指狀段塞流捕集器的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)與計(jì)算

2015-11-16 08:18:51薛登存

中國科技信息 2015年2期

薛登存

薛登存

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司

薛登存，男，高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事油田地面工程油氣集輸設(shè)計(jì)工作。

段塞流捕集器是氣液混輸管道進(jìn)站常用的一種氣、液初級(jí)分離設(shè)施。指狀段塞流捕集器因具有操作簡(jiǎn)單、處理量大等特點(diǎn)而成為油氣混輸管道終端常用的分離設(shè)施，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，計(jì)算方法也不一樣，比較簡(jiǎn)便的是單層一級(jí)指狀段塞流捕集器的計(jì)算。

前言

段塞流捕集器是用來緩沖生產(chǎn)段塞流和清管段塞流對(duì)管道末端油氣分離設(shè)備造成的水力沖擊和由此引起的分離器液位突變等工況而設(shè)計(jì)的一種分離設(shè)施，它是由多根管徑和長(zhǎng)度相同的鋼管連接而成的管道系統(tǒng)，其主要功能是捕集油氣混輸管道中的段塞流，并使氣、液進(jìn)行初級(jí)分離。國外多傾向于使用指狀段塞流捕集器。相對(duì)多級(jí)雙層結(jié)構(gòu)管式段塞流捕集器而言，單層一級(jí)指狀段塞流捕集器的設(shè)計(jì)與計(jì)算比較簡(jiǎn)單與實(shí)用。

主要設(shè)計(jì)原則

工藝設(shè)計(jì)主要考慮兩方面的因素。

混合流體不管處于什么流態(tài)，在氣液分離段應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎阌跉庖悍蛛x。

儲(chǔ)液段應(yīng)能容納管道清管時(shí)產(chǎn)生的段塞液量，避免液體從氣體出口流出。

指狀段塞流捕集器的結(jié)構(gòu)

本次計(jì)算只介紹單層結(jié)構(gòu)一級(jí)管段。如圖1所示，指狀段塞流捕集器主要包括：（1）氣液進(jìn)口管，（2）氣液分離段，（3）氣相出口管，（4）液體儲(chǔ)存段，（5）液相出口管等五部分，示意圖如圖1。

圖1 單層結(jié)構(gòu)指狀段塞流捕集器示意圖

入口管

入口管內(nèi)徑通常不小于混輸管道末端管內(nèi)徑。介質(zhì)進(jìn)入捕集器后需經(jīng)入口匯管分流再進(jìn)入各分管段。

氣液分離段和排氣管

介質(zhì)經(jīng)入口匯管分流，首先進(jìn)入到分離管段進(jìn)行氣液分離。液體進(jìn)入到液體儲(chǔ)存段，氣體經(jīng)排氣管排出，排氣管包括排氣立管、排氣匯管和氣相出口管。

液體儲(chǔ)存及排出

液體儲(chǔ)存管段位于分離管段的下游，與分離管段相連。包括排液匯管、液相介質(zhì)出口。

工藝計(jì)算

工藝計(jì)算是段塞流捕集器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，捕集器的氣液分離功能、緩沖和存儲(chǔ)功能都是在管段內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，工藝設(shè)計(jì)是否合理直接影響到捕集器的氣液分離效果和緩沖能力。氣液分離段計(jì)算儲(chǔ)液容積的計(jì)算段塞流捕集器的設(shè)計(jì)儲(chǔ)液體積按式（EQ.1）計(jì)算：

式中：

VL ——段塞流捕集器設(shè)計(jì)儲(chǔ)液體積，m3；

C ——設(shè)計(jì)系數(shù)，通常取1.2；

Vint ——段塞流捕集器最大處理液塞體積，即混輸管道正常操作、啟動(dòng)、停輸、輸量變化、清管等工況下產(chǎn)生的液塞體積中的最大值，m3；

Vbuffer——段塞流捕集器設(shè)計(jì)液相緩沖體積，通常取值為滿足下游工藝設(shè)備正常運(yùn)行所需液相緩沖體積，m3。

管段斜率選定

段塞流捕集器的管段通常向下傾斜，管段斜率宜介于1％～10％之間。單層結(jié)構(gòu)的分離段和儲(chǔ)液段一般選取不同斜率，即雙斜率結(jié)構(gòu)。

管段數(shù)量的選取

管段數(shù)量的選取主要取決于多相混輸管道中介質(zhì)的流量、管段最大允許長(zhǎng)度（與允許占地面積有關(guān)）、管段內(nèi)徑等。

捕集器的氣液分離主要是在氣液分離段來完成的，管段數(shù)量通常是2的指數(shù)倍，一般不超過8根。

管段數(shù)量的選取與此部分管段內(nèi)徑的選取密切相關(guān)，它們需要配合氣液分離管段內(nèi)氣相介質(zhì)速度綜合選取。可以先初步選取氣液分離管段數(shù)量及其管段內(nèi)徑，再由式（EQ.2）計(jì)算出氣液分離管段內(nèi)氣相介質(zhì)速度。

式中：

Va ——?dú)怏w表觀流速，m/s；

ρL ——液相介質(zhì)密度，kg/m3；

ρG ——?dú)庀嘟橘|(zhì)密度，kg/m3；

k ——系數(shù)。

氣液分離段的長(zhǎng)度計(jì)算

氣液分離段指的是管段起點(diǎn)至最后一個(gè)排氣立管之間的管段。為了保證氣液分離效果，多相介質(zhì)在分離段停留時(shí)間需要足夠長(zhǎng)，即分離段足夠長(zhǎng)或介質(zhì)流速控制在一定范圍內(nèi)，國際上一些生產(chǎn)捕集器的公司通常把氣相介質(zhì)流動(dòng)速度控制在2m/s以內(nèi)。

采用等液滴尺寸沉降法（液滴直徑取150μm）。計(jì)算步驟如下：

阿基米德準(zhǔn)數(shù)計(jì)算

阿基米德準(zhǔn)數(shù)按公式（EQ.3）計(jì)算。

式中：

Ar ——阿基米德準(zhǔn)數(shù)；

d ——液滴直徑，m；

ρL ——液相介質(zhì)密度，kg/m3；

ρG ——?dú)庀嘟橘|(zhì)密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2；

μG ——?dú)庀嘟橘|(zhì)動(dòng)力粘度，Pa·s。

計(jì)算雷諾數(shù)

當(dāng)Ar≤36（Re≤2）時(shí)，雷諾數(shù)按公式（EQ.4）計(jì)算。

式中：

Re ——雷諾數(shù)；

Ar ——阿基米德準(zhǔn)數(shù)。

當(dāng)36＜Ar≤83×103 （2＜Re≤500）時(shí)，雷諾數(shù)按公式（EQ.5）計(jì)算。

式中：

Re ——雷諾數(shù)；

Ar ——阿基米德準(zhǔn)數(shù)。

當(dāng)Ar＞83×103（Re＞500）時(shí)，雷諾數(shù)Re按公式（EQ.6）計(jì)算。

式中：

Re ——雷諾數(shù)；

Ar ——阿基米德準(zhǔn)數(shù)。

氣相中液滴沉降速度計(jì)算

液滴沉降速度按公式（EQ.7）計(jì)算。

式中：

vO ——液滴沉降速度，m/s；

μG ——?dú)庀嘟橘|(zhì)動(dòng)力粘度，Pa·s；

Re ——雷諾數(shù)；

d ——液滴直徑，m；

ρG ——?dú)庀嘟橘|(zhì)密度，kg/m3。

分離段長(zhǎng)度計(jì)算

為了保證分離效果，液滴在分離段內(nèi)沉降至氣液分界面所需時(shí)間應(yīng)小于液滴在分離段內(nèi)隨氣相介質(zhì)流動(dòng)所需的時(shí)間，一般取液滴沉降至氣液相分界面所需時(shí)間為液滴在分離段內(nèi)隨氣相介質(zhì)流動(dòng)所需的時(shí)間的一半。計(jì)算公式如下：