CN104148196B - 一种柱状气液旋流分离器入口整流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状气液旋流分离器入口整流装置，采用扩径缓冲加螺旋下倾的入口整流管设计，包括依次相连接的扩径缓冲管、大角度弯管、螺旋下倾管、渐缩喷嘴。本发明的技术效果是当段塞流通过竖直方向上的扩径缓冲段时气液相混合加剧的同时液塞的速度与长度都明显降低，使得液塞强度大幅下降，变的易于耗散；进入螺旋下倾段以后，在离心力与重力的双重作用下强制将段塞流转化为分层流，实现气液两相的预分离；最后经过整流管出口的渐缩喷嘴使气液两相加速切向进入柱状旋流分离器进行旋流分离。利用本发明可以对现有的柱状旋流分离器进行技术改造，大幅度提高柱状旋流分离器的分离效率，为油气田创造更大的经济效益；将其应用至深海海底油气田，可以为深海油气田的开发提供技术支持。

Description

一种柱状气液旋流分离器入口整流装置

技术领域

本发明涉及一种高效的柱状气液旋流分离器入口整流装置，属于气液旋流分离器与多相流动技术领域。

背景技术

柱状气液旋流分离器(Gas-LiquidCylindricalCyclone，简称GLCC)结构简单紧凑、能耗低、质量轻、维护方便、便于建造与安装，近年来得到了广泛应用。通用的GLCC入口结构为气液混合来流经过立管（立管上有扩径）之后经下倾管切向进入气液柱状旋流分离器，GLCC入口结构决定了分离器的入口气液相分布及气液相切向入口速度的大小，是影响GLCC分离特性的关键因素之一。由于气液相流速的不同，多相流体在入口管内可能呈现分层流、段塞流、环装液雾流等多种流型。Kouba[KoubaG.E.,ShohamO.,ShiraziS..DesignandPerformanceofGas-LiquidCycloneSeparators[C].Proc.,theBHRGroup7thInternationalMeetingonMultiphaseFlow,Cannes,France:June7-9,1995.]实验研究表明，入口管向下倾斜有利于分层流的形成，在很大程度上改善气液分离效果，扩展柱状气液旋流分离器的适用范围，实验表明垂直结构入口的GLCC高效运行范围大约是入口结构为倾斜结构的一半。值得提出的是，Mathiravedu[MathiraveduR.S..ControlSystemDevelopmentandPerformanceEvaluationofLLCCSeparators[D].Tulsa,Oklahoma.TheUniversityofTulsa,2001.]通过实验证明，对于柱状液液旋流分离器（LLCC），水平入口对应分离性能要优于倾斜入口。Gomez&Mohan[GomezL.,MohanR.,ShohamO.etal.AspectRatioModelingandDesignprocedureforGLCCCompactSeparators[J].ASMETransactions,JournalofEnergyResourcesTechnology,1999,121(1).]认为向下倾斜的入口结构使得经过初步分离的液相在入口下方旋转一周后形成旋流场，避免了气相上升运动的干扰，水平入口的GLCC起泡现象更为严重，同时液滴沉降区的液环明显增多，入口管的下倾角度在25°~30°之间为宜。Kouba[KoubaG.E.&O.Shoham.AnUpdateofGas-LiquidCylindricalCyclone(GLCC)Technology[R].IBCConference,Houston,Texas,1997.]通过观察认为最佳入口下倾倾角度约为27°，管长宜取1.0~1.5m，应注意，增加入口管长度有利于工况的稳定，但受安装空间的限制。GLCC的入口管一般采用下倾直管的形式，螺旋下倾管的应用较少[C.Deuel&Y.D.Chin.FieldValidationandLearningoftheParquedasConchas(BC-10)SubseaProcessingSystemandFlowAssuranceDesign[J].OffshoreTechnologyConference,2011]。GLCC入口管的管径设计准则一般基于Taitel&Dukler[TaitelY.&A.E.Dukle.AModelforPredictingFlowRegimeTransitioninHorizontalandNearHorizontalGas-LiquidFlow[J].AIChEJ.,1975.]分层流转变至段塞流或环状流的判别准则。通用的GLCC入口整流管受安装空间的限制下倾管的距离较短，在有限的下倾长度上难以实现液塞的平稳耗散；同时下倾管中的气液界面与喷嘴壁面相互垂直，对分离器筒体造成持续冲击。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种柱状气液旋流分离器入口整流装置，它可以在更大的气液相速度范围内有效实现气液段塞来流向分层流动的转化，从而更加有效地提高气液来流的预分离效果，为柱状旋流分离器提供更加平稳的入口来流，扩展柱状旋流分离器的适用范围。

本发明在柱状旋流分离器入口有限的安装空间内，采用扩径缓冲+螺旋下倾的入口整流管设计理念，使油气水三相段塞来流在有限的流动距离上转化为分层流动，在进行气液两相预分离的同时为分离器柱状旋流分离器旋流分离段提供最佳的入口条件，扩展柱状旋流分离器的适用范围。

本发明的基本原理是当段塞流通过竖直方向上的扩径缓冲管时气液相混合加剧的同时液塞的速度与长度都明显降低，使得液塞强度大幅下降，变的易于耗散；进入螺旋下倾管以后，在离心力与重力的双重作用下强制将段塞流转化为分层流，实现气液两相的预分离；最后经过整流管出口的渐缩喷嘴使气液两相加速切向进入柱状旋流分离器进行旋流分离。

本发明具体的技术方案如下：

本发明为一两端开口的弯管，包括依次相连接的扩径缓冲管、大角度弯管、螺旋下倾管、渐缩喷嘴，扩径缓冲管采用渐扩设计，为实现液塞的平稳过渡，减少气液两相的混合以及油水的剪切乳化，扩径角度不大于15°，且保证扩径之后的立管段容积可以容纳一个液塞的液量；大角度弯管作为立管（扩径缓冲管）与螺旋管（螺旋下倾管）的连接构件，为保证本部分液塞的平缓流动，减少气液两相的混合以及油水的剪切乳化，采用大角度弯管进行过渡，大角度弯管包括弯曲角度77°竖直连接弯管和弯曲角度40°水平连接弯管；渐缩喷嘴的渐缩曲面采用平滑的圆弧面设计，喷嘴弧面半径取螺旋半径，喷嘴长度取2~5倍的螺旋管径，使得加速过程更加平稳；螺旋下倾管是本设计的核心，采用两段设计，为保证连接处的光滑过渡，两段螺旋管倾斜角度相同，采用27°的螺旋倾角，两段管道的螺旋直径不同，这样可以实现螺旋管不同部位离心力的有效控制的同时便于配管的合理布置，前方的螺旋管采用较大的螺旋直径，这样在1/4圈的旋转角度上极大的增加了螺旋管长度，后方的螺旋管采用较小的螺旋直径，这样在1/2圈的旋转角度上平滑实现了分层流界面角度向竖直方向的转化，为进入柱状旋流结构创造良好的分层流界面条件；我们将Taitel&Dukler[TaitelY.&A.E.Dukle.AModelforPredictingFlowRegimeTransitioninHorizontalandNearHorizontalGas-LiquidFlow[J].AIChEJ.,1975.]段塞流向分层流转变的转变准则作考虑了离心力效应的改进之后进行扩径缓冲管之后的管径（螺旋下倾管的管径）以及螺旋直径的设计，管内液体流量较大、管内液位较高时，气流吹起的液波波幅高达至管顶，当阻塞气体流通面积时，就由分层流转变为段塞流。相反，液体流量较小、液面较低时，管内液量不足以阻塞管路时，液体被气流吹向管壁，并有部分液体被气流吹散成液雾夹杂在气流中，形成环状液雾流。将流动参数转化为无量纲参数时，长度的参比变量为管径d，面积的参比变量为d²，气液相的参比变量为ω_sl和ω_sg，都以上标“~”表示。判别方程为：

(1)

动量方程为：

(2)

式中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

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(12)

(13)

(14)

为了将下倾直管的设计准则应用于螺旋下倾管，对式中的加速度项a进行修正，设螺旋管的曲率直径为D，则由于离心力的作用液相所受到的加速度为：

(15)

对重力加速度g和向心加速度a₁进行合成后得到表观加速度为：

(16)

此处流体速度采用液相真实速度。

持液率与管内液位高度的关系如下：

(17)

各式中下标i表示相间，S为湿周。以上各式参数说明如下：

X²为洛-马参数；Y为无因次参数，表示管道倾角的影响，两者可由流体物性与管道参数直接求得，紊流状态下的C_l=C_g=0.184，n=m=0.2。各式中无因次参数都是无因次数（管内液位高度与管径之比）的函数。

在对螺旋管进行设计时，利用以上设计准则通过编程计算螺旋下倾管的结构参数，并考虑入口整流模块与柱状旋流分离器的整体匹配，从计算结果所得合适几何参数区间范围内筛选出螺旋下倾管管径、螺旋直径。

本发明的优点为整流管内部不采用任何内部构件，可以保证其永久无故障运行；扩径缓冲管与螺旋弯管之间的缓冲空间实现了段塞流的有效缓冲；在有限的安装空间内采用螺旋弯管的形式，成倍的增加了入口管下倾段的长度；螺旋管自生的离心力场有效的促进了液塞的耗散且使分层流动界面呈一定倾斜角度进入柱状旋流分离器，提高了分离效率；渐缩喷嘴实现了气液两相的平稳加速，避免了对柱状旋流分离器的冲击。本发明的有益效果是，可以利用本发明对现有的柱状旋流分离器进行技术改造，在不改变原有安装方式，不占用额外的安装空间的前提下大幅度的提高柱状气液旋流分离器的分离效率，为油田创造更大的经济效益；利用本发明设计全新的更高效的柱状旋流类分离器，将其应用范围扩展至深海海底油气田作为深海海底分离器，为深海油气田的开发提供技术支持。

附图说明

图1是本发明侧视结构示意图。

图2是本发明俯视结构示意图。

图3是本发明扩径缓冲管结构示意图。

图4是本发明大角度弯管结构示意图。

图5是本发明螺旋下倾管侧视结构示意图。

图6是本发明螺旋下倾管俯视结构示意图。

图7是本发明渐括喷嘴示意图。

图8是本发明与GLCC配合图。

其中，图1、图2中：1-扩径缓冲管，2-大角度弯管，3-螺旋下倾管，4-渐缩喷嘴；图3中：5-扩径头，6-缓冲立管；图4中：7-竖直连接弯管，8-水平连接弯管；图5、图6中：9-小曲率螺旋下倾段，10-大曲率螺旋下倾段；图8中：11-气液柱状旋流分离器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的结构布局、运行流程及创新之处做进一步说明。

参见附图1、附图2，本发明结合了扩径缓冲构件和螺旋下倾管的优点，主要分为扩径缓冲降速部分和螺旋下倾管液塞耗散部分，包括扩径缓冲管1、大角度弯管2、螺旋下倾管3、渐缩喷嘴4。

参见附图3，本发明的扩径缓冲管1包括扩径头5、缓冲立管6。为实现液塞的平稳过渡，减少气液两相的混合以及油水的剪切乳化，缓冲立管6的缓冲空间为16倍的管径，扩径角度15°；缓冲立管容积要容纳一个液塞。

参见附图4，本发明的大角度弯管2包括竖直连接弯管7、水平连接弯管8。采用两段圆弧进行过渡，竖直连接弯管7弯曲角度77°，水平连接弯管8弯曲角度40°，大角度弯管2作为立管段与螺旋管段的连接构件，可以保证本部分液塞的平缓流动，减少气液两相的混合以及油水的剪切乳化。

参见附图5、附图6，本发明的螺旋下倾管3包括小曲率螺旋下倾段9、大曲率螺旋下倾段10。下倾管3的倾角27°。小曲率螺旋管段9旋转1/4圈，较小的曲率半径的增加了该段的实际长度，大曲率螺旋下倾段10旋转1/2圈，较大的曲率半径的增加了该段的离心力，实现了分层流动界面的竖直转向。

参见附图7，本发明的渐缩喷嘴4渐缩曲面采用平滑的圆弧面设计，弧面半径取螺旋半径，喷嘴长度为3倍的螺旋管径。

如图8所示，本发明的工作过程为：油气水混合段塞流经立管段进入扩径缓冲管1，气液相混合加剧的同时液塞的速度与长度都明显降低，使得液塞强度大幅下降，变的易于耗散；缓冲之后的液塞经大角度弯管2平缓进入螺旋下倾管3，在离心力与重力的双重作用下强制将段塞流转化为分层流，实现气液两相的预分离；最后经渐缩喷嘴4加速进入气液柱状旋流分离器。

Claims (5)

1.一种柱状气液旋流分离器入口整流装置，其特征是它包括依次相连的扩径缓冲管（1）、大角度弯管（2）、螺旋下倾管（3）、渐缩喷嘴（4），所述扩径缓冲管（1）采用渐扩设计，扩径角度不大于15°，且保证扩径之后的立管段容积可以容纳一个液塞的液量；所述大角度弯管（2）作为扩径缓冲管（1）与螺旋下倾管（3）的连接构件，包括竖直连接弯管（7）、水平连接弯管（8）；所述渐缩喷嘴（4）的渐缩曲面采用平滑的圆弧面设计，喷嘴弧面半径取螺旋半径，喷嘴长度取2-5倍的螺旋管径；所述螺旋下倾管（3）采用两段设计，分别为小曲率螺旋下倾段（9）和大曲率螺旋下倾段（10）。

2.根据权利要求1所述的整流装置，其特征是所述扩径缓冲管（1）包括依次相连接的扩径头（5）和缓冲立管（6）。

3.根据权利要求1所述的整流装置，其特征是所述竖直连接弯管（7）弯曲角度77°，水平连接弯管（8）弯曲角度40°。

4.根据权利要求1所述的整流装置，其特征是所述小曲率螺旋下倾段（9）旋转1/4圈，大曲率螺旋下倾段（10）旋转1/2圈。

5.根据权利要求1所述的整流装置，其特征是所述螺旋下倾管（3）倾角27°。