夏 婧　李澤東

1.九江石化設計工程有限公司　2.長嶺煉化岳陽工程設計有限公司

?

氣液兩相流流型判斷及管徑計算軟件的設計與開發(fā)①

夏 婧1李澤東2

1.九江石化設計工程有限公司2.長嶺煉化岳陽工程設計有限公司

摘要以流體的基礎數(shù)據(jù)(流量、密度、黏度、表面張力等)為基礎，根據(jù)SH/T 3035-2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導則》中兩相流型的計算模型，以VB6.0作為開發(fā)用戶操作界面的平臺，設計了一個適用于石化裝置牛頓性流體的管道兩相流流型判斷及管徑計算軟件。通過實例計算證明，該軟件不僅能提高手算或Excel計算的效率，還可方便地輸出流型判斷及管徑計算的結(jié)果，為設計工作帶來便利。

關鍵詞氣液兩相流管徑計算軟件開發(fā)

氣液兩相混合物在管道中的流動是石油化工企業(yè)工藝裝置中常見的流體流動過程之一，具有單相流動所不存在的許多復雜因素。其流動狀態(tài)不能僅由滯流和湍流確定，而是要取決于不同的流動形態(tài)(分層流、泡狀流、霧狀流、波狀流、環(huán)狀流、塊狀流、塞狀流)和兩相間自由界面等因素，上述因素使問題變得很復雜。兩相流管道管徑選擇是否合理，直接影響著管道運行的安全性和穩(wěn)定性，在設計時需要進行正確的計算才能確定，工程上常采用SH/T 3035-2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導則》[1]中所規(guī)定的方法進行計算。計算公式較多，若手算則工作量較大且極易造成錯誤，使用Excel計算又沒有良好的人機交互界面，兩者皆不便于作為計算書供校審查閱。因此，根據(jù)標準所給出的方法與模型，用VB6.0開發(fā)用戶操作界面并進行代碼的編寫，開發(fā)出一款用于石化裝置核算牛頓性流體的兩相流管道和計算兩相流管道管徑的軟件，為設計人員提供便利，十分必要。

1數(shù)學模型

根據(jù)SH/T 3035-2007《石油化工工藝裝置管徑選擇導則》第7章中介紹的方法，管徑的確定需經(jīng)過初選管徑、流型判斷、流型調(diào)整階段。

1.1初選管徑

采用和流型判斷相結(jié)合的方法，根據(jù)流型計算的結(jié)果初選管徑。

兩相流中的體積含氣率按下式計算：

(1)

式中：β為兩相流中的體積含氣率；qvg為兩相流中氣相的體積流量，m3/h；qvl為兩相流中液相的體積流量，m3/h。

根據(jù)體積含氣率估算管徑有兩種情況：

(1)當β在0.17以下(一般不產(chǎn)生塊狀流)時，先假定一個管內(nèi)徑，按式(2)計算兩相流均相流速：

(2)

兩相流的均相流速還應滿足下式要求：

(3)

若假設的管內(nèi)徑不符合要求，則應向小規(guī)格管徑調(diào)整。

(2)當β大于0.17時，按下式初選管徑：

(4)

式中：ρg為兩相流中的氣相密度，kg/m3；qvg為兩相流中氣相的體積流量，m3/h。

由式(4)計算的管內(nèi)徑要進行試差，得到的管內(nèi)徑計算的均相流速要滿足式(3)，否則要向小規(guī)格管徑調(diào)整。

1.2流型判斷

在兩相流管道工藝設計中，必須防止出現(xiàn)塊狀流，這種流型壓力不穩(wěn)定，實際生產(chǎn)中對管道、管件沖擊導致管道和設備的破壞。此外，環(huán)狀流和霧狀流會對管壁產(chǎn)生嚴重沖蝕，也要避免。

計算過程中，水平管道和垂直管道的流型判斷均有各自相對準確的方法，文獻建議用兩種流型圖進行對照判斷，在下面分別描述兩種類型管道的流型判斷。

1.2.1水平管道兩相流型判斷

水平管道采用曼得漢流型圖和伯克流型圖來判斷管內(nèi)的流動情況。曼得漢流型圖見圖1，伯克流型圖見圖2。

曼得漢流型圖坐標中的參數(shù)按下式計算：

(5)

(6)

式中：uls為液相表觀流速，m/s；ugs為氣相表觀流速，m/s。

伯克流型圖坐標中參數(shù)如下：

(7)

(8)

式中：Gl為液相表觀質(zhì)量流速，kg/m2·s；Gg為氣相表觀質(zhì)量流速，kg/m2·s；ρl為兩相流中的液相的密度，kg/m3；σ為液相的表面張力，N/m；ρa為常壓、20 ℃時空氣的密度，ρa=1.2 kg/m3；ρw為常壓、20 ℃時水的密度，ρw=998 kg/m3；μl為液相的動力黏度，Pa·s；μw為常壓、20℃時水的動力黏度，μW=0.001 Pa·s；σw為常壓、20 ℃時水的表面張力，σw=0.073 N/m；qmg為兩相流中氣相的質(zhì)量流量，kg/h；qml為兩相流中液相的質(zhì)量流量，kg/h。

1.2.2垂直管道兩相流型判斷

垂直管道采用海威特流型圖和格里菲斯流型圖進行判斷。海威特流型圖見圖3，格里菲斯流型圖見圖4。

由海威特、格里菲斯流型圖上橫縱坐標的表達式可計算出海威特、格里菲斯流型的橫縱坐標值，進而判斷流型所在區(qū)域。

1.3流型調(diào)整

如果流型判斷的結(jié)果為實際生產(chǎn)中不希望出現(xiàn)的塊狀流或環(huán)狀流和霧狀流，應調(diào)整假定的管徑，直至計算結(jié)果為滿意流型為止。

假定的管徑通過流型判斷后，還應滿足式(9)～式(10)的要求：

(9)

式中：uH為兩相流中的均相流速，m/s；ρH為兩相流中的均相密度，kg/m3；按式(10)計算

ρH=ρgβ+ρl(1-β)

(10)

式中：ρg為兩相流中氣相的密度，kg/m3；ρl為兩相流中液相的密度，kg/m3；β為兩相流中的體積含氣率。

軟件在流型輸出的界面中還設計了是否滿足式(9)的流速計算判斷步驟，確保初選的管徑能夠滿足所有計算要求。

1.4核算極限質(zhì)量流速

當管道進出口兩端的壓差大于進口端絕對壓力的30%時，應核算出口端的極限質(zhì)量流速，管道出口端兩相流的最大質(zhì)量流速應小于極限質(zhì)量流速的75%。

管道出口端極限質(zhì)量流速按式(11)計算：

(11)

式中：Gc2為兩相流在管道出口端的極限質(zhì)量流速，kg/m2·s；γ為氣相的比熱容比，即Cp/Cv；p2為管道出口端的絕對壓力，kPa；x2為兩相流在管道出口端的質(zhì)量含氣率；vg2為氣相流在管道出口端的比容，m3/kg。

x2按式(12)進行計算：

(12)

式中：x2為兩相流在管道出口端的質(zhì)量含氣率；qmg為兩相流中氣相的質(zhì)量流量，kg/h；qml為兩相流中液相的質(zhì)量流量，kg/h。

2軟件的設計與開發(fā)

2.1軟件的功能設計

開發(fā)此軟件的目的在于建立一個良好的人機交互界面，快速準確地計算和判斷流型，確定兩相流管線管徑。從前面的計算模型可以看出，管徑的確定要通過試算、流型判斷等過程確定，試算過程可能會反復進行。如何使這幾個步驟上下連貫、界面友好是軟件的開發(fā)重點之一。為了提高計算效率，增加軟件實用性，設置了4種常見的設計工況，可一次性輸入5組管內(nèi)徑數(shù)據(jù)進行驗算，具有同時計算水平管線和垂直管線的功能。如何在計算時對輸入的各項條件進行識別組合也是軟件開發(fā)的難點。

針對以上目的，軟件設計了以下幾項功能：

(1) 不僅能對已知管線內(nèi)流體進行兩相流核算，而且可以根據(jù)兩相流流型的計算結(jié)果試算合適的管徑。

(2) 能同時對管線的水平段和垂直段中的流體流型進行計算判別。

(3) 內(nèi)置4種常見運行工況，可對需計算的管線選擇指定工況進行計算。

(4) 軟件計算結(jié)果可以Excel文件的格式輸出保存。

該軟件適用于石油化工裝置內(nèi)管道選擇，不適用于儲運系統(tǒng)管道、非牛頓流體和固體氣流輸送管道的管徑選擇。

2.2軟件的總體設計

程序主要分為用戶操作界面和后臺程序代碼兩部分。用戶操作界面接受輸入的數(shù)據(jù)，用變量傳給后臺的程序代碼進行計算。后臺程序代碼將計算的結(jié)果通過變量再輸出到用戶操作界面顯示出來。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的功能，設計了方便計算的操作界面。用戶操作界面分為用戶輸入界面、流型判斷界面和結(jié)果輸出界面。用戶輸入界面見圖5和圖6，流型判斷界面見圖7，結(jié)果輸出界面見圖8。

2.3程序代碼部分設計

軟件主體包括4個窗體文件、1個模塊文件、1個幫助文件及1個Excel模板文件。每個窗體文件下放置該窗體實現(xiàn)功能的程序代碼，Excel模板文件用于輸出計算書。

設計程序代碼時，按照計算步驟設計了各種功能的子程序，子功能程序代碼放在模板文件中供計算調(diào)用。軟件開發(fā)設計階段具體的程序流程如圖9所示。

3軟件的使用介紹

(1) 用戶打開軟件，在圖5所示界面輸入物流的相關性質(zhì)，選擇計算工況，輸入需要計算的管道類型——水平管道或垂直管道。

(2) 在管內(nèi)徑初選(手動)區(qū)域輸入用戶想要計算的管徑，之后在管內(nèi)徑初選(自動)區(qū)域點擊初選管徑按鈕，進入初選管徑界面，判斷輸入的管內(nèi)徑能否滿足第1.1節(jié)中各計算式的要求，不能滿足則需重新輸入管內(nèi)徑，如此重復試算，直到管內(nèi)徑滿足要求為止。

(3) 選擇好管內(nèi)徑之后，用戶點擊下一步，進入4種流型橫縱坐標計算界面。每種流型圖片右側(cè)從上到下的五組橫縱坐標值依次代表管內(nèi)徑1～管內(nèi)徑5的計算坐標值。計算完成之后，用戶根據(jù)各組坐標值在流型圖片中找到每一個管內(nèi)徑對應的坐標值所處的流型。如果某個管內(nèi)徑的各流型判斷均能滿足要求，則在界面右側(cè)的復選框內(nèi)將相應的管內(nèi)徑選中，表示此管內(nèi)徑符合流型要求。若沒有一個管內(nèi)徑能滿足流型的要求，則需要返回上一計算步驟，重新選擇管內(nèi)徑。

(4) 當有滿足流型的管內(nèi)徑后，用戶進行最后一個步驟的計算，選擇的管徑需要滿足第1.3節(jié)中式(9)的要求。在流型判斷界面，點擊下一步按鈕，進入判斷輸出界面。點擊計算按鈕，操作界面會顯示哪些管內(nèi)徑能夠滿足所有的計算要求。

(5) 最后，用戶點擊圖8中的結(jié)果輸出按鈕，軟件生成Excel文件。生成的Excel文件可作為計算書保存核查。

(6) 對于需要進行極限質(zhì)量流量核算的管段，在輸入界面窗體輸入相應的參數(shù)值，可計算出極限質(zhì)量流量。

4軟件的實例驗證

為了驗證軟件的可操作性和實用性，采用了若干組數(shù)據(jù)進行驗證。現(xiàn)將其中一組數(shù)據(jù)的計算結(jié)果列于表1。

表1 物流原始數(shù)據(jù)表Table1 Streamprimarydate氣相項目數(shù)值質(zhì)量流量/(kg·h-1)5867.700體積流量/(m3·h-1)2260.420實際密度/(kg·m-3)2.600液相項目數(shù)值項目數(shù)值質(zhì)量流量/(kg·h-1)4132.240動力黏度/(Pa·s)0.00001體積流量/(m3·h-1)4.680表面張力/(N·m-1)0.050密度/(kg·m-3)882.840

表2 計算結(jié)果匯總表Table2 Calculationresultssummary體積含氣率/%0.997933447初選管內(nèi)徑是否符合條件均相流速/(m·s-1)管內(nèi)徑1/mm200是20.034管內(nèi)徑2/mm150否35.615管內(nèi)徑3/mm100否80.135管內(nèi)徑4/mm250否12.822管內(nèi)徑5/mm300否8.904

表3 流型坐標計算值Table3 Calculatedvalueofflowpatternscoordinates初選管內(nèi)徑曼德漢流型圖伯克流型圖橫坐標縱坐標橫坐標縱坐標管內(nèi)徑1/mm19.9880.0410.31135.910管內(nèi)徑2/mm35.5340.0740.31163.839管內(nèi)徑3/mm79.9510.1660.311143.639管內(nèi)徑4/mm12.7920.0260.31122.982管內(nèi)徑5/mm8.8830.0180.31115.960

從計算結(jié)果可以清晰地看出，管徑DN200符合所有的計算要求，并且流型坐標計算可以作為校審查驗流型判斷準確性的依據(jù)。該管徑的管線在實際生產(chǎn)過程中運行良好，證明了此款軟件的實用性和可操作性。

5結(jié) 語

開發(fā)了1個能夠判斷兩相流流型及兩相流管線管徑的計算軟件，軟件實現(xiàn)了設計階段想要實現(xiàn)的功能，軟件界面友好，操作簡單。通過實例計算，所開發(fā)的軟件能夠滿足設計工作的要求，可為兩相流管道管徑的設計工作帶來很大便利。目前，該軟件只能滿足單個管段的計算要求，暫時不能實現(xiàn)批量計算管段的要求，后續(xù)會增加相關功能。

參 考 文 獻

[1] 李俊儒, 張建華. 石油化工工藝裝置管徑選擇導則: SH/T 3035-2007[S]. 北京: 中國石化出版社, 2007: 20-24.

Design and development of flow regime judgment about gas-liquid two phase flow and pipe diameter calculation software

Xia Jing1, Li Zedong2

(1.JiujiangPetrochemicalDesignEngineeringCo.,Ltd,Jiujiang332000,China)(2.ChanglingPetro-chemicalEngineeringDesignCo.,Ltd,Yueyang414000,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.

Key words:gas-liquid two phase flow regime, pipe diameter calculation, software develop

作者簡介：夏婧(1988-)，女，江西九江人，助理工程師，現(xiàn)就職于九江石化設計工程有限公司，主要從事石油化工裝置的工藝管道設計工作。E-mail：xiajing1988@126.com

中圖分類號：TE621

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.03.005

收稿日期：2015-12-04；編輯：溫冬云