深水天然气水合物输送管道气液固三相流基础理论研究

There are a wealth of natural gas hydrates in the deep sea water, and pipelines are typically used to transport the explored hydrates from the deep sea to the main land. Focused on the feature that the gas ( natural gas ) liquid ( water ) solid (gas hydrate particle ) are three-phase flow in the pipelines, the thermodynamic and hydrodynamic characteristics of this multiphase flow are studied by the theory and experiment methods. Firstly, using the natural gas hydrate experimental platform, the kinetics mechanism of hydrate growth and decomposition are researched by continuely changing the temperatures and pressures during the expreiments, and a kinetics model for the hydrate growth as well as decomposition predictions is also built. Secondly, using the multiphase flow loop platform, a mathematic model of gas-liquid-solid three-phase flow is proposed based on the basic flow theory as well as the experiment results under different. three-phase' compositions, hydrate particle's diameters, temperatures, pressures and external conditions during flowing. Thirdly, on the basis of the preliminary work, a theoretical model of gas-liquid-solid three phase flow is established, and the coupling effects between the hydrate phase transition and the parameter changing of the pipelines are well considered in this model. Fourth, the gas-liquid-solid three phase flow model is solved by CFD simulation technology combined with the experimental results and image data of the hydrate growth and decomposition process. The research achievements will contribute to the well design, operation and management of subsea pipelines..

深海中蕴藏有丰富的天然气水合物资源，针对开采的天然气水合物颗粒在管道中呈气（天然气）液（液态水）固（水合物颗粒）三相流动的特点，采用理论与实验相结合的方法，研究气液固三相流动的热力学、水力学特征和规律。结合天然气水合物评价实验平台，研究变化的温度、压力条件下，水合物颗粒的生长或分解动力学机理，建立相应的动力学预测模型；基于多相流环道实验，针对不同的气液固三相组成、水合物颗粒粒径，管道内压力、温度、三相介质分布等状态参量，以及输送过程中的外部条件，建立气液固三相流数学模型；在此基础上，考虑水合物颗粒的生长或分解与管道状态参量的耦合作用，建立伴随水合物颗粒生长或分解的气液固三相流理论模型；结合实验数据和水合物颗粒生长、分解的图像处理，基于CFD技术，对所建立的模型进行数值模拟和分析，定量描述水合物颗粒的发展过程和三相流动规律，为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供理论与技术支撑。

针对深水天然气水合物输送管道呈现气（天然气）液（液态水）固（水合物颗粒）三相流动的特点，本项目（1）基于vdW-P理论模型描述水合物相，分别选用亨利定律、PR EoS、VPT EoS和TB EoS四种方法计算气体逸度，描述含有溶解气的水相，从而建立了v-HL、v-PR、v-VPT和v-TB四种水-水合物两相平衡预测模型，实现对该状态下气体溶解度的预测。借助文献实验数据和商业软件Multiflash 4.4，评价出四种模型的优劣。通过改进v-VPT模型，提高了预测能力，优于商业软件Multiflash 4.4。（2）基于全透明高压反应釜装置，开展了16组200~1000 PRM下甲烷水合物生长和分解动力学实验。得到了水合物生长和分解动力学特征，阐释了相变过程的控制机理。（3）以气体传质单膜理论为基础，考虑了气液界面水合物膜的覆盖作用和水合物浆液黏度对传质的影响，建立了传质系数、气液界面面积和浓度差驱动力等参数的预测方法，形成了改进的水合物生长动力学预测模型。结合本文反应釜和文献环道实验数据，验证了模型的可靠性。（4）基于水合物分解“三步骤”机理，综合水合物本征分解动力学和气体传质理论，建立了水合物分解动力学预测模型。考虑到水合物分解产生的气泡对传质过程的影响，引入修正函数来表征气泡数量密度与传质系数的关系，提高了分解模型的准确性。（5）考虑水合物颗粒的生长和分解与管道状态参量的耦合作用，基于守恒原理，建立了伴随水合物颗粒相变的气液固三相管流数学模型。结合水合物颗粒生长、分解动力学预测模型，基于CFD技术，对模型进行数值求解。通过对水平和垂直水合物输送管道的模拟，定量描述了管道中水合物颗粒的发展过程和三相流动规律。以我国南海海水温度分布为条件，分析了深水天然气水合物输送管道的流动安全性。本项目研究成果实现了对伴随水合物颗粒相变的气液固三相管流热力学、水力学特征和规律的描述，为深水天然气水合物输送管道的设计、运行和管理提供了理论和技术支撑。