天然气液烃输送管道内非平衡气液相变机理与两相管流研究

The Natural Gas Liquid (NGL) liquid-vapor phase transition process is a non-instantaneous equilibrium process. Thus, the two-phase flow in the NGL transmission pipeline cannot be modeled by the method based on the assumption of isothermal and instantaneous phase equilibrium. In order to solve this problem, this project plans to research the NGL non-equilibrium phase transition mechanism and two-phase flow in the NGL pipeline by using the theoretical and experimental methods. Firstly, the DBR-JEFRI high pressure high temperature formation fluid analyzer and the multiphase pipe flow loop are utilized to research the relationship between the NGL composition, pressure, temperature, flow velocity and the two-phase feature parameters, which include the liquid and vapor phases’ compositions, volume proportion and phase transition lasting time. Secondly, the molecular dynamics simulation method, non-equilibrium thermodynamics and chemical kinetics theory are used to explore the microscopic mechanism of mass and heat transfer within the vapor-liquid interface region, and to build the mass and heat transfer prediction model. Thirdly, the non-equilibrium two-phase pipe flow model is developed through integrating the two-fluid flow model and the minimum entropy production theory. Finally, all above mathematical models are to be solved by the numerical method and CFD techniques. As a result, the evolution process of the NGL non-equilibrium phase transition and the features of the two-phase pipe flow can be obtained quantitatively. The achievements of this project will provide good theoretical and technical guidelines for both of the design and management of NGL transmission pipelines.

天然气液烃（NGL）输送管道内的气液相变过程属于非瞬时平衡过程，采用等温瞬时相平衡假设分析NGL管道的两相流动不符合实际情况。项目采用理论与实验相结合的方法，开展NGL非平衡气液相变机理和两相管流研究。基于高温高压地层流体分析仪、多相流可视化环道实验平台，研究不同组成、压力、温度、流速等条件下，气液相特征参数的变化规律。根据分子动力学模拟方法以及非平衡态热力学、化学反应动力学理论，探究气液相界面区域内物质和热量传递的微观机理，建立气液相间非稳态物质、热量传递模型；结合双流体模型和最小熵产理论，建立伴随非平衡气液相变的两相管流模型；采用数值分析方法和CFD技术研究模型的求解方法。定量描述管道内NGL非平衡气液相变的发展过程和两相流动规律，为NGL输送管道的设计与运行管理提供理论和技术支撑。

天然气液烃（NGL）输送管道内存在以气液相变非瞬时平衡现象为主要特征的非平衡气液两相流动现象。针对这一特点，本项目（1）基于“Sanchez PVT 200/350FV”PVT仪等装置和国内外实验数据，建立了温度范围270-323K，压力范围0.1-1.0MPa，流速范围1-5m/s条件下的NGL气泡脱离直径和气泡脱离频率数据库。（2）借助实验数据和Materials Studio软件，建立了NGL非平衡气液相变分子动力学模型，分析了气相、液相和相界面区域的分子浓度、径向分布函数和相互作用势能等微观参数的变化规律，探讨了NGL非平衡气液相变的微观机理。（3）将管道中的气液相变过程分为气泡沸腾相变和蒸发冷凝相变两个阶段。在气泡沸腾阶段，从气泡受力平衡的角度出发，建立了适用于各种倾角管道的气泡起飞直径计算模型，改进了气泡脱离频率计算模型，评价了活化核心密度计算模型，形成了气泡沸腾阶段传质速率计算方法。在蒸发与冷凝阶段，基于Maxwell-Stefan方程，建立了化学势梯度驱动作用下气液两相传质速率计算方法。基于傅里叶导热定律，建立了流体-管壁、气液相界面传热方程。构建了NGL非平衡气液两相流动非稳态传热传质模型。（4）基于最小熵产原理和PR状态方程，建立和求解了NGL非平衡气液相变定态判定准则及数学模型；分析了非平衡气液相变持续时间，以及非平衡气液相变定态条件下的气液相组分分布与平衡态相变计算结果的差异。（5）基于双流体模型和上述研究成果，建立了伴随非平衡气液相变的NGL输送管道两相流动模型，分析了NGL模型的数学特征，采用有限体积法和广义Newton-Raphson法进行模型求解。形成了NGL非平衡气液两相管流数学模型高效数值求解技术。（6）以塔里木英买力-牙哈NGL输送管道的实际运行参数为依据，验证了非平衡气液两相管流模型的精度；在此基础上，分析了压力、温度变化对于NGL非平衡气液两相管流参数变化的影响规律。本项目研究成果实现了对NGL非平衡气液相变发展过程和两相管流规律的定量描述，为NGL输送管道的安全、高效设计和运行管理提供了理论和技术支撑。