【期刊】紧凑型管柱状气液旋流分离器技术目前的发展状况-中文翻译

紧凑型管柱状气液旋流分离器技术目前的发展状况Ovadia Shoham Gene E. Kouba 著 ，狄磊译摘要石油行业主要依靠传统的容器式分离器处理井口生产过程中的油/水/气采出液。但经济性和操作压力条件不断要求其寻找新型高效、低成本的紧凑型分离器，特别是在海上油田上这种要求更加迫切。与容器型的分离器相比，紧凑型分离器，如管柱式气液旋流分离器，不仅简单，成本低，重量轻，需要很少的维护，而且易于安装和操作。然而，无法预测的 GLCC 性能充分抑制了其广泛的发展。目前研发的目的是研发必要的性能预测工具对 GLCC 分离器进行适当的设计和操作。本文从最先进的仿真和设计方面，介绍了 GLCC 目前成功的应用，以及潜在的应用方面的发展状态。简介GLCC 是带有倾斜切向入口的气体及液体出口的垂直管。切向液流从入口进入 GLCC 后形成的漩涡产生了作用于液体的离心力和浮力，其数值要比重力高出许多倍。重力、离心力、浮力的联合作用使气体和液体的分离开。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、紧凑型的 GLCC 分离器在替代常规容器型分离器方面具有很大的吸引力。GLCC 和常规容器型立式和卧式分离器在尺寸方面的差别进行了对比，在表压力 100 PSIG 下，石油和天然气的流速分别为100,000 B / D 和 70000Mscf/ D，这种情况下，所需的 GLCC 的直径和高度尺寸分别为 5 和 20 英尺。相当于同规模的常规立式分离器（935 英尺）一半左右的尺寸，相当于常规卧式分离器（1975 英尺）四分之一左右的尺寸。GLCC 的操作区域是指由两个限制的现象：气体流中遗留液体和液体流中携带气体。现在已经确定液体遗留发生在气流中的液体的第一迹线上。类似地，在液体下溢最早观察到的气泡与气体携带的发生有关。开发精确的性能预测工具中的困难大部分来源于可能发生在 GLCC 中的各种复杂流型。上方的进气口的流动模式可能包括泡状流、段塞流、涡流、雾状流和液体带流。进气口下方的流型通常由液体涡旋与气芯丝组成。在远低于入口的液位，液体在旋转膜上从入口流向漩涡。阻碍 GLCC 更广泛的使用的最大原因是难以预测的水动力性能。即使没有尝试和测试性能的预测，GLCC 几个成功的应用已经有了报道。可靠的性能预测工具的发展将通过硬件修改来提高 GLCC 的性能，最终会加快 GLCC 技术在现有的和新的领域应用的发展。硬件的发展研究者已经对 GLCC 几个不同的机械功能配置进行了研究。最近的实验室观察和计算机模拟表明，硬件修改会对 GLCC 的表现产生深远的影响。以下是总结的几个重要的硬件改进。进气口设计。入口部确定进入的气体/液体分布和 GLCC 的初始切向入口速度。由于 GLCC 性能强烈依赖于切向入口的速度，入口一直是最需要重新设计的GLCC 组件。倾斜的进气口。传统的垂直分离器通常使用垂直进气口。最近的研究已经表明，一个倾斜的进气口，减少气相中的液体遗留通过两个方面来提高 GLCC 的性能。首先,向下倾斜的进口有利于形成分层流，实现了了气液两项的初步分离。其次，向下的倾斜结构使经过初步分离的液相在进气口下方旋转一圈之后形成旋流场，避免了对气相向分离器上方运动的阻塞。入口喷嘴。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速度大小的因素。切向入口喷嘴的制造是 GLCC 制造中最昂贵的部分。几种喷嘴配置已经过测试，旨在优化成本效益的水动力性能。薄的，矩形槽结构是水动力性能的最佳配置，同时也是难以制造的。另一方面，同心圆形的切向入口是容易制造的，但性能较低。通过对具有相同截面积的三种不同的入口槽结构（矩形，圆形，同心圆型和新月型）的初步试验，发现同心圆形喷嘴（异径管）结构表现最差，而月牙型的喷嘴（切向平板）的表现最接近矩形槽结构。双入口。双倾斜的进气口将入口流预分为两股流动：低入口的富含液体的流动和高入口富含气体的流动。双入口的试验表明，在低到中等的气体流量（在入口处段塞流转为分层流）下，气体携带液率有明显的降低，而当气体流量较高时（在入口处为环状流） ，无明显的变化。GLCC 配置。尽管 GLCC 的设计简单，但几种可能的配置修改会影响其性能。进气口位置。对于没有液位控制的 GLCC，将入口段定位于靠近液面上方是至关重要的。大多数测试表明，单入口 GLCC 的最佳液位是在约低于入口下方1-3 个 L / D 处。液位远低于 3 个 L/D 的会导致切向进气的速度的显著衰减，影响 GLCC 的性能。如果液位高于入口，气体必然会穿过液体而溢出，造成更多的液体遗留。最佳长径比。长径比是 GLCC 的长度和直径之比。它的尺寸影响 GLCC 的性能和成本。对于一个给定的直径，GLCC 在进气口上方的长度提供液体扰动的容量，而在进气口下方的长度决定从液体中分离气泡的滞留时间。此外，离心力和浮力的大小与直径成反比，切线速度的衰减与长度成正比。由于这种现象的复杂性，最近才刚刚提出了一套决定最佳长径比的基本标准。旋流体锥度。在对反锥型、正锥型和圆柱型的旋流体的调查中得出，对于气/液分离，圆柱型旋流体要稍优于反锥形和正锥形结构。液位控制。GLCC 液位控制在大范围的流动条件下并不容易实现，是因为其体积小。正在研究的几种不同的液位控制方法，包括气腿的流量控制，液体的腿流量控制，以及两条腿的共同流量控制。同时也正在考虑气腿背压控制和液体腿液位控制的结合。其他值得关注的问题包括能量要求，稳定性和成本。GLCC 液位控制的几个备选方案已付诸实施。例如，一个商业的多相流测量系统使用传统的控制设备，通过控制出气流率来控制液位的试验已经在 GLCC 上取得成功。另一个项目探讨的用低功耗替代传统的电平控制，通过 GLCC 的静压头差来操作控制装置。最近的 GLCC 的性能研究调查表明，带有被动控制系统的GLCC，只是使用流量能而没有使用外部能量。未来至关重要的工作是发展稳定，有效的液位控制技术。由于较小的紧凑型的分离器的滞留时间和控制阀严格的响应时间的要求，这不是一个简单的容器式分离器控制技术的扩展问题。这些技术应该使 GLCC 能够处理段塞流、喘流、及广泛的流速，从基本上符合充满气体液体流量条件下的工作要求。集成分离系统。迫使行业摆脱传统的重力分离器转移到小巧的分离系统上存在巨大的经济诱因。GLCC 根据不同的应用，可用于完全或部分分离。部分的气体分离允许下游设备的更小（因此更便宜）和更有效。当在结合多相流量计，分离系统和液/液水力旋流器时，GLCC 非常有效。无论是单独使用或与其它设备相结合的配置，GLCC 可以显著的降低成本和重量。这在设计或改造海上平台上是特别重要的，平台的建设成本的节省可能比分离设备的成本高许多倍。另一种 GLCC 的组合是两个 GLCC 的串联使用。一个商业测量系统已经开发出来，使用第二级卧式分离器可以去除任何可能从 GLCC 下面溢出的小气泡。这使得扩展系统的操作范围超出了“正常”运行的 GLCC 的完整的气/液分离范围。其他硬件的改善。已经在考虑的其他几个潜在的改善，但是，我们在这里还没有讨论他们是因为很少或根本没有性能信息可用。这些包括一个可变的入口槽区配置和气体液体出口的配置。模拟过去，在经验法则和经验关系式的基础上，进行了 GLCC 分离器的性能预测的试验。这些方法仅限于 GLCC 的能力外推到不同的流体条件和未经考验的应用方面。目前，正在努力发展 GLCC 的机械模型和进行计算流体动力学（CFD）模拟。机械模型提供了一个实用的进行 GLCC 的设计和性能预测的途径。简化了假设，但是，在理想情况下，该模型仍然能够采集足够的基本物理问题，进而内插和外推到不同的流体流动情况。CFD 可以预测 GLCC 中的复杂的流体动力流动特性的细节，包括流场、含率分布、分散相的离散颗粒的轨迹。同时适用于单相局部模拟或稀的分散流的模拟，目前 CFD 还不能模拟复杂的全方位的多相流。此外，CFD 模型的大型管道系统，包括通常 GLCC 过于笨拙的无法实用的设计目的。由于机械模型的大大简化，没有 CFD 模拟的详细、严谨、准确。然而，机械模型具有很多优点：快速的设置和计算，整个系统建模的能力，并且适合 PC操作。因此，机械模型比 CFD 模拟更容易成为工程师的设计工具。机械建模。到今天为止建模工作的最终目的，是预测 GLCC 的操作区域液体遗留在气体流和气体携带在液体流。每个流体流动路径有其自己特定的一组计算。任一计算路径的起点是 GLCC 中气体和液体的球分布，即平衡液面。均衡液位。GLCC 的平衡中液面是由气体和液体出口之间的压力降决定的。由于 GLCC 中摩擦损失低，平衡液位是 GLCC 中的液体的量的合理指示。旋涡的形状和位置。旋涡的形状和位置是液体遗留和气体携带很重要的预测。旋涡模型假设为刚体的转动。平衡液面和涡形耦合的计算，使得测定的旋涡的位置和旋涡冠的高度成为可能。这种模式的球状分布，为气体和液体的性能模型的建立提供了基础。液体遗留。在气流中的液体残留物在很大程度上依赖于 GLCC 上部的流动模式。溢流可能发生在 GLCC 高液位和低气率的地方，会导致产生泡状流。不稳定的液体振荡，在适度气率下涡流的特征，可能使飞溅的液体进入出气口。在高气率的情况下发生环形雾流时，液体也可能以液滴的形式被带出。在非常高的气体速率下，旋流气体的离心力将液体推到管壁上，在那里可以形成一个的螺旋形上升的连续的带状流。