混输海管严重段塞流的控制(2)

　　3 严重段塞流控制方法研究

　　3.1 管道系统

　　该海底管道系统如图2所示，系统参数如下：管道入口的油气混输流量为7.5kg/s；管道出口压力为50bar，温度为22℃；管道内径为120mm，壁厚为9mm，粗糙度为0.028mm；钢材密度为7850kg/m3，比热容为500J/（kg·K），热导率为50W/（m·K）；管道绝缘层厚度为25mm，密度1000kg/m3，比热容为1500J/（kg·K），热导率为0.135W/（m·K）；环境温度为6℃，外管壁与环境的平均传热系数为6.5W/（m2·K）。

　　从模拟结果中可以发现，管线末端的持液率在107min以后就一直在0.70和0.73之间波动，平均值为0.715，未出现持液率为0的情况，流型虽然表现为段塞流，但管线末端的流态较为稳定，结合前面的压力分析，可以确认严重段塞流得到控制，系统处于稳定状态。此时，通过段塞跟踪显示在管线末端液塞和气泡的长度都为0，末端流量在（7.3～7.8）kg/s范围内波动，阀门开度约为0.071。

　　事实上，在没有控制结构，阀门开度为0.071时，管道入口压力变化仍保持很好的周期特性，仅缺少表示段塞流出阶段的近水平部分，表明在没有控制结构的情况下，该阀门开度并不能消除严重段塞流。之所以会出现这种的情况，是由于当系统稳定时，PID自动控制过程中，控制结构一直在小范围内不断地调节阀门的开度。图8所示为120至150min时间段内阀门开度变化曲线，可见，控制器通过对阀门的微调来实现压力的稳定，达到控制段塞的效果。

　　为验证控制模型的稳定性和适应性，将管道入口质量流量增加至9kg/s，将获得与上述情况类似的结果，但当流量超过9.5kg/s时，模型的稳定性明显下降，管道入口和立管基部压力以及末端持液率均出现明显的周期性波动，表明严重段塞流开始出现，此时需重新设置控制参数来抑制严重段塞流。

　　4 结论

　　本文利用OLGA多相流瞬态流动模拟软件对海底混输管道系统进行严重段塞控制模拟。结果表明，简单的PID控制模型通过监测管道入口压力对系统顶部的节流阀开度进行自动反馈调节能够有效地控制由地形起伏和立管诱发的严重段塞流。同时，控制器通过对阀门的微调来稳定管道系统，实现控制段塞流。相较于传统的抑制段塞流的方法，如段塞捕捉器和节流咀法，PID主动控制方式更显经济和有效。

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