小型柱状气液旋流分离器的技术发展现状
赵立新 蒋明虎 李湛涛 译
(大庆石油学院机械系) (大庆石化总厂)
摘 要 目前的石油工业主要依靠常规容器式分离器来处理井口油 气 水采出
液。但经济性和操作压力条件不断要求其寻新型高效、低成本的小型分离器，特别是在海上油田。与容器式分离器相比，诸如柱状气 液旋流器(GLCC )等小型分离器具有结构简单、价格低廉、重量轻等特点，基本不需任何维护，而且易于安装及操作。然而，在GLCC 性能预测方面存在的不足限制了其推广应用范围。目前R&D 公司正在建立必要的性能预测工具，以便对GLCC 分离器进行合理地设计和操作。本文介绍了GLCC 的技术发展现状及其模拟、设计、目前已成功的及潜在的应用情况等。 主题词 旋流器 小型 分离 技术现状 模拟 应用
图1 GLCC 结构简 介
柱状气 液旋流器(GLCC )是带有倾斜切向入口和气体及液体出口的垂直管(见图1)。切向液流由入口进入GLCC 后形成的旋涡产生了作用于液体的离心力和浮力，其数值比重力要高出许多倍。重力、离心力和 浮力联合作用将气体和液体分离开。液体沿径向被推向外侧，并向下由液体出口排出；而气体则运动到中心，并向上由气体出口排出。这一低成本、重量轻的小型GLCC 分离器在替代常规容器式分离器方面具有很大的吸引力。最近针对一典型的油田应用，对GLCC 与常规容器形立式和卧式分离器在尺寸方
面的差别进行对比，油和气的流量分别为100000bbl d 和
70000Mscf d ，表压力为100psi 。在这种情况下，需要的
GLCC 的内径及高度尺寸分别是5ft 和20ft ，相当于同等
规模的常规立式分离器(9ft ×35ft )的一半左右，相当于
常规卧式分离器(19ft ×75ft )的四分之一左右。
GLCC 的操作受到两个因素的限制，即顶部气流中的
含液量及底部液流中的含气量。气流中出现液体的迹象表
明携带液体的开始，同样，底部液流中气泡的出现表示其
已开始携带气体。
对GLCC 进行准确性能预测的难度主要源于GLCC
内部复杂多变的流动形式。在入口上方的流动形式包括气
泡、断塞、搅动、雾状流和带状流。在入口下方的流动形式
由一个带有丝状气核的液体旋涡组成。在液面远低于入口
时，液体以涡流的形式由入口下落到旋涡当中。
在GLCC水力特性预测方面的困难阻碍了其应用范围的扩大。但即使没有进行性能预测方面的尝试及试验，也已经见到了几项GLCC成功应用的报导。可靠的性能预测工具的发展将通过结构改进对GLCC加以改善，并最终将决定着GLCC技术在现有的及新的油田应用中发展的速度和程度。
结 构 改 进
对不同形式的GLCC结构设计的系统研究进行得很少。目前实验室研究及计算机模拟表明,GLCC的结构改进对其性能可产生深远的影响。Kouba,G.E.和Shoham,O.在“A Re2 view of Gas2Liquid Cylindric
al Cyclone(GLCC)Technology”一文(发表于1996年国际IBC 采油分离系统会议)中对此进行了详细的讨论。下面对最新的重要结构改进做以总结。
1.入口设计
入口段结构决定着进入GLCC的气 液分布及其初始切向入口速度的大小。由于GLCC 的性能在很大程度上受切向入口速度的影响，因此入口段是GLCC重要的组成部分。
倾斜入口 常规立式分离器通常采用垂直的入口。对GLCC所做的最新研究表明，倾斜的入口通过两方面机理靠减少气流中液体的携带量改善了GLCC的性能。首先，入口向下倾斜使得在入口喷嘴处即发生分层现象及两相的初步分离。其次，向下倾斜结构使液流在入口下方旋转一周后形成旋涡，避免了对气体向GLCC上方运动的阻碍。
入口喷嘴 喷嘴是入口的最后一个影响进入GLCC的液流分布及切向速度的因素。切向入口喷嘴是GLCC加工中最昂贵的一个部件。已经对几种不同的喷嘴结构进行了试验，旨在高效地对其水力特性进行优化。其最佳结构是一个筒壁切向上的窄的矩形槽，这是很难加工的。另一方面，同心切向圆形入口易于加工，但性能要差一些。通过对三种具有相同截面积的不同入口开槽结构(矩形、同心圆形及新月形)进行前期试验，发现同心圆形喷嘴(缩口管)结构的性能最差，而新月形喷嘴的性能与矩形喷嘴接近。
双入口 双倾斜入口使入口液流实现预分离，形成底部富液流和顶部富气流。对双入口的试验表明，在低排气率或中等排气率时(在入口处形成断塞流到层状流)，气体中液体的携带量明显减少，而在高排气率时(在入口处形成环状流)改善不大。
2.GLCC主体结构
尽管GLCC的结构设计比较简单，但也有几种可能会影响其性能的结构改进。
入口位置 对于没有液位控制的GLCC，将入口段定位于靠近液面的上方是至关重要的。最新的许多试验都表明，单入口GLCC的最佳液面大约在距离入口下方1～3L d处。过低的液面，如距离入口处远大于3L d，会导致切向入口速度的过度衰减，影响GLCC的性能。如果液面高于入口，气体会通过液体而溢出，造成更多液体的携带。
最佳外形比 外形比是指GLCC的长径比。GLCC的尺寸影响其性能及造价。对于一个给定的直径,GLCC中入口上方的长度提供了液流扰动的容量，而入口下方的长度则决定了用于从液体中分离气泡的存留时间。另外，离心力和浮力的大小与直径成反比，切向速度衰减与长度成正比。由于这一现象的复杂性，最近才刚刚提出了一套决定最佳外形比的基本标准。
旋流体锥度 针对反锥型、正锥型和圆柱型旋流体进行的研究表明，对于气 液分离，圆柱
型旋流体要稍优于反锥型和正锥型结构。
3.液面控制
由于GLCC尺寸的小型化，并未提出针对各种流动状态对其进行液面控制。研究了几种不同的液面控制方案，包括气管线的流动控制、液管线的流动控制及同时对两条管线进行的流动控制等。并考虑了对气管线进行背压控制的同时对液管线进行液面控制。其它考虑的问题还包括动力需要、强度要求及成本等。
友商网在线会计已设计出几种不同形式的液面控制装置。例如，一个商用多相计量系统已经成功地应用了常规控制设备，通过控制GLCC排气比的大小对液面进行了精确的控制。另一比常规液面控制能耗低的项目利用GLCC中静水头的差值来操作控制系统。一项为了检验GLCC性能的最新研究采用了从动控制系统，只需液体流动能量，而无需额外的能量消耗。
将来研究工作的重点应当放在发展强度高的主动液面控制系统方面。由于小型分离器的较短的存留时间及对控制阀反应要求的快速性，因此不能对常规大型容器式分离器控制技术进行简单的扩展应用，必须使GLCC能够处理断塞、搅动及从纯气流到纯液流这样大范围的流量的变化。
4.整体分离系统
巨大的经济利益会使工业部门将采用小型分离系统替代常规重力式分离设备。根据具体应用的不同,GLCC可用于完全或不完全分离。不完全气体分离允许底流设备稍小一些(因此成本下降)并且效率更高。GLCC在与多相计量仪表、除砂器及液 液水力旋流器配合使用时可发挥出更大的效力。无论是单独工作还是与其它设备联合使用,GLCC都可以极大地降低成本及设备重量，这在设计及改进海洋平台时是特别重要的，因为那里所节省的平台造价会是分离器设备成本的许多倍。
另外一GLCC组合装置是两台GLCC的串联。一项理论研究工作成功地预测到气管线上的二级GLCC会改善其液体携带性能，直到出现曾被认为是理论性能极限的雾状流边界情况。发现在低液体含量时，液体所受的离心力将使操作边界超过已经提出的环雾流边界。
采用了一个带有二级水平管分离器的商用计量系统，该分离器可去除任何可能会沿着GLCC底流液体而排出的气泡。这使系统操作范围超过了用于完全气 液分离的GLCC的“正常”操作范围。
5.辅助结构改进
另外还考虑了几种其它潜在的改进技术，然而，由于其性能信息方面的不足乃至缺乏，使得我们在这里没有对它们加以讨论。其中包括变化的入口开槽面积及气体管线和液体管线的结构等。
模 拟
过去，对GLCC分离器的性能预测是在试验、经验及经验公式的基础上进行的。采用这些方法进行推断不同流动状态的和前所未有的应用时会受到一定的限制。目前正在努力建立用于GLCC的力学模型，正在研制计算机液体动态(CFD)模拟系统。
力学模型提供了进行GLCC设计及性能预测的实用方法。虽然采用了简化的、理想化的假设条件，但也能够掌握足够的问题变化基本规律，可以依此针对不同的流动状态进行内推及
外推。CFD 模拟可以详细地预测GLCC 内复杂的水力流动形态，包括流场、浓度分布、分散相粒子运移轨迹等。尽管这种模拟对单相流或稀释液流比较适用，但目前的模拟还不能处理广泛的复杂多变的多相流。另外，包括典型的GLCC 等大管路系统的CFD 模型的可操作性差，以至不能用于实际设计。
由于力学模型是高度简化的，它们不能象CFD 模型那样细致和精确。然而，力学模型也有许多优点：安装和计算快速，可以将整个系统进行模型化，适于PC 操作等。因此，这些模型比CFD 模型更适合于被工程师采用作为设计的工具。
1.力学模型
目前建立模型的最终目的是为了预测GLCC 两出口中气体含液量及液体含气量的范围。每个液流路径都有一套特定的方程，每个方程轨迹的起始点都是GLCC 中气 液的总体分布点，即平衡液面。
平衡液面 GLCC 中的平衡液面由气体出口和液体出口之间的压差决定。由于GLCC 中的摩擦损失很小，因此平衡液面标志着GLCC 中液体的含量。Arpandi ,I
.等在“Hydrodynam 2ics of Two 2Phase Flow in Gas Liquid Cylindrical 2Cyclone Separators ”
(SPE Journal ,1996年12月)一文中详细介绍了一个基于气 液管线压力平衡的模型。
旋涡形状及位置 旋涡的形状及位置对于预测出口气体含液量和液体含气量的大小是很有意义的。假设旋涡模型是刚性旋转的(即在径向上切向速度剖面呈线性分布)。通过平衡液面和旋涡形状的计算可以确定旋涡的位置和旋涡顶点的高度。这一气 液总体分布的模型为建立性能预测模型奠定了基础。
气体中液体携带率 气体中液体携带率主要取决于GLCC 上部的流动方式。在高液面和低排气比时可能会在GLCC 中出现淹没现象，并在液流中出现气泡。不稳定的液体振动及在适合的排气比时出现的搅动流都会将液体喷溅到排出的气体中，液体也可能在高排气比并开始出现环雾状流时以液滴的形式被携带出去。在高排气比时，旋转气体产生的离心力会将液体推向管壁，而形成向上旋转的连续的带状液体
。
图2 气 水分离系统中净液体流量为零时的
含量目前，针对低到中排气比对液体携带的起始点进行
预测。预测液体携带起始点的关键是精确预测出在净液
体流量为零时GLCC 上部的最大液体(体积)容量，以及
它对气体出口和液体出口管线之间的压力平衡的影响。
图2将模型预测与GLCC 上部最大液体含量设计的试
验结果进行了对比(即净液体流量为零时的含量Y L 0与
GLCC 表面气速V gs 之间的关系)。
液体粘度从1～10cp 范围变化时，收集的数据表明粘度对净液体流量为零时后退哥
的含量影响很大。只要知道了给定排气比时GLCC 上部
允许的最大液体含量，就可以采用压力平衡方程来确定
达到这一最大液体含量所需的液体流量及初始液体携
带率的大小。
低压下采用气-水混合在实验室内对3in GLCC 的液体携带率进行了试验，图3将试验结果与预测结果进行了对比。液体携带率以GLCC 中表面液速V L s 及表面气速V gs 的形式来表示。预测与试验数据的吻合程度非常高。与
Movafaghian ,S .所做的研究结果(The effects of Geometry Fluid Properties and Pressure on
the Flow Hydrodynamics in Gas 2Liquid Cylindrical Cyclone Separators ,MS thesis ,U .of Tulsa ,Tulsa ,Oklahoma ,1997)进行的对比表明模型抓住了其物理现象的实质，对于增加液体粘度时液体携带率的减少进行了非常好的预测。
将来液体携带率计算模型的改进形式将包括针对不同的操作条件的应用(如高排气比)，也会对携带的液量及对流量波动的动态反应等进行预测
。
图3 气 水分离系统中3in GLCC 液体携带的操作范围气体携带率 底部液流中出现气体携带现象的
三种可能的机理已被证实:1)小的气泡不能移向中心
气核;2)旋转液流的不稳定性使得在液体出口处搅动
气核使之破碎;3)液体流量的波动也会阻碍气泡向核
数据清洗
心的运动。目前对气体携带率的预测主要基于机理1,
下面对此加以讨论。
气泡轨迹分析 这一分析的得出是假设气泡处
于连续状态及受力平衡状态。作用于气泡的力有离心
力、浮力和曳力。近期的研究工作对由力学模型预测
的气泡运动轨迹与在同一流动状态下采用CFD 模拟
的结果进行了对比。在图4中给出了这样的对比，其
中x d 和r R 分别为GLCC 入口下方的无量纲轴向坐标及径向坐标。图中在变化趋势和绝对值方面显示出很好的一致性。
气泡轨迹分析可用来预测气体携带的起始状态及不同气泡大小时的分离效率，这与液 液水力旋流器中所进行的分析是相似的。对总能由GLCC 器壁移向核心并分离出的气泡的最小直径(即d 100)进行了预测。图5所示为入口处切向速度与GLCC 中轴向速度的比值(即V tis V z )对d 100的影响情况。连续线代表模拟结果的拟合曲线。在这种情况下，当比值V tis V z 在小于100的范围内增加时,d 100减小，而当该比值继续增加时,d 100则基本保持不变
。
89c51
图4 气泡轨迹的力学模型与CFX 模拟对比
V L s =0125ft s ,V gs =10ft s ,V
tis V z =34,d =3in ,d b =20Λ
m 图5 在大气条件下气 水操作系统中3in GLCC 试验中切向 轴向速度比对d 100的影响
从旋涡底部到液体出口这段区域正是小气泡实现分离并进入中心气核的区域。由于旋涡高度是与切向入口速度紧密相关的，而且气泡运动路径长度随着旋涡高度的增加而缩短。一定
存在一个最佳的入口切向速度使得液体中气体携带量最少。入口切向速度过低，产生的离心力和浮力也会过低，而当入口切向速度过高时，气泡运动路径长度就会过短。然而到目前为止还没有提出过一个决定最佳速度的一般化方案。
现在正在进行预测GLCC总体分离效率的方法研究工作。这还需要其它两方面的信息：进入分离器的气体量的大小和气泡尺寸的分布情况。所有这些结合气泡收集效率将有利于总体分离效率的预测。
2.CFD模拟
将力学模型与真实数据进行验证并非总是可以实现的。采用CFD模拟对力学模型进行修正与改进。GLCC的CFD模拟可以大体分为两类：带有粒子运动的单相流动和两相流动。
单相流动及粒子运动轨迹 两相流动CFD模拟的应用最为广泛的最简化的模拟方式是采用带有运动粒
子(气泡)的单相流动形式进行研究，采用这种方式既不会彼此影响也不会影响流动的状态。事实上，这是将粒子运动附加于单相流场的简化解决办法。
采用CFD模拟和气泡轨迹分析进行气泡尺寸分布对气体分离敏感性的研究。采用CFX——一商用CFD码进行了二维及三维(2D和3D)模拟。作者认为轴对称(2D)模拟与3D 模拟很好地吻合。图6将单相CFD模拟与试验数据进行了对比。数据及CFD模拟结果都表明切向速度分布是受强制涡流决定的，力学模型对此假设做了进一步的验证。另外，在切向速度沿轴向衰减方面(衰减5%～7%L d)CFD模拟也对力学模型进行了验证。
在Erdal,F.等的文章“CFD Simulation of Single2Phase and Two2Phase in Gas Liquid Cylindrical2Cyclone Separators”(SPE Journal,1997年12月)中也对轴向反向流动区域的存在进行了预测，在此区域内，靠近器壁处液流向下流动，在核心处则向上。气泡收集半径R cap定义为径向上的某一位置，在此位置处轴向速度分量为零，即刚好流动方向由向下转为向上。运动到收集半径区域内的气泡被分离出，并向上运动到GLCC的上半部分。图7表明收集半径是切向-轴向速度比V tis V z的函数，其中轴向位置位于入口的下方。结果表明，当速度比下降到10以下时，收集半径急剧下降。收集半径和轴向速度剖面的反向流动在最新的研究中已被添加到力学模型中。
张炜 你在高原
图7 气泡收集半径随切向 轴向速度比的变化
图6 在大气条件下气 水操作系统中7.5in GLCC轴对
称切向速度预测与试验数据的对比
两相流动 真正的两相流CFD模拟仍处于不成熟阶段。这样的模拟应当能够对分散相对连续相流动的影响及两相之间的界面进行预测。最新的两相流CFD模拟工作主要集中在两
>雅兹迪
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议