一種柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置，采用擴(kuò)徑緩沖加螺旋下傾的入口整流管設(shè)計，包括依次相連接的擴(kuò)徑緩沖管、大角度彎管、螺旋下傾管、漸縮噴嘴。本發(fā)明的技術(shù)效果是當(dāng)段塞流通過豎直方向上的擴(kuò)徑緩沖段時氣液相混合加劇的同時液塞的速度與長度都明顯降低，使得液塞強(qiáng)度大幅下降，變的易于耗散；進(jìn)入螺旋下傾段以后，在離心力與重力的雙重作用下強(qiáng)制將段塞流轉(zhuǎn)化為分層流，實現(xiàn)氣液兩相的預(yù)分離；最后經(jīng)過整流管出口的漸縮噴嘴使氣液兩相加速切向進(jìn)入柱狀旋流分離器進(jìn)行旋流分離。利用本發(fā)明可以對現(xiàn)有的柱狀旋流分離器進(jìn)行技術(shù)改造，大幅度提高柱狀旋流分離器的分離效率，為油氣田創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益；將其應(yīng)用至深海海底油氣田，可以為深海油氣田的開發(fā)提供技術(shù)支持。
【專利說明】一種柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高效的柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置，屬于氣液旋流分離器與多相流動【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]柱狀氣液旋流分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone,簡稱GLCC)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、能耗低、質(zhì)量輕、維護(hù)方便、便于建造與安裝，近年來得到了廣泛應(yīng)用。通用的GLCC入口結(jié)構(gòu)為氣液混合來流經(jīng)過立管(立管上有擴(kuò)徑)之后經(jīng)下傾管切向進(jìn)入氣液柱狀旋流分離器，GLCC入口結(jié)構(gòu)決定了分離器的入口氣液相分布及氣液相切向入口速度的大小，是影響GLCC分離特性的關(guān)鍵因素之一。由于氣液相流速的不同，多相流體在入口管內(nèi)可能呈現(xiàn)分層流、段塞流、環(huán)裝液霧流等多種流型。Kouba[Kouba G.E., Shoham 0., Shirazi S..Design and Performance of Gas-Liquid Cyclone Separators[C].Proc., the BHRGroup 7th Internat1nal Meeting on Multiphase Flow, Cannes, France: June 7-9,1995.]實驗研究表明，入口管向下傾斜有利于分層流的形成，在很大程度上改善氣液分離效果，擴(kuò)展柱狀氣液旋流分離器的適用范圍，實驗表明垂直結(jié)構(gòu)入口的GLCC高效運行范圍大約是入口結(jié)構(gòu)為傾斜結(jié)構(gòu)的一半。值得提出的是，Mathiravedu[Mathiravedu R.S..Control System Development and Performance Evaluat1n of LLCC Separators[D].Tulsa, Oklahoma.The University of Tulsa, 2001.]通過實驗證明，對于柱狀液液旋流分離器(LLCC),水平入口對應(yīng)分離性能要優(yōu)于傾斜入口。Gomez & Mohan [Gomez L.,Mohan R., Shoham 0.et al.Aspect Rat1 Modeling and Design procedure forGLCC Compact Separators[J].ASME Transact1ns, Journal of Energy ResourcesTechnology, 1999，121 (I).]認(rèn)為向下傾斜的入口結(jié)構(gòu)使得經(jīng)過初步分離的液相在入口下方旋轉(zhuǎn)一周后形成旋流場，避免了氣相上升運動的干擾，水平入口的GLCC起泡現(xiàn)象更為嚴(yán)重，同時液滴沉降區(qū)的液環(huán)明顯增多，入口管的下傾角度在25°?30°之間為宜。Kouba[Kouba G.E.&0.Shoham.An Update of Gas-Liquid Cylindrical Cyclone(GLCC)Technology [R].1BC Conference, Houston, Texas, 1997.]通過觀察認(rèn)為最佳入口下傾傾角度約為27°，管長宜取1.(Tl.5m，應(yīng)注意，增加入口管長度有利于工況的穩(wěn)定，但受安裝空間的限制。GLCC的入口管一般采用下傾直管的形式，螺旋下傾管的應(yīng)用較少[C.Deuel& Y.D.Chin.Field Validat1n and Learning of the Parque das Conchas (BC-1O)Subsea Processing System and Flow Assurance Design[J].0ffshore TechnologyConference, 2011]。GLCC 入口管的管徑設(shè)計準(zhǔn)則一般基于 Taitel & Dukler [Taitel Y.&A.E.Dukle.A Model for Predicting Flow Regime Transit1n in Horizontal andNear Horizontal Gas-Liquid Flow[J].AIChE J., 1975.]分層流轉(zhuǎn)變至段塞流或環(huán)狀流的判別準(zhǔn)則。通用的GLCC入口整流管受安裝空間的限制下傾管的距離較短，在有限的下傾長度上難以實現(xiàn)液塞的平穩(wěn)耗散；同時下傾管中的氣液界面與噴嘴壁面相互垂直，對分離器筒體造成持續(xù)沖擊。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置，它可以在更大的氣液相速度范圍內(nèi)有效實現(xiàn)氣液段塞來流向分層流動的轉(zhuǎn)化，從而更加有效地提高氣液來流的預(yù)分離效果，為柱狀旋流分離器提供更加平穩(wěn)的入口來流，擴(kuò)展柱狀旋流分離器的適用范圍。
[0004]本發(fā)明在柱狀旋流分離器入口有限的安裝空間內(nèi)，采用擴(kuò)徑緩沖+螺旋下傾的入口整流管設(shè)計理念，使油氣水三相段塞來流在有限的流動距離上轉(zhuǎn)化為分層流動，在進(jìn)行氣液兩相預(yù)分離的同時為分離器柱狀旋流分離器旋流分離段提供最佳的入口條件，擴(kuò)展柱狀旋流分離器的適用范圍。
[0005]本發(fā)明的基本原理是當(dāng)段塞流通過豎直方向上的擴(kuò)徑緩沖管時氣液相混合加劇的同時液塞的速度與長度都明顯降低，使得液塞強(qiáng)度大幅下降，變的易于耗散；進(jìn)入螺旋下傾管以后，在離心力與重力的雙重作用下強(qiáng)制將段塞流轉(zhuǎn)化為分層流，實現(xiàn)氣液兩相的預(yù)分離；最后經(jīng)過整流管出口的漸縮噴嘴使氣液兩相加速切向進(jìn)入柱狀旋流分離器進(jìn)行旋流分離。
[0006]本發(fā)明具體的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明為一兩端開口的彎管，包括依次相連接的擴(kuò)徑緩沖管、大角度彎管、螺旋下傾管、漸縮噴嘴，擴(kuò)徑緩沖管采用漸擴(kuò)設(shè)計，為實現(xiàn)液塞的平穩(wěn)過渡，減少氣液兩相的混合以及油水的剪切乳化，擴(kuò)徑角度不大于15°，且保證擴(kuò)徑之后的立管段容積可以容納一個液塞的液量；大角度彎管作為立管(擴(kuò)徑緩沖管)與螺旋管(螺旋下傾管)的連接構(gòu)件，為保證本部分液塞的平緩流動，減少氣液兩相的混合以及油水的剪切乳化，采用大角度彎管進(jìn)行過渡，大角度彎管包括彎曲角度77°豎直連接彎管和彎曲角度40°水平連接彎管；漸縮噴嘴的漸縮曲面采用平滑的圓弧面設(shè)計，噴嘴弧面半徑取螺旋半徑，噴嘴長度取2飛倍的螺旋管徑，使得加速過程更加平穩(wěn)；螺旋下傾管是本設(shè)計的核心，采用兩段設(shè)計，為保證連接處的光滑過渡，兩段螺旋管傾斜角度相同，采用27°的螺旋傾角，兩段管道的螺旋直徑不同，這樣可以實現(xiàn)螺旋管不同部位離心力的有效控制的同時便于配管的合理布置，前方的螺旋管采用較大的螺旋直徑，這樣在1/4圈的旋轉(zhuǎn)角度上極大的增加了螺旋管長度，后方的螺旋管采用較小的螺旋直徑，這樣在1/2圈的旋轉(zhuǎn)角度上平滑實現(xiàn)了分層流界面角度向豎直方向的轉(zhuǎn)化，為進(jìn)入柱狀旋流結(jié)構(gòu)創(chuàng)造良好的分層流界面條件；我們將Taitel &Dukler[Taitel Y.&A.E.Dukle.A Model for Predicting Flow Regime Transit1n inHorizontal and Near Horizontal Gas-Liquid Flow[J].AIChE J., 1975.]段塞流向分層流轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則作考慮了離心力效應(yīng)的改進(jìn)之后進(jìn)行擴(kuò)徑緩沖管之后的管徑(螺旋下傾管的管徑)以及螺旋直徑的設(shè)計，管內(nèi)液體流量較大、管內(nèi)液位較高時，氣流吹起的液波波幅高達(dá)至管頂，當(dāng)阻塞氣體流通面積時，就由分層流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?。相反，液體流量較小、液面較低時，管內(nèi)液量不足以阻塞管路時，液體被氣流吹向管壁，并有部分液體被氣流吹散成液霧夾雜在氣流中，形成環(huán)狀液霧流。將流動參數(shù)轉(zhuǎn)化為無量綱參數(shù)時，長度的參比變量為管徑^面積的參比變量為#，氣液相的參比變量為和，都以上標(biāo)“表示。判別方程為:F2 ^>1(I)
(ι_ V if 4
動量方程為:
Γ~*|f ri\
Jf2+ (^Γ ω]? —ml ^- + S+J- -47 = 0⑵
L(fU 4 ΛJJ
式中:
mrw I~pw
F =.......j....!.....J—~L(3)
%/da cos θ V P1- pg
H Qfh-D2(4)
?I
Sg=AfAs(5)
Ai(6)
A = Aid2(7)
Ag = 0.25 arccos (2.? — I) —(2.? -1) jl: (2? 4)(8)
Ai = 0.25 π- arccos ^2Ax -1) + (2? -(9)
S1 = /r-arccos (2?-1)(10)
Sg = arccos (2?-1)(11)
h =hid (12)
Q.Pl^ Si
HJ — (Φ^^ΙΙ,、
Jf--- — -(13)
Cg m5Sd j Pg^5g {dp I al、g
Y _ (.Pi — Pg) g sniff _ (P1- pg)g Sm Θ
Cg 廣 0sgd) M ps0\jg (dpidl)s(14)
d K °s J ^
為了將下傾直管的設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用于螺旋下傾管，對式中的加速度項a進(jìn)行修正，設(shè)螺旋管的曲率直徑為久則由于離心力的作用液相所受到的加速度為:ax = 2(?2 / D(15)
對重力加速度g和向心加速度進(jìn)行合成后得到表觀加速度為: 脖丫+g2(16)
此處流體速度采用液相真實速度。
[0007]持液率與管內(nèi)液位高度的關(guān)系如下:
Al為
arccos (1- 2 ―) - — sm 2arccos(l- 2—) =πΗτ(17)
d 2 L
各式中下標(biāo)i表示相間，S為濕周。以上各式參數(shù)說明如下:
f為洛-馬參數(shù)；7為無因次參數(shù)，表示管道傾角的影響，兩者可由流體物性與管道參數(shù)直接求得，紊流狀態(tài)下的G=G=0.184,/7=?=0.2。各式中無因次參數(shù)都是無因次數(shù)
k￡=k￡fd (管內(nèi)液位高度與管徑之比)的函數(shù)。
[0008]在對螺旋管進(jìn)行設(shè)計時，利用以上設(shè)計準(zhǔn)則通過編程計算螺旋下傾管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并考慮入口整流模塊與柱狀旋流分離器的整體匹配，從計算結(jié)果所得合適幾何參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi)篩選出螺旋下傾管管徑、螺旋直徑。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點為整流管內(nèi)部不采用任何內(nèi)部構(gòu)件，可以保證其永久無故障運行；擴(kuò)徑緩沖管與螺旋彎管之間的緩沖空間實現(xiàn)了段塞流的有效緩沖；在有限的安裝空間內(nèi)采用螺旋彎管的形式，成倍的增加了入口管下傾段的長度；螺旋管自生的離心力場有效的促進(jìn)了液塞的耗散且使分層流動界面呈一定傾斜角度進(jìn)入柱狀旋流分離器，提高了分離效率；漸縮噴嘴實現(xiàn)了氣液兩相的平穩(wěn)加速，避免了對柱狀旋流分離器的沖擊。本發(fā)明的有益效果是，可以利用本發(fā)明對現(xiàn)有的柱狀旋流分離器進(jìn)行技術(shù)改造，在不改變原有安裝方式，不占用額外的安裝空間的前提下大幅度的提高柱狀氣液旋流分離器的分離效率，為油田創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益；利用本發(fā)明設(shè)計全新的更高效的柱狀旋流類分離器，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展至深海海底油氣田作為深海海底分離器，為深海油氣田的開發(fā)提供技術(shù)支持。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明擴(kuò)徑緩沖管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明大角度彎管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖5是本發(fā)明螺旋下傾管側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖6是本發(fā)明螺旋下傾管俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖7是本發(fā)明漸括噴嘴示意圖。
[0017]圖8是本發(fā)明與GLCC配合圖。
[0018]其中，圖1、圖2中:1-擴(kuò)徑緩沖管，2-大角度彎管，3-螺旋下傾管，4-漸縮噴嘴；圖3中:5_擴(kuò)徑頭，6-緩沖立管；圖4中:7_豎直連接彎管，8-水平連接彎管；圖5、圖6中:9-小曲率螺旋下傾段，10-大曲率螺旋下傾段；圖8中:11-氣液柱狀旋流分離器。

【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)布局、運行流程及創(chuàng)新之處做進(jìn)一步說明。
[0020]參見附圖1、附圖2，本發(fā)明結(jié)合了擴(kuò)徑緩沖構(gòu)件和螺旋下傾管的優(yōu)點，主要分為擴(kuò)徑緩沖降速部分和螺旋下傾管液塞耗散部分，包括擴(kuò)徑緩沖管1、大角度彎管2、螺旋下傾管3、漸縮噴嘴4。
[0021]參見附圖3，本發(fā)明的擴(kuò)徑緩沖管I包括擴(kuò)徑頭5、緩沖立管6。為實現(xiàn)液塞的平穩(wěn)過渡，減少氣液兩相的混合以及油水的剪切乳化，緩沖立管6的緩沖空間為16倍的管徑，擴(kuò)徑角度15° ;緩沖立管容積要容納一個液塞。
[0022]參見附圖4，本發(fā)明的大角度彎管2包括豎直連接彎管7、水平連接彎管8。采用兩段圓弧進(jìn)行過渡，豎直連接彎管7彎曲角度77°，水平連接彎管8彎曲角度40°，大角度彎管2作為立管段與螺旋管段的連接構(gòu)件，可以保證本部分液塞的平緩流動，減少氣液兩相的混合以及油水的剪切乳化。
[0023]參見附圖5、附圖6，本發(fā)明的螺旋下傾管3包括小曲率螺旋下傾段9、大曲率螺旋下傾段10。下傾管3的傾角27°。小曲率螺旋管段9旋轉(zhuǎn)1/4圈，較小的曲率半徑的增加了該段的實際長度，大曲率螺旋下傾段10旋轉(zhuǎn)1/2圈，較大的曲率半徑的增加了該段的離心力，實現(xiàn)了分層流動界面的豎直轉(zhuǎn)向。
[0024]參見附圖7，本發(fā)明的漸縮噴嘴4漸縮曲面采用平滑的圓弧面設(shè)計，弧面半徑取螺旋半徑，噴嘴長度為3倍的螺旋管徑。
[0025]如圖8所示，本發(fā)明的工作過程為:油氣水混合段塞流經(jīng)立管段進(jìn)入擴(kuò)徑緩沖管1，氣液相混合加劇的同時液塞的速度與長度都明顯降低，使得液塞強(qiáng)度大幅下降，變的易于耗散；緩沖之后的液塞經(jīng)大角度彎管2平緩進(jìn)入螺旋下傾管3，在離心力與重力的雙重作用下強(qiáng)制將段塞流轉(zhuǎn)化為分層流，實現(xiàn)氣液兩相的預(yù)分離；最后經(jīng)漸縮噴嘴4加速進(jìn)入氣液柱狀旋流分離器。
【權(quán)利要求】
1.一種柱狀氣液旋流分離器入口整流裝置，其特征是它包括依次相連的擴(kuò)徑緩沖管(I)、大角度彎管(2)、螺旋下傾管(3)、漸縮噴嘴(4)，所述擴(kuò)徑緩沖管(I)采用漸擴(kuò)設(shè)計，擴(kuò)徑角度不大于15°，且保證擴(kuò)徑之后的立管段容積可以容納一個液塞的液量；所述大角度彎管(2)作為擴(kuò)徑緩沖管(I)與螺旋下傾管(3)的連接構(gòu)件，包括豎直連接彎管(7)、水平連接彎管(8);所述漸縮噴嘴(4)的漸縮曲面采用平滑的圓弧面設(shè)計，噴嘴弧面半徑取螺旋半徑，噴嘴長度取2-5倍的螺旋管徑；所述螺旋下傾管(3)采用兩段設(shè)計，分別為小曲率螺旋下傾段(9)和大曲率螺旋下傾段(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流裝置，其特征是所述擴(kuò)徑緩沖管(I)包括依次相連接的擴(kuò)徑頭(5)和緩沖立管(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的整流裝置，其特征是所述緩沖立管(6)段的緩沖空間為16-18倍的管徑，擴(kuò)徑角度為10-15°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的整流裝置，其特征是所述緩沖立管(6)段擴(kuò)徑角度為15°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流裝置，其特征是所述豎直連接彎管(7)彎曲角度77°，水平連接彎管(8)彎曲角度40°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流裝置，其特征是所述小曲率螺旋下傾段(9)旋轉(zhuǎn)1/4圈，大曲率螺旋下傾段(10)旋轉(zhuǎn)1/2圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整流裝置，其特征是所述螺旋下傾管(3)傾角27°。
【文檔編號】B04C5/04GK104148196SQ201410376748
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月2日
【發(fā)明者】羅小明, 王以斌, 何利民, 王立滿 申請人:中國石油大學(xué)(華東)