新型管柱式旋流氣液分離器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

新型管柱式旋流氣液分離器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用曹學(xué)文林宗虎(西安交通大學(xué))黃慶宣寇杰(石油大學(xué)(山東))王勝利(大慶油田設(shè)計(jì)院)摘要管柱式旋流氣液分離器是依靠旋流離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液分離的。建立了旋流分離模型,依據(jù)分離模型開(kāi)發(fā)了管柱式旋流分離器的設(shè)計(jì)模擬軟件。管柱式旋流分離器與傳統(tǒng)容器式分離器相比,具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、節(jié)省投資的優(yōu)點(diǎn),是替代傳統(tǒng)容器式分離器的新型分離裝置。的入口結(jié)構(gòu)通常為垂直于筒體的結(jié)構(gòu)(目前很多分離器采用的分氣包亦為類似結(jié)構(gòu)),采用垂直結(jié)構(gòu)的管柱式旋流分離器實(shí)驗(yàn)證明,與傾斜向下的入口結(jié)構(gòu)相比,氣液分離效果明顯變差,工作范圍大約減小一半。入口管向下傾斜,在重力作用下有利于形成分層流,實(shí)現(xiàn)氣液兩相的初步分離,同時(shí),向下的傾斜結(jié)構(gòu)使經(jīng)過(guò)初步分離的液相在入口下方旋轉(zhuǎn)一圈后形成旋流場(chǎng),避免了對(duì)氣相向分離器上方目前管柱式旋流氣液分離器主要應(yīng)用于凝析氣生產(chǎn)系統(tǒng)的氣液分離,實(shí)際上它還有非常廣泛的用途,通過(guò)管柱式旋流分離器控制生產(chǎn)系統(tǒng)的氣油比,可以大大改善多相流量計(jì)、多相泵、放空天然氣滌氣器、液塞捕集器和容器式分離器等裝置的工作性能。該裝置甚至可實(shí)現(xiàn)海底和井下分離操作。對(duì)管柱式旋流氣液分離器分離特性認(rèn)識(shí)的不足,限制了管柱式旋流分離器的推廣應(yīng)用。本文研究的重點(diǎn)就是總結(jié)分析管柱式旋流分離器的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù),建立描述管柱式旋流分離器的機(jī)理模型,預(yù)測(cè)管柱式旋流分離器的分離性能,探索管柱式旋流分離器的設(shè)計(jì)方法。式中運(yùn)動(dòng)的阻塞。入口管傾角以-27b為宜,管長(zhǎng)取110~115m,入口管直徑的選取應(yīng)保證流型為分層流,由Taitel&Dukler預(yù)測(cè)模型確定,分層流轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇流或環(huán)狀流的判別準(zhǔn)則為F2XgdAl/dhl\1C22Aghldin2C2=1-h=1-F=dAldhlXsggl-QgdingcosH=1-(2hl-1)221.管柱式旋流分離器的分離模型111入口流動(dòng)模型由于管柱式旋流分離器主要依靠旋流產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)氣液的高效分離,而入口結(jié)構(gòu)決定了分離器的氣液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口結(jié)構(gòu)和尺寸是影響管柱式旋流分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離的關(guān)鍵因素。管柱式旋流分離器入口主要由入口管、噴嘴和入口槽3部分組成。(1)入口管分析。氣液相流速的不同,油氣兩相或油氣水多相流在入口管內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、分散氣泡流或環(huán)狀流等多種流型。實(shí)驗(yàn)研究表明,采用向下傾斜的入口管,保證入口管流型呈現(xiàn)分層流將在很大程度上改善氣液分離效果,擴(kuò)展管柱式旋流分離器的適用范圍。而傳統(tǒng)分離器采用20期(.11)*Xg=A/AgA=A/dinAg=0125[cos(2hl-1)-(2hl-1)-11-(2hl-1)]2式中din為入口管直徑,A是它的橫截面積,hl是無(wú)量綱液位高。迭代求解準(zhǔn)則方程,din和hl作為迭代參量,直至準(zhǔn)則方程左端小于1,din即為滿足分層流條件最小入口管直徑。(2)入口噴嘴分析。噴嘴是入口段最后一個(gè)影響進(jìn)入分離器氣液相流速分布和入口切向流速大小的因素。通過(guò)對(duì)3種不同入口開(kāi)槽結(jié)構(gòu)(矩形、同心圓形及新月形)的初步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),同心圓形噴嘴X國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(59995460)/(縮口管)結(jié)構(gòu)的分離特性最差,而矩形結(jié)構(gòu)噴嘴的分離效果最佳,新月形結(jié)構(gòu)噴嘴的分離效果與矩形噴嘴接近,由于矩形槽結(jié)構(gòu)加工困難,推薦采用新月形結(jié)構(gòu)。入口噴嘴面積的選取應(yīng)保證入口液相流速在415610m/s之間。液相流速過(guò)小將難以發(fā)揮旋流離心分離的作用,但液相流速過(guò)大將形成過(guò)高的漩渦區(qū),在筒體中過(guò)早出現(xiàn)氣相夾帶液滴和液相夾帶氣泡現(xiàn)象,影響分離效果。112平衡液位控制模型管柱式旋流分離器具有多種用途,這里重點(diǎn)考察用于計(jì)量的分離器工況,見(jiàn)圖1。油氣兩相流或令氣液相管路的壓力損失相等得平衡液面Ll1=5l-5g+QlgLl3-Qgg(Lin+Lg1-Lg3)QlTl1fl1g(Ql-Qg)-2D1113氣泡軌跡模型在管柱式旋流分離器入口下方形成的旋流場(chǎng)使得氣相和液相依靠離心力實(shí)現(xiàn)分離。液相向分離器壁面運(yùn)動(dòng)而氣泡向中心線運(yùn)動(dòng)。研究氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡可以了解氣泡的分離情況,完善管柱式旋流分離器。氣泡要么被液相夾帶流向液相出口,要么進(jìn)入中心氣核從液相中分出。徑向上氣泡受離心力和阻力的相互作用,假設(shè)氣泡局部受力平衡,可得徑向速度分布Tbr(r)=Dbm(r)-Qgtl(r)3rCd(r)l式中混合物密度分布Qm(r)=Qg+(Ql-Qg)#RsRsnm,液相切向速度分布Ttl(r)=Ttls,Ttls為液相入口切向流速,r/Rs為氣泡徑向位置與分離器半徑的比,m和n是指數(shù),取019。Db是氣泡的直徑,Turton和Levenspie建議阻力系數(shù)為圖1GLCC平衡液面計(jì)算簡(jiǎn)圖油氣水三相流進(jìn)入管柱式旋流分離器分為氣液兩相,使用單相流量計(jì)即可實(shí)現(xiàn)氣液相流量的計(jì)量,計(jì)量后再匯合。氣液分離愈徹底,愈有利于計(jì)量精度的提高。分離器內(nèi)液位的控制對(duì)分離特性影響很大。正常工況下,分離筒體內(nèi)的液位應(yīng)保持在入口以下,以避免氣體流經(jīng)下部液相區(qū)出現(xiàn)氣相夾帶液滴現(xiàn)象。同時(shí),該液位還應(yīng)足夠高,以避免液相夾帶氣泡和液相出口管氣泡析出影響計(jì)量精度。依據(jù)壓力平衡,忽略氣液相間的相互作用,氣相和液相出口管的壓差分別為$Pg=Qgg(Lg3-Lg1)-5g$Pl=Qlg(Ll1-Ll3)+Qgg(Lin-Ll1)-2fl1Ll1QlTl15l+2D101657Cd(r)=Re(r)+1+16300Re(r)(-1109)雷諾數(shù)Re(r)=Qm(r)Tbr(r)Dbl同理,平衡軸向所受的重力與阻力,由Stokes定理得出氣泡的軸向速度為(Ql-Qg)DbTbz(r)=18Ll液相軸向速度為Tl,所以,對(duì)于一個(gè)較小的時(shí)間增量dt,氣泡穿過(guò)的軸向距離為dz=Tl-vbz(r)drbr氣泡在GLCC內(nèi)穿過(guò)的整個(gè)軸向距離為$zb=式中5g和5l是氣相和液相出口管路的壓力損失,包括摩阻損失和管件局部損失兩部分Ql5l=2Qg5g=i=2RsTl-Tbz(r)drbr(r)EEnniii+Diiii+Dii=1iEKiT2nl2.管柱式旋流分離器的工藝設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),依據(jù)本文提出的管柱式旋流分離器的分離模型,可以實(shí)現(xiàn)/i=1i=1EnKiTi2g206期(.)***無(wú)控制系統(tǒng)的計(jì)量用管柱式旋流分離器的設(shè)計(jì)。211分離器直徑考慮分離器上部的氣相分離部分,分離器直徑的選取應(yīng)避免氣相中夾帶液滴,以氣相折算速度表示,即氣相折算速度不能大于氣流中出現(xiàn)液滴時(shí)的臨界速度。氣相臨界速度是Tgcrit=213351RWe(Ql-Qg)2Qg0125入口槽選用新月形,入口噴嘴的截面積的確定應(yīng)保證入口液相流速在4156m/s。214分離器出口管氣液相出口管線的配置可根據(jù)氣液相流量、配置儀表的要求確定。建議氣相出口流速取3~30m/s,液相出口流速取112~12m/s。容器內(nèi)平衡液位應(yīng)低于入口013m,分離氣液相的匯合點(diǎn)一般低于入口點(diǎn)013015m,以保持正的靜水壓頭。若分離器配置控制系統(tǒng),匯合點(diǎn)位置可以高于入口。針對(duì)以上設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)發(fā)完成了計(jì)算模擬軟件,已知分離工況即可實(shí)現(xiàn)管柱式旋流氣液分離器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算。式中We是無(wú)因次Weber數(shù),它決定于液滴的尺寸,這里取值7。對(duì)于分離器入口以下的液相分離部分,應(yīng)充分發(fā)揮離心分離特性,避免液相中夾帶氣泡。研究表明,保持液相入口切向流速Ttls和液相流速Tl的比為40時(shí),旋流分離效果最佳。通常切向流速一般取6m/s,顯然臨界液相流速Tlcrit=0115m/s。這樣,對(duì)于高氣油比的分離工況,分離器直徑dsep=4qggcrit徑dsep=0153.管柱式旋流分離器應(yīng)用簡(jiǎn)介管柱式旋流分離器是新型高效分離裝置,在歐美陸上及海上油氣田開(kāi)發(fā)中已有多個(gè)成功應(yīng)用的實(shí)例。歸納起來(lái),主要有以下4類:(1)單相流量計(jì)計(jì)量用分離器,經(jīng)管柱式旋流分離器分離后的氣液相由單相流量計(jì)完成計(jì)量。(2)多相流流量計(jì)計(jì)量用分離器,對(duì)于高氣油比工況,經(jīng)過(guò)管柱式旋流分離器分出大部分氣相,分出氣相由單相流量計(jì)計(jì)量,含氣率大大減小的液相經(jīng)由多相流量計(jì)完成計(jì)量。(3)傳統(tǒng)容器式分離器或液塞捕集器預(yù)分離裝置,在原有容器式分離器或液塞捕集器的前面串聯(lián)管柱式旋流分離器,為原有分離裝置提供初步分離的平穩(wěn)來(lái)流,提高原有分離裝置的處理能力和分離效果?？勺鳛楝F(xiàn)有容器式分離器的改造措施。(4)完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離器,節(jié)省占地、減少投資,對(duì)海洋油氣田的開(kāi)發(fā)具有重要意義。;對(duì)于低氣油比的分離工況,分離器直0154ql。式中qg和ql分別是分離工況lcrit下氣體流量和液體流量。212分離器高度以入口為界分離器分為上下兩個(gè)部分。經(jīng)過(guò)旋流離心分離,部分液體可能以旋流液膜的形式向上爬升或以液滴的形式隨氣流向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。上半部分的高度應(yīng)足夠高,甚至在極端流型)段塞流工況下能夠吸收液相流量的波動(dòng),避免氣相夾帶液滴的現(xiàn)象。參考傳統(tǒng)立式分離器的沉降分離段的處理方法,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),管柱式旋流分離器的上半部分高度一般取1~115m,當(dāng)然嚴(yán)格的選取應(yīng)依據(jù)液滴的軌跡確定。因此上部空間中液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡是今后研究的重點(diǎn)之一。下部液相空間的高度選取,應(yīng)保證液相在分離器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間使氣泡得以分出進(jìn)入上部氣相空間。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),當(dāng)筒體直徑小于1英寸時(shí),液相空間高度取1~115m。對(duì)于大直徑的旋流分離器,應(yīng)根據(jù)建立的氣泡軌跡模型,求解氣泡(氣泡直徑取500Lm)自器壁進(jìn)入中心氣核實(shí)現(xiàn)分離在軸向上穿過(guò)的距離$Zb,顯然液相空間的高度應(yīng)不小于$Zb。213入口管結(jié)構(gòu)及入口噴嘴入口管傾角取-27b,管長(zhǎng)取110115m,入口直徑的選取