管式段塞流捕集器構造及其優化設計

李施放，賈逸群，羅曉坤，唐 琪

（1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.中石油新疆油田公司，新疆 834000；3.中石油塔里木油田公司，新疆 841000）

管式段塞流捕集器相比于容器式的優勢在于其處理量大。目前我國珠海高欄終端超大型管式段塞流捕集器處理量達到7000 m3，這也導致了其耗資巨大，其耗資主要體現在占地面積以及設備的建造費用和維護費用，因此深入研究其構造及工作機理來提高經濟性是很有必要的。

1 管式段塞流捕集器的構造

管式段塞流捕集器又因其平行管段像手指一樣而得名指狀（指式）段塞流捕集器，它的主要結構是入口、分配器、降液段、分離段、氣體出口和儲液段。圖1便是指狀段塞流捕集器的構造。由于設計不同，指狀段塞流捕集器其實也是有分類的，但是圖1比較具有代表性，本文便不再對其他種類的捕集器進行贅述。

圖1 管式段塞流捕集器基本構造

分配器的作用就在于能夠均分來流，最初的段塞流捕集器是沒有設置分配器的，這導致了很大程度上的偏流，其主要表現在中間幾根平行管路流量大于兩側的管路，因此中間管路承受了較多的來流，由于分離段的平行管路均采用相同口徑，從而導致了中間部分的氣體出口攜帶較多液滴，同時兩側的管路沒有充分利用。降液段是分離段之前的一段斜率較大的平行管，由于重力作用液相會迅速與氣相分離后進入分離段，分離段的斜率及長度要充分考慮氣相中的液滴能夠沉降到液相中去避免被氣相攜出氣體出口，而儲液段則是要充分容納上游來的液相，避免液相從氣體出口排出，從而給下游設備造成影響。

2 應用及研究現狀

1959年，科羅拉多洲際天然氣管道公司建立了世界上第一臺管式段塞流捕集器，該捕集器是由兩根275 m，內徑0.86 m的管線并聯組成，其容積為320 m3，有了這個開端以后管式段塞流捕集器開始被廣泛應用于各混輸管路終端。1996年挪威國家石油公司在一處理平臺設置了分別由四根各長175.26 m、內徑1.22 m的平行管束并聯而成的兩臺管式段塞流捕集器，兩臺捕集器的處理量均可達820 m3；2012年挪威國家石油公司在某油田海管終端設置了兩臺處理量可達1500 m3的管式段塞流捕集器。

我國在這一領域的研究起步較晚，而且很多技術依賴國外，但是也有很多自主研發的成果，而且在上文提及的荔灣氣田，其終點珠海高欄于2013年配備了一臺處理量高達7000 m3的管式段塞流捕集器，在這之前，我國的平湖-上海凝析氣田混輸管路終端、東方1-1路上終端工程以及南海PY30-1海底混輸管路終端分別設置了容積不等的管式段塞流捕集器。

由上述可見，隨著時代的發展，各國各石油公司采用的管式段塞流捕集器都趨于大型化，因此對其進行合理的設計是很有必要的。

3 主要結構的設計

平行管道數量N：平行管道數量N的確定影響到后續分離段及儲液段的負荷，同時N也是確定流速的一個重要參數，一般來說N會被設置成2的指數倍，這是由于分配器的存在而造成的結果，設計之前需要根據實際情況對N進行幾種預估，然后將幾種設計結果進行適應性和經濟性評價，最終確定最優方案。

降液段參數確定：降液管的作用主要是促進氣液分離，有些設備由于其實際情況不需要降液段，但増設降液段能有效地加速氣液分離，從而減小分離段和儲液段的負荷，因此在整體設計上可以減小后續部件的長度，由于降液段通常傾角大而形成的不利因素就是設備高度會因此而提高，在一些實際生產中會帶來操作等困難，因此降液段傾角一般以45°為宜，避免造成不切實際的設備高度。降液段還應符合承擔的流量應小于40%入口匯管中流量且其內徑不宜超過平行管內徑的2/3，推薦降液管長度不要少于5倍內徑。

分離段參數確定：在計算之前之前需要做一個假設，就是分配器均分來流。要確定其流型轉變的臨界流速需要用到Taitel和Dukler的研究成果，即段塞流向分層流的臨界狀態下氣體的流速來計算。其長度則是從分配器終點（或降液段終點）到第一根排氣立管（氣體出口）的距離，要根據之前確定的平行管路數量N和內徑D來確定其長度L，分離段的傾角一般取在1%～2%之間，傾角越大分離效果越好，占地面積也小，但要注意避免造成過高的設備高度。

儲液段參數確定：儲液段的作用就是用來儲存大量液體的部分，其容積應當能接受設備運行過程中形成的最大的段塞，否則會導致液體竄入氣體出口，給下游設備帶來隱患，甚至是全線的停產。一般來說該部分的內徑和傾角與分離段相同，但是由于該部分很長，因此在確定傾角的時候應當考慮設備高度，如果設備高度超過允許的范圍則應當適當地改變傾角。確定了最大的段塞量和儲液段的內徑以后就可以根據幾何關系來確定儲液段的長度。

4 結語

現階段管式段塞流捕集器是一個比較成熟的設備，但是很多設計仍為了保障安全過度的降低了經濟性，這都是歸因于技術仍需提高，因此在整個設計的優化方面還是有很多工作值得做的。總的來說，權衡好平行管路的數量，調整好降液段的內徑和傾角，將分離段和儲液段的傾斜角度和長度優化，精準確定流型轉變時的臨界流速，這些都可以通過更多的實驗和模擬來實現，而且都有助于保障設備安全的同時改善整套設備的經濟性。