартной модели гомогенной среды в расчете коэффициента трения двух фаз. Модель использует коэффициент трения, основанный на экспериментальных результатах, полученных на 49 скважинах, работающих в режиме газлифт в широком диапазоне условий. Построен график зависимости коэффициента

трения двух фаз от параметра Dρυ ( D - диаметр, ρ - плотность

гомогенной среды, υ - вязкость модифицированного потока, отнесенного к полному сечению).

Tacite Hydrodynamic Module

Tacite Hydrodynamic Module – это переходная модель многокомпонентного двухфазного потока для проектирования и регулирования газовых и нефтяных систем трубопроводов. Модель обеспечивает два варианта расчета: full gas-liquid modeling (полное моделирование газ-жидкость) и Zuber-Findlay – определение режима потока, гидравлического сопротивления, барицентрической скорости, доли газовых пузырей, фрикционного коэффициента теплоотдачи и объемной доли жидкости в горизонтальных и наклонных трубопроводах.

Tacite Hydrodynamic Module предназначен для расчета двухфазного потока, таким образом вода и жидкие углеводороды рассматриваются как одна жидкая фаза.

В модели рассматривается три режима течения:

Stratified flow (расслоенный) – модель рассчитывает баланс количества движения между фазами, находящимися на участке трубопровода.

Intermittent flow (перемежающийся) – к газовым карманам применяются уравнения расслоенного течения, а к жидким поршням – методы распределенного течения. Модель может описать распространение поршневого режима течения жидкости, которое образуется при промежуточных условиях потока в трубе. Жидкие пробки образуются при изменении расходов потоков, при снижении давления в трубопроводе, при операциях пуска и останова трубопровода, а также при изменении конфигурации трубопровода. Для расчета скорости перемещения жидкостных пробок и доли газа в этих пробках используются специальные методы.

Dispersed flow (распределенный) – этот режим – частный случай предыдущего.

Tulsa

Модель Tulsa представляет собой всеобъемлющую механистическую модель, предназначенную для определения режима потока, гидравлического сопротивления и удержания жидкости в вертикальном двухфазном потоке, поднимающемся вверх. В модели различаются пять режимов течения:

•Bubble (пузырьковый) -

•Dispersed bubble (распределенный пузырьковый) -

•Slug (поршневой) -

7 - 22 Трубы

•Churn (перемешанный?) -

•Annular (кольцевой) –

Для режимов Dispersed bubble и Annular используется методика Ansari et.al. (1994), а для Bubble и Churn – Chokshi (1994).

Для разных режимов течения используются различные гидродинамические модели. Для режима течения churn (перемешанный) предложена новая гидродинамическая модель, а для поршневого режима – модифицированная версия модели Chokshi. Модели Chokshi и Ansari et.al. адаптированы для пузырькового и кольцевого режимов соответственно.

Модель была развита на основании широкого набора данных гидродинамического проекта университета Тулсы, который содержит данные по 2052 скважинам и охватывает широкий интервал экспериментальных условий.

Все методы учитывают потери статического напора для участков подъема трубопровода. Методы Aziz, Beggs & Brill Беггса-Брилла и OLGAS учитывают также приращение давления для понижений. Beggs & Brill вычисляет приращение давления как функцию параметров течения и угла наклона.

Трубы 7 - 23

Страница Вычислительные параметры

На данной странице вы можете ввести следующие параметры:

Поле	Описание
Допуск по давлению	Допуск на сходимость итерационного процесса
Допуск по температуре	Допуск на сходимость итерационного процесса
Допуск по теплу	Допуск на сходимость итерационного процесса
Начальное приближение	Используется алгоритмом расчета длины
длины
Шаг по длине	Используется алгоритмом расчета длины
Начальное приближение	Используется алгоритмом расчета расхода
расхода
Шаг по расходу	Используется алгоритмом расчета расхода
Начальное приближение	Необязательная оценка, если диаметр рассчитывается
диаметра
Число участков	Количество участков, которое задается для каждого
	сегмента на странице Размеры.
Равновесие -> PH	Поставьте флажок в это поле, чтобы при расчете
	равновесия использовался метод давление –
	энтальпия, а не принятый по умолчанию давление –
	температура. Этот метод (РН) более медленный, но
	является более надежным для чистых компонентов и
	узко кипящих смесей.
Контроль ударной	Флажок в этом поле заставляет программу проверять
волны	наличие ударной волны при расчете гидравлического
	сопротивления. Эта проверка выполняется только для
	прямых участков трубопровода. При этом вычисления
	проводятся медленнее.
Расчет отложений	Проводится расчет отложений. Этот же флажок можно
	поставить на странице Метод закладки Отложения.
Расчет пульсаций	Проводить расчет пульсаций. Этот же флажок можно
	поставить на странице Пульсации,1 закладки
	Результаты.

При вычислении расхода и длины, хорошие начальные приближения и удачный размер шага могут значительно сократить время расчета.