多管旋流分離器多相流計量裝置設計

高建中，張建安，皮運松，杜明甫

（湖北江漢石油儀器儀表有限公司，武漢 430205）

多管旋流分離器多相流計量裝置設計

高建中，張建安，皮運松，杜明甫

（湖北江漢石油儀器儀表有限公司，武漢 430205）

分離器設計是多相流分離計量的關鍵技術，基于GLCC旋流分離原理的多管旋流分離器多相流計量裝置是以多管旋流分離器為核心，并與氣液質量流量計、比例調節閥和計算機測控系統相結合的一種新型多相流計量裝置。該裝置采用多管旋流分離器，可以有效減小分離器直徑和高度，節約裝置占用空間，大幅降低成本，提高分離效率；同時采用模糊PID控制方案的比例調節閥控制分離器液位，保證計量裝置有效運行，具有較強的抗干擾能力。現場試驗證明：此裝置可以適應較大范圍的多相流變化，相對測量誤差小于±2．5%。

多管旋流分離器；多相流計量裝置；智能測控

多相流廣泛存在于石油化工等工業領域，油氣水多相流計量方法一般采用分離計量方式［1-3］，其關鍵技術包括分離器設計、分離器液位控制、氣液流量測量、相含率測量等幾個方面。小型化、快速化、自動化、高精度是其發展的方向。因此研究尺寸小、智能程度高、分離效果好的多管旋流分離器對降低成本、提高生產效率等方面有重要意義，尤其是在海洋平臺長寬受限的有限空間以及無人值守的沙漠油田的使用，具有良好的應用前景。

1 結構原理

1．1 工作原理

多管旋流分離器由多組單管旋流分離器并聯在一起，氣液混合物同時分別進入各單管分離器，大幅降低了各單管分離器的負荷。因此，分離器的設計直徑、高度等尺寸大幅減小。

其氣液分離基本原理與單管旋流分離器一致，如圖1所示。氣液混合物沿一個傾角向下的管道由切線方向注入垂直的旋流分離器，在離心力、重力和浮力的作用下形成一個倒圓錐的渦流面，在離心力的作用下，密度大的相——液相被甩向四周，沿著壁面向下運動，作為底流排出；密度小的相——氣相被帶到旋渦中央并向上運動，最后作為溢流排出，從而達到氣液分離的目的。系統采用氣液質量流量計計量氣液流量，采用原油含水率分析儀檢測原油含水率，采用PID調節技術控制氣液調節閥的開度，從而控制分離器液面的高度，避免氣體中夾帶液滴或液相中夾帶氣泡，保證分離率。

圖1 氣液分離基本原理

1．2 結構設計

多管旋流分離器結構如圖2所示，主要由來液管、入口噴嘴、多管旋流管、氣液進出管、排污管等組成。氣液混合物分別通過不同的入口噴嘴進入不同的旋流管，在離心力、重力和浮力的作用下進行氣液分離，分離后的氣液分別從出液口和出氣口排出，旋流管頂部出氣口附近設有捕霧網，底部出液口附近設有防渦擋板。

以中海油BD-DWG-WHPH-PR-2001海洋平臺設計項目為例，多管旋流分離器與單管旋流分離器設計尺寸對比如表1。

圖2 多管旋流分離器

表1 多管旋流分離器與單管旋流分離器設計尺寸對比

由表1可以看出：采用多管并聯旋流分離設計，使分離器的直徑和高度都大幅減小，其成橇尺寸為3 500 mm×2 100 mm×4 000 mm，完全可以滿足海洋平臺空間要求。使用單管旋流分離，在高度上不能滿足用戶成橇要求。

2 設計分析

2．1 裝置設計

多管旋流分離器的自動運行控制方案是保證多管分離器的平穩運行，并有效地將油氣水分離成指標合格的氣液兩相，通過氣液質量流量計和含水分析儀分別計量油、氣、水流量。按照這一思路設計的多管旋流分離器多相流計量裝置由多管旋流分離器、氣／液質量流量計、含水分析儀、液位變送器、氣／液調節閥、壓力變送器和計算機測控系統組成，如圖3所示。計算機控制系統主要功能包括：流量、液位、壓力、含水率等的信號采集計算；瞬時流量、累積流量顯示；氣液流量、液位、壓力信號趨勢圖顯示；根據液位信號控制調節閥開度大小等。

2.2 CFD模擬分析

分離器內部的流場分布決定了分離效果的好壞，分析流場特性可為結構改進提供依據。仍以中海油BD-DWG-WHPH-PR-2001海洋平臺設計項目為例，分離器壓力、速度、液氣相體積分數分布如圖4～7。

圖3 多管旋流分離器多相流計量裝置

2．2．1 壓力分布

由圖4可以看出：筒體內縱向壓力梯度較小，且徑向壓力變化也較小；噴嘴處的壓力梯度較大，壓力損失較大。

圖4 分離器壓力分布

2．2．2 速度分布

由圖5可知：筒體中心線附近速度較小，邊壁處速度增大，符合旋流場特性；上部氣體聚集處速度很小，有利于流體在此處依靠重力進行二次分離。

圖5 分離器速度分布

2．2．3 噴嘴附近速度矢量

由圖6可以看出，流體從進液管流入筒體后形成了明顯的旋流場。

圖6 噴嘴附近速度矢量圖

2．2．4 液氣相體積分數分布

由圖7可以看出：液氣相產生了較明顯的分離；在旋流場中，旋轉中心處聚集了密度輕的氣相，密度大的液相分布在壁面附近，徑向速度梯度越大此現象越明顯；液體在筒體底部沉積，形成濃度較高液相，氣體則上移到頂部聚集，形成濃度較高氣相。

圖7 液氣相體積分數分布

2．2．5 效率

除液效率反映了排氣管中的液體含量；除氣效率反映了排液管內的氣體含量。兩效率均隨液相黏度的變化而變化，黏度增大，效率會降低（如圖8）。

圖8 除液、除氣效率與黏度關系曲線

模擬分析結果說明：該裝置中多管旋流分離器具有良好的氣液分離效果，將單管旋流分離改為多管旋流分離后，不但在分離器空間上有較大縮減，其分離效率也隨著各單管分離器負荷減小而大幅提高。

3 結論

作為多相流分離計量的關鍵技術之一，分離器設計研究的主要任務是如何提高分離效率和減小分離器成橇尺寸，更廣泛地滿足不同用戶需求，尤其是海洋平臺和沙漠地區；同時要實現分離器液位、壓力的自動控制。基于GLCC原理的多管旋流分離器實現了這個目標。以此多管旋流分離器為核心技術，并結合氣液流量計、調節閥和計算機控制系統組成的多相流計量裝置具有體積小、分離效率高、計量范圍廣、計量準確等優點，完全可以在保證分離效率的前提下實現大幅減小分離器高度和成橇尺寸，滿足各種空間受限的用戶需求。

［1］曹學文，林宗虎，黃慶宣，等．新型管柱式氣液旋流分離器［J］．天然氣工業，2002，22（2）：71-75．

［2］A C霍夫曼，L E斯坦因．旋風分離器原理設計和工程應用［M］．彭維明，姬忠禮，譯．北京：化學工業出版社，2004．

［3］李成兵，熊琎．新型柱式氣液旋流分離器數值計算［J］．石油礦場機械，2011，40（39）：34-37．

Design of the Multiphase Flow Metering Device Based on Multiphase Cyclone Separators

GAO Jian-zhong，ZHANG Jian-an，PI Yun-song，DU Ming-fu
（Hubei Jianghan Petroleum Instrument&Meter Co．，Ltd．，Wuhan 430205，China）

Design of Separator is a key technique of multiphase flow separation measurement．The multiphase flow metering system based on GLCC cyclone separation principle is a new type of multiphase flow metering device which is integrated gas-liquid mass flow meter，adjusting combination valve and computer control system．The device which adopts the multitube separator can effectively reduce the separator diameter and height，save the occupied space of a device，greatly reduce the cost，and improve the separation efficiency．The proportional valve which adopts the fuzzy PID control scheme of can control the liquid level and ensure the effective operation of the measuring device．Field test experiment showed that the device can accommodate a wide range of multiphase flow，and the relative measurement error is less than plus or minus±2．5%．

multitube separator；multiphase flow separation measurement；intelligent measurement and control

TE952

B

1001-3482（2014）01-0042-04

2013-05-28

高建中（1972-），男，湖北浠水人，工程師，主要從事油氣水多相流理論及工程應用研究，E-mail：gjz＠hbjpim．com。