Nieuwe theoretische modellen voor vloeistofslugs in leidingen

DELFT – Lange vloeistofslugs (vloeistof slokken) met lengtes van wel honderden buisdiameters, kunnen voorkomen bij transport van gas en vloeistof in horizontale en nagenoeg horizontale pijpleidingen. Dergelijke lange slugs kunnen door drukfluctuaties en vloeistof/gas scheiding problemen operationele verstoringen geven. Het identificeren en voorspellen van de tijden lengteschalen van de slugs is van belang voor de gas/olie productietechnologie (regels voor een betrouwbaar ontwerp van de pijpleiding en procesapparatuur).

Probleem
Hoewel tot nu toe hoofdzakelijk korte, hydrodynamische, slugs van hooguit 40D in productieleidingen van buitengaatse olie/gas velden zijn waargenomen, zijn er aanwijzingen, dat bij oudere velden met lagere operatiedrukken de kans op lange slugs zal toenemen. Het is daarom zaak om door een verdieping van de kennis over lange slugs te pogen de negatieve effecten van hun aanwezigheid te reduceren.

Aanpak
De in deze studie gekozen aanpak is om eenvoudige, theoretische modellen te ontwikkelen, waarmee bij benadering de condities waaronder lange slugs ontstaan en hun tijd en lengteschalen berekend kunnen worden. Bestaande experimenten en computer simulaties zijn vervolgens gebruikt om de modellen te valideren. Het eerste deel van het proefschrift betreft het identificeren van het lange slug gebied en sub–gebieden in het stromingspatroondiagram. Experimenten, uitgevoerd door Zoeteweij (2007), geven een uitstekend beeld van het gebied met lange slugs en de overgangen naar hydrodynamische slugs en gelaagde tweefasenstroming. Om het lange sluggebied te kunnen vaststellen is een eenvoudig theoretisch model ontwikkeld. Het model bepaalt de gemiddelde sluggrootte op basis van het vloeistofdebiet naar de slug en de verandering van het vloeistofniveau achter de slug via een lineaire, kinematische, relatie tussen de slugstaart en de golf stroomopwaarts. Met het model kan de overgang van hydrodynamisch naar lange slugs redelijk goed voorspeld worden.

Voorspellen
In het tweede deel van het onderzoek ligt het accent op het voorspellen van de overgang van gelaagde gas/vloeistofstroming naar slug stroming of gelaagde stroming met rolgolven. Vloeistof slugs, die ontstaan door coalescentie van rolgolven hebben een hydrodynamisch karakter. Dit betekent, dat alleen slugs, die rechtstreeks ontstaan uit de gelaagde stroming, en niet via coalescerende rolgolven, lange slugs zijn. Ook voor deze genoemde overgangen is een theoretisch model ontwikkeld. Het model beschrijft de verplaatsing van de top van een lange golf in axiale en opwaartse richting. Als de top van de golf de top van de pijp raakt vormt zich een slug. Als de axiale snelheid zo hoog is dat de top het eind van de golf stroomafwaarts bereikt worden rolgolven gevormd. Het model geeft ook inzicht in de stromingssituatie vlak voor de vorming van een slug.

Effect van de druk op slugs
Het derde deel van het onderzoek betreft het effect van de operatiedruk op het optreden van lange slugs en de rol van het verschil in vloeistof hoogte aan voor en achterkant van de opbouwende slug. Metingen van Kristiansen (2004) met tweefasen lucht/olie en SF6–gas/olie zijn geanalyseerd. De metingen bij laboratoriumdrukken van 1–8 barA met het hoge dichtheid SF6–gas simuleren operatiedrukken tot 65 bar. Op basis van de overmaat vloeistof kunnen drie verschillende typen slugs worden onderscheiden. Slugs met zelfs maar een geringe vloeistof–overmaat kunnen in lange leidingen heel lang worden. Bij hoge druk is er echter geen vloeistofovermaat meer en ontstaan alleen hydrodynamische slugs. In het laatste deel van het project hebben we onderzocht in hoeverre de slugfrequentie gerelateerd kan worden aan de frequenties van vortices in the turbulente gas en vloeistof gedeeltes van gelaagde gas/vloeistof stroming. De slug frequentie en de frequentie van oscillaties aan het vloeistof/gas scheidingsvlak blijken te correleren met de oscillaties in de gasfase. De intensiteit van de oscillaties aan het scheidingsvlak wordt echter bepaald door de vloeistoffase. Het voorgestelde mechanisme voor de vorming van de slugs geeft goede resultaten voor bestaande waarnemingen voor een reeks van diameters en stromingscondities. Ook wordt duidelijk dat turbulente fluctuaties op kleine schaal grote gevolgen kunnen hebben voor de grote schaal aspecten van de slugs.

© TU Delft/BulkOnline