新型管柱式旋流气液分离器的设计与应用

新型管柱式旋流气液分离器的设计与应用曹学文林宗虎(西安交通大学)黄庆宣寇杰(石油大学(山东))王胜利(大庆油田设计院)摘要管柱式旋流气液分离器是依靠旋流离心力来实现气液分离的。建立了旋流分离模型,依据分离模型开发了管柱式旋流分离器的设计模拟软件。管柱式旋流分离器与传统容器式分离器相比,具有结构紧凑、重量轻、节省投资的优点,是替代传统容器式分离器的新型分离装置。的入口结构通常为垂直于筒体的结构(目前很多分离器采用的分气包亦为类似结构),采用垂直结构的管柱式旋流分离器实验证明,与倾斜向下的入口结构相比,气液分离效果明显变差,工作范围大约减小一半。入口管向下倾斜,在重力作用下有利于形成分层流,实现气液两相的初步分离,同时,向下的倾斜结构使经过初步分离的液相在入口下方旋转一圈后形成旋流场,避免了对气相向分离器上方目前管柱式旋流气液分离器主要应用于凝析气生产系统的气液分离,实际上它还有非常广泛的用途,通过管柱式旋流分离器控制生产系统的气油比,可以大大改善多相流量计、多相泵、放空天然气涤气器、液塞捕集器和容器式分离器等装置的工作性能。该装置甚至可实现海底和井下分离操作。对管柱式旋流气液分离器分离特性认识的不足,限制了管柱式旋流分离器的推广应用。本文研究的重点就是总结分析管柱式旋流分离器的室内实验和现场应用数据,建立描述管柱式旋流分离器的机理模型,预测管柱式旋流分离器的分离性能,探索管柱式旋流分离器的设计方法。式中运动的阻塞。入口管倾角以-27b为宜,管长取110~115m,入口管直径的选取应保证流型为分层流,由Taitel&Dukler预测模型确定,分层流转变为间歇流或环状流的判别准则为F2XgdAl/dhl\1C22Aghldin2C2=1-h=1-F=dAldhlXsggl-QgdingcosH=1-(2hl-1)221.管柱式旋流分离器的分离模型111入口流动模型由于管柱式旋流分离器主要依靠旋流产生的离心力实现气液的高效分离,而入口结构决定了分离器的气液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口结构和尺寸是影响管柱式旋流分离器实现气液分离的关键因素。管柱式旋流分离器入口主要由入口管、喷嘴和入口槽3部分组成。(1)入口管分析。气液相流速的不同,油气两相或油气水多相流在入口管内可能呈现分层流、段塞流、分散气泡流或环状流等多种流型。实验研究表明,采用向下倾斜的入口管,保证入口管流型呈现分层流将在很大程度上改善气液分离效果,扩展管柱式旋流分离器的适用范围。而传统分离器采用20期(.11)*Xg=A/AgA=A/dinAg=0125[cos(2hl-1)-(2hl-1)-11-(2hl-1)]2式中din为入口管直径,A是它的横截面积,hl是无量纲液位高。迭代求解准则方程,din和hl作为迭代参量,直至准则方程左端小于1,din即为满足分层流条件最小入口管直径。(2)入口喷嘴分析。喷嘴是入口段最后一个影响进入分离器气液相流速分布和入口切向流速大小的因素。通过对3种不同入口开槽结构(矩形、同心圆形及新月形)的初步实验发现,同心圆形喷嘴X国家自然科学基金重大项目(59995460)/(缩口管)结构的分离特性最差,而矩形结构喷嘴的分离效果最佳,新月形结构喷嘴的分离效果与矩形喷嘴接近,由于矩形槽结构加工困难,推荐采用新月形结构。入口喷嘴面积的选取应保证入口液相流速在415610m/s之间。液相流速过小将难以发挥旋流离心分离的作用,但液相流速过大将形成过高的漩涡区,在筒体中过早出现气相夹带液滴和液相夹带气泡现象,影响分离效果。112平衡液位控制模型管柱式旋流分离器具有多种用途,这里重点考察用于计量的分离器工况,见图1。油气两相流或令气液相管路的压力损失相等得平衡液面Ll1=5l-5g+QlgLl3-Qgg(Lin+Lg1-Lg3)QlTl1fl1g(Ql-Qg)-2D1113气泡轨迹模型在管柱式旋流分离器入口下方形成的旋流场使得气相和液相依靠离心力实现分离。液相向分离器壁面运动而气泡向中心线运动。研究气泡的运动轨迹可以了解气泡的分离情况,完善管柱式旋流分离器。气泡要么被液相夹带流向液相出口,要么进入中心气核从液相中分出。径向上气泡受离心力和阻力的相互作用,假设气泡局部受力平衡,可得径向速度分布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为液相入口切向流速,r/Rs为气泡径向位置与分离器半径的比,m和n是指数,取019。Db是气泡的直径,Turton和Levenspie建议阻力系数为图1GLCC平衡液面计算简图油气水三相流进入管柱式旋流分离器分为气液两相,使用单相流量计即可实现气液相流量的计量,计量后再汇合。气液分离愈彻底,愈有利于计量精度的提高。分离器内液位的控制对分离特性影响很大。正常工况下,分离筒体内的液位应保持在入口以下,以避免气体流经下部液相区出现气相夹带液滴现象。同时,该液位还应足够高,以避免液相夹带气泡和液相出口管气泡析出影响计量精度。依据压力平衡,忽略气液相间的相互作用,气相和液相出口管的压差分别为$Pg=Qgg(Lg3-Lg1)-5g$Pl=Qlg(Ll1-Ll3)+Qgg(Lin-Ll1)-2fl1Ll1QlTl15l+2D101657Cd(r)=Re(r)+1+16300Re(r)(-1109)雷诺数Re(r)=Qm(r)Tbr(r)Dbl同理,平衡轴向所受的重力与阻力,由Stokes定理得出气泡的轴向速度为(Ql-Qg)DbTbz(r)=18Ll液相轴向速度为Tl,所以,对于一个较小的时间增量dt,气泡穿过的轴向距离为dz=Tl-vbz(r)drbr气泡在GLCC内穿过的整个轴向距离为$zb=式中5g和5l是气相和液相出口管路的压力损失,包括摩阻损失和管件局部损失两部分Ql5l=2Qg5g=i=2RsTl-Tbz(r)drbr(r)EEnniii+Diiii+Dii=1iEKiT2nl2.管柱式旋流分离器的工艺设计在实验研究的基础上,结合实践经验,依据本文提出的管柱式旋流分离器的分离模型,可以实现/i=1i=1EnKiTi2g206期(.)***无控制系统的计量用管柱式旋流分离器的设计。211分离器直径考虑分离器上部的气相分离部分,分离器直径的选取应避免气相中夹带液滴,以气相折算速度表示,即气相折算速度不能大于气流中出现液滴时的临界速度。气相临界速度是Tgcrit=213351RWe(Ql-Qg)2Qg0125入口槽选用新月形,入口喷嘴的截面积的确定应保证入口液相流速在4156m/s。214分离器出口管气液相出口管线的配置可根据气液相流量、配置仪表的要求确定。建议气相出口流速取3~30m/s,液相出口流速取112~12m/s。容器内平衡液位应低于入口013m,分离气液相的汇合点一般低于入口点013015m,以保持正的静水压头。若分离器配置控制系统,汇合点位置可以高于入口。针对以上设计过程开发完成了计算模拟软件,已知分离工况即可实现管柱式旋流气液分离器的工艺设计计算。式中We是无因次Weber数,它决定于液滴的尺寸,这里取值7。对于分离器入口以下的液相分离部分,应充分发挥离心分离特性,避免液相中夹带气泡。研究表明,保持液相入口切向流速Ttls和液相流速Tl的比为40时,旋流分离效果最佳。通常切向流速一般取6m/s,显然临界液相流速Tlcrit=0115m/s。这样,对于高气油比的分离工况,分离器直径dsep=4qggcrit径dsep=0153.管柱式旋流分离器应用简介管柱式旋流分离器是新型高效分离装置,在欧美陆上及海上油气田开发中已有多个成功应用的实例。归纳起来,主要有以下4类:(1)单相流量计计量用分离器,经管柱式旋流分离器分离后的气液相由单相流量计完成计量。(2)多相流流量计计量用分离器,对于高气油比工况,经过管柱式旋流分离器分出大部分气相,分出气相由单相流量计计量,含气率大大减小的液相经由多相流量计完成计量。(3)传统容器式分离器或液塞捕集器预分离装置,在原有容器式分离器或液塞捕集器的前面串联管柱式旋流分离器,为原有分离装置提供初步分离的平稳来流,提高原有分离装置的处理能力和分离效果。可作为现有容器式分离器的改造措施。(4)完全代替传统的分离器,节省占地、减少投资,对海洋油气田的开发具有重要意义。;对于低气油比的分离工况,分离器直0154ql。式中qg和ql分别是分离工况lcrit下气体流量和液体流量。212分离器高度以入口为界分离器分为上下两个部分。经过旋流离心分离,部分液体可能以旋流液膜的形式向上爬升或以液滴的形式随气流向上运动产生气相夹带液滴的现象。上半部分的高度应足够高,甚至在极端流型)段塞流工况下能够吸收液相流量的波动,避免气相夹带液滴的现象。参考传统立式分离器的沉降分离段的处理方法,结合现场应用经验,管柱式旋流分离器的上半部分高度一般取1~115m,当然严格的选取应依据液滴的轨迹确定。因此上部空间中液滴的运动轨迹是今后研究的重点之一。下部液相空间的高度选取,应保证液相在分离器内有足够的停留时间使气泡得以分出进入上部气相空间。根据实践经验,当筒体直径小于1英寸时,液相空间高度取1~115m。对于大直径的旋流分离器,应根据建立的气泡轨迹模型,求解气泡(气泡直径取500Lm)自器壁进入中心气核实现分离在轴向上穿过的距离$Zb,显然液相空间的高度应不小于$Zb。213入口管结构及入口喷嘴入口管倾角取-27b,管长取110115m,入口直径的选取