管柱式氣液旋流分離器液膜厚度的空間分布特性

王亞安，陳建義，葉松，宋占榮，韓明珊，楊洋

（1 中國石油大學重質油國家重點實驗室，北京102249； 2 過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室，北京102249）

引 言

管柱式氣液旋流分離器（gas-liquid cylindrical cyclone，GLCC）是一種耦合離心力與重力的分離設備[1]，憑借體積緊湊和成本低廉的特點，在陸地及深水油氣分離場合有廣泛的應用。它的工作原理是：氣液兩相先在下傾管中實現預分離，后經漸縮噴嘴沿切向進入豎直筒體。在豎直筒體內，由于氣液兩相的密度差異，受離心力與重力的雙重作用，液相被甩至邊壁向下運動，從底流口排出；氣相則邊旋轉邊向上，從溢流口排出，以此實現氣液分離。GLCC 工作時伴隨有兩種特殊現象，即：氣相攜液現象（liquid carry-over，LCO）和液相攜氣現象（gas carry-under，GCU）。在富氣田開采中，也即在高氣液比情形下（來流體積含氣率≥95%），LCO是研究重點，相應地，針對LCO 的研究也就聚焦于GLCC 豎直筒體的上部空間。

針對LCO 現象，學者們進行了理論分析[2-3]、實驗觀測[4-10]及數值模擬[11-12]研究。其中，Hreiz 等[6]指出，存在于GLCC 上部筒體內的旋流液膜溢出是使LCO 發生的直接原因。Yue 等[12]則認為：除了溢出液膜之外，液滴的逃逸也會造成LCO，不過逃逸液滴的數量極為有限。許承煒等[10]指出，旋流液膜的流型與LCO 有密切的關系；他們還對發生LCO 后的液相分離效率進行了測量，發現氣液相流量及入口噴嘴尺寸對液相分離有重要影響。遺憾的是，針對GLCC 上部筒體內的氣液流動行為，尤其是該旋流液膜的定量參數及其分布特征卻鮮有報道。在氣液兩相流動中，液膜厚度和氣液界面行為、液滴攜帶、阻力特性等緊密相關。掌握液膜厚度的分布特征，可加深對GLCC 內部氣液流動規律的認識。雖然上行旋流液膜在石油化工領域、核工業領域等豎直管中也較為常見[13]，但需指出，GLCC 上部筒體內的氣液流動和存在旋流效應的常規豎直管中的氣液流動又有所不同，主要體現在三個方面：一是旋流產生的方式不同，即常規豎直管一般通過在管道入口同心地加裝造旋器（如螺旋葉片）來產生旋流[13-17]，而GLCC 是由下傾式相切入口產生旋流；二是流體會在GLCC 入口處產生明顯的分流現象，即大部分液體和少量氣體進入GLCC 下部筒體，而大部分氣體和少量液體進入其上部筒體；三是GLCC的筒體高度不會太大，故而氣液流動在其內部遠未達到充分發展狀態。這些差異增大了對GLCC 認知的難度，其內部流動規律還未得到充分的認識。旋流液膜的流動與LCO 密不可分，而旋流液膜厚度作為旋流液膜重要的特征參數，值得開展深入的研究。

本文采用常用的液膜測厚方法——電導法[18-19]，利用天津大學定制的“紐扣式電導傳感器”，通過改變氣液相流量及入口噴嘴尺寸，系統地測量了GLCC 上部筒體內的液膜厚度，分析了其空間分布特性，并結合液膜流型分布，沿豎直筒體軸向將流型和液膜厚度做了定性關聯。本研究揭示了GLCC 上部筒體內液膜厚度的分布特征，豐富了對GLCC 氣液流動現象及規律的認識，并可為理解其他研究領域中同樣存在旋流效應的豎直管內液膜的分布特性提供參考。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置及流程

實驗裝置尺寸如圖1（a）所示。傾斜管內徑d=54 mm，下傾角度θ=27°，該角度有利于流體形成分層流流型[3]。入口采用矩形漸縮噴嘴，噴嘴末端端面的長為a，寬為b，與筒體相切，兩個不同漸縮比的入口噴嘴按照漸縮程度從小到大依次命名為1#、2#噴嘴（1#噴嘴：a=54 mm，b=40 mm；2#噴嘴：a=54 mm，b=17 mm）。豎直筒體內徑D=74 mm，筒體高徑比約為33。序號1～8 為壓力測點，利用RS485 系統對氣液相流量及壓差信號實時在線采集。液膜測厚裝置位于GLCC上部筒體，即壓力測點6、7之間。定義入口噴嘴與豎直筒體的相切點為z=0 截面，第一個液膜測厚截面位于軸向位置z=150 mm，后續測量截面依次相距100 mm。

圖1 GLCC實驗裝置與流程Fig.1 Experimental device and flowchart of the GLCC

實驗流程如圖1（b）所示。氣相（空氣）由高壓風機鼓出，經渦街流量計測得體積流量Qg，Qg=90～220 m3·h-1；液相（自來水）由泵增壓后經渦輪流量計測得體積流量Ql，Ql=0.6～3.0 m3·h-1。氣液兩相經靜態混合器混合后進入GLCC 進行分離。分離后的氣相從筒體上部溢流口排出，再經高效絲網捕集器后，氣相排入環境中；分離后的液相從筒體下部底流口返回至水箱以循環利用。實驗過程中，調節位于底流口端的閥門以控制平衡液位的高度在入口以下約400 mm處[10,20]。

1.2 紐扣式電極測厚原理

圖2 紐扣式環狀電導傳感器Fig.2 Film thickness sensor spool with eight flush-mounted probes

測量液膜厚度的方法主要有：電導法、電容法、光學法、圖像法等[21]。本文采用的“紐扣式電導傳感器”[22-24]，如圖2所示，是由同軸安裝的兩個電極環片及兩電極片之間的絕緣層組成，因其形狀類似“紐扣”，故得其名，也有學者稱其為“同心探針”[22]。同其他測厚法相比，紐扣式電導傳感器干擾小、精度高且操作簡便。如圖2 所示，將8 個紐扣式傳感器間隔45°安裝，組裝成一個環狀傳感器，這樣可同時獲得液膜厚度的周向信息；將8 個電極面加工成弧形，使之可與74 mm內徑管道相嵌，并用一個可拆卸的法蘭段固定，這樣可獲得不同軸向截面處的液膜厚度信息。

紐扣式電導傳感器的測量原理是：當不同厚度值的液體流過兩個電極時，會使兩電極間的電導值發生變化[25]。在壓力與溫度變化不大的前提下（也即液體的電導率及介電常數不會發生太大變化），根據設計回路可將電導值轉化為輸出電壓，再根據提前標定好的輸出電壓與液膜厚度的關系，從而可將所顯示的電壓值轉化為液膜厚度值，如圖3所示。

紐扣式電導傳感器的標定：本文將已知直徑的多個實心絕緣棒同軸地插入紐扣式環狀電導傳感器中，向絕緣棒與管壁之間的縫隙中注入被測液體（液膜厚度便可知），然后接通電路后測得對應的輸出電壓，即可獲得輸出電壓與液膜厚度間的對應關系。標定方法及結果如圖4所示。

圖3 電導法測厚原理Fig.3 Principle of thickness measurement by conductance method

圖4 液膜厚度標定過程及結果Fig.4 Calibration process and result of liquid film thickness

1.3 數據采集范例

圖5 液膜厚度的時域分布圖及時-空均值的重復性實驗Fig.5 Temporal data of liquid film thickness and repeatability tests for the liquid film thickness's temporal and spatial average values

2 實驗結果與討論

本文研究了GLCC 入口氣液相流量、入口噴嘴尺寸對GLCC 上部筒體液膜厚度的空間分布特性，針對兩個入口噴嘴之間的區別，需補充說明的是：（1）兩個入口噴嘴的收縮比RS不同，RS定義為噴嘴末端面積與始端面積的比值，即RS=b/a，1#噴嘴RS=0.741，2#噴嘴RS=0.315；（2）兩個入口噴嘴的筒體截面比KA不同，KA定義為豎直筒體截面積與噴嘴末端面積之比，即KA=πD2/4ab，1#噴嘴KA=1.991，2#噴嘴KA=4.685。

2.1 液膜厚度與入口氣量、液量的關系

圖6 展示了1#、2#噴嘴在截面z=250 mm 處的液膜厚度隨入口氣量、液量的分布規律，其他工況下的液膜厚度分布規律類似。從圖中可以看出，當Ql一定時，δ 隨Qg的增大而增大，且呈現“S”形分布；而當Qg一定時，δ隨Ql的增大近乎線性增大。

當入口氣量固定時，增大入口液量會使進入GLCC 上部筒體的液量增多，液膜厚度隨之變厚，這與Movafaghian 等[4]、Hreiz 等[6]對GLCC 上部筒體液膜含量的定性觀察結果相符合，也與其他研究者[26-30]對于常規豎直管中的測量結果相一致。而當入口液量固定時，隨著氣量的增加，GLCC 液膜厚度的分布與普通豎直管存在差異：在普通豎直管中，無論是否存在旋轉效應，液膜厚度隨氣量的增大呈近線性減小分布[26-30]。前已述及，GLCC 與普通豎直管的差異主要在于入口結構，進而導致氣液兩相進入筒體后分布形式的不同。在普通豎直管中，一旦入口液量確定，不論入口氣量作何改變，其筒體內的液相含量是一定值，即氣液量彼此獨立；而在GLCC中，其上部筒體內的液膜含量同時受入口氣液量的影響，入口氣量的增大往往意味著其自入口管攜帶液量能力的提升，進而使液膜厚度變厚。關于其“S”形分布形式，可從GLCC 旋流效應和軸向效應間的相互作用作解釋：一方面，離心力的存在使壓力沿徑向產生新的分布，對邊壁液膜存在“擠壓”作用使其變薄，另一方面又有利于捕集氣芯中的液滴使之沉積于邊壁液膜使其變厚；氣體軸向曳力的存在一方面會攜帶更多的液體進入上部筒體使液膜厚度變厚，另一方面又會加快液膜流速使其變薄。旋流效應與軸向效應彼此影響，共同作用，導致了液膜厚度的“S”形分布。

許承煒等[10]曾通過實驗獲得了GLCC 的液相分離效率曲線，結果表明，隨氣量的增大，各液量下的效率曲線呈現“倒S”形分布。他們還結合液膜流型的分布，引入無量綱準數從氣相旋流和軸向效應間的競爭關系對效率曲線“倒S”形分布的原因作了解釋。本文也對GLCC 的液相分離效率做了測量，得到的分布形式與前人結果一致，如圖7 所示。結合液膜厚度的“S”形分布樣式，進一步驗證了Hreiz等[6]和Yue 等[12]的觀點，即液膜逃逸是使LCO 發生的直接原因。

2.2 不同軸向截面的液膜厚度與入口噴嘴的關系

圖8展示了不同入口噴嘴所對應的液膜厚度隨軸向位置的分布情況，其他氣量、液量下的結果類似。可以看出，距離入口越遠，液膜厚度越小；此外，1#與2#噴嘴在不同軸向位置的厚度大小存在差異：在第一個測量截面z=150 mm 處，2#噴嘴對應的液膜厚度大于1#噴嘴，而在其他位置，均為1#噴嘴對應的液膜厚度大于2#噴嘴。液膜厚度沿軸向向上逐漸變薄，由于重力作用，越靠近入口處液膜越厚，意味著GLCC 上部筒體內的氣液流動處于發展狀態。不同入口噴嘴對應的液膜厚度在不同軸向位置的分布還可進一步從圖9中展示，可以看出，在z＜250 mm位置，2#噴嘴對應的液膜厚度更厚。

圖6 GLCC液膜厚度與入口氣量、液量的關系Fig.6 Relation between liquid film thickness and inlet gas-liquid flow-rates of GLCC

圖7 GLCC液相分離效率曲線Fig.7 Curves of GLCC’s liquid phase separation efficiency

圖8 GLCC不同入口噴嘴下液膜厚度在不同截面處的分布（Ⅰ）Fig.8 Distribution of liquid film thickness at different crosssections under the different inlet nozzles of GLCC（Ⅰ）

本文認為，上述現象可據圖10作解釋。如圖10（a）所示，Yue 等[12]曾根據對GLCC 氣液流動現象的觀察，將其上部筒體劃分為三個區間，即：離心分離區、曳力拖拽區以及液相逃逸區。被測位置z=150 mm（約2倍筒徑）位于離心分離區，該區距離入口最近，易受入口來流的切向速度以及入口液體碰壁產生液滴的影響：強離心力有利于補集氣芯中的離散液滴并維持液膜在該區間快速旋轉。顯然，同1#噴嘴相比，2#噴嘴的漸縮程度大，流體進入筒體時的切向速度大，與筒體壁面碰撞產生離散液滴的數量也多，故在該區間2#噴嘴對應的液膜厚度較厚。但需指出，2#噴嘴在該區間的液膜厚度大，不代表相同工況下對應的筒體液膜含量大。從圖8 也可看出，在Ql=1.5 m3·h-1，Qg=200 m3·h-1時，2#噴嘴在z≥550 mm處已無液膜存在。事實上，在曳力拖拽區以及液相逃逸區，1#噴嘴對應的液膜量更大，該現象可據圖10（b）解釋。在與入口相切的筒體截面處，1#噴嘴末端端面的寬度值更大，液體進入筒體后，認為主要占據圖中所示的筒體空白區域，從而這一截面對應的氣體軸向流通面積更小，故在相同的氣量下其軸向流速更大，而氣速越大，越容易攜帶液體進入筒體上部空間。但由于其漸縮程度小，導致其切向速度小，故其未能充分維持液膜在靠近入口處旋轉，從而液膜被大的軸向流速攜帶至遠離入口的位置，乃至鋪滿整個筒體壁面。因此在非離心分離區，1#噴嘴對應的液膜厚度更厚。

圖9 GLCC不同入口噴嘴下液膜厚度在不同截面處的分布（Ⅱ）Fig.9 Distribution of liquid film thickness at different crosssections under the different inlet nozzles of GLCC(Ⅱ)

圖10 GLCC上部筒體分區及入口截面處的氣相有效流通面積（俯視圖）Fig.10 Different segments of upper cylinder and effective cross-section area of gas phase at inlet section of GLCC (top view)

此外，關于入口噴嘴尺寸對GLCC 分離性能的影響，Hreiz 等[6]、蔣明虎等[7]、路遠[9]曾做過相關研究。結果表明，入口噴嘴尺寸對GLCC 上部筒體內的氣液流動現象影響顯著：尺寸過大會導致流體的旋流強度較弱，進而造成液體大量上竄發生LCO；尺寸過小會增大旋流強度，過大的旋流強度會使近壁處的氣相軸向速度提升[6,31]，從而便于向上攜帶液體發生LCO，且過小的噴嘴尺寸還會對GLCC 的流型分布產生影響[9]。入口噴嘴尺寸不宜過大或過小，存在一個合理的尺寸使得GLCC 的分離性能更優[9]。本文關于入口噴嘴尺寸與液膜厚度的關系也說明，就液相分離效率而言，2#噴嘴優于1#噴嘴。

2.3 不同流型下液膜厚度分布特征

在氣液兩相流動中，流型是指兩相介質的分布情況[32]。不同流型的分布特征不同，對分離器分離性能的影響也不盡相同。液膜厚度作為液膜流型的重要參數之一，有必要對兩者間的對應關系給予描述。

陳曉慧[33]研究了GLCC 上部筒體內的流型分布，針對空氣-水體系，觀察并定義了三種流型：旋環流、過渡流、攪混流，見圖11。當流型為旋環流時，僅有部分液膜在GLCC 入口上方旋轉，連續氣相占據了大部分空間；當流型為過渡流時，液膜開始沿管壁上下湍動，但未充滿整個筒體壁面；當流型為完全攪混流時，湍動液膜運動更加劇烈，筒體持液量增大，液膜鋪滿整個上部筒體壁面。

圖12 不同流型下液膜厚度分布特征Fig.12 Distribution characteristics of liquid film thickness under different flow patterns

根據液膜厚度實測結果，結合流型分布情況，可對二者間關系做定性描述，見圖12。其中，旋環流和過渡流可用圖12（a）表示，完全攪混流可用圖12（b）表示。事實上，無論何種流型，由于GLCC 入口管的“短路流效應”[12]，在離心分離區都存在一個旋流液膜周向鋪滿筒壁的形成過程（類似螺旋帶），大約在二倍筒體直徑的高度處液膜厚度達到最厚，而后開始軸向發展。當流型為完全攪混流時，在GLCC 豎直筒體與溢流管交界處，由于二者直徑的突變，液膜會在此處形成堆積，故而液膜厚度會變厚。

3 結 論

GLCC 上部筒體內的旋流液膜厚度是關鍵的特征參數，本文利用紐扣式電導傳感器獲得了其厚度的平均分布特性，得到如下結論。

（1）液膜厚度隨入口氣、液量的增大而增大：當入口液量固定時，液膜厚度隨入口氣量的增大呈現“S”形分布；當入口氣量固定時，液膜厚度隨入口液量的增大呈現近線性分布。液膜厚度與入口氣、液量的關系表明液膜逃逸是造成GLCC 液相分離效率降低的直接原因。

（2）GLCC 上部筒體內的氣液流動處于發展狀態，總體上液膜厚度沿筒體軸向向上趨于減小。但當液膜鋪滿整個筒體壁面后，由于溢流管直徑小于筒體直徑，液體會在出口處發生聚集，導致液膜厚度再次變厚。

（3）GLCC 入口噴嘴尺寸對其上部筒體內液膜厚度的分布影響顯著，存在合理的噴嘴尺寸使得上部筒體內液膜厚度更薄，液膜含量更低，進而液相分離效率更高。

（4）GLCC 上部筒體內不同流型的液膜厚度沿筒體軸向向上的分布不同：當流型為旋環流和過渡流時，液膜厚度沿筒體軸向先增大后減小；當流型為完全攪混流時，液膜厚度沿筒體軸向先增大后減小然后增大。

符 號 說 明

a——入口噴嘴末端端面長度，m

b——入口噴嘴末端端面寬度，m

D——筒體直徑，m

d——傾斜管直徑，m

El——液相分離效率，%

f——采樣頻率，Hz

KA——筒體截面比，KA=πD2/(4ab)

L——筒體高度，m

N——電導傳感器個數

Qg,Ql——分別為氣、液體積流量，m3·h-1

RS——入口噴嘴收縮比，RS=b/a

t——采樣時間，s

z——軸向位置，m

δ——液膜厚度，m

θ——傾斜管下傾角度，(°)