一種改進型T型管氣液分離室內試驗研究

楊風斌，顧永濤，王玉江，蒿秋軍，史仕熒，李華

（1.勝利油田孤東采油廠，山東 東營 257237；2.勝利油田工程技術管理中心，山東 東營 257000；3.勝利油田注汽技術服務中心 孤島注汽項目部，山東 東營 257000；4.中國科學院力學研究所，北京 100190）

0 引言

隨著油田開采進入中后期，采出液含油率逐年升高，使得油田瀕臨經濟開采極限，采用大罐式分離設備體積大、成本高，急需緊湊型分離設備以精簡流程、降低開采成本。而采用緊湊型分離器，氣液分離通常是第一環節。目前關于緊湊型氣液分離器的研究大概分為兩類：一類為T型管[1]，另一類為旋流器[2]。對于分離氣液兩相的旋流器一般應用在天然氣工業中，即液相為液滴的氣液分離領域[3]。旋流器應用在含液率較高的氣液分離領域時，通常直徑較大，即做成罐的形式[4]。而對于勝利油田的氣液分離領域，一般液相為連續相，故采用T型管進行氣液分離結構比較緊湊。早在20世紀70年代就有學者對于T型多分叉管開展氣液兩相流動分離的研究[5]，大部分的研究圍繞著T型管內分岔處的結構對氣液兩相分離的影響，很少有關于如何使得T型管適應瞬態萬變的氣液兩相高效分離方面的研究[6-8]。

在上述背景下，本文研究了一種基于管道動態重力沉降原理進行氣液分離的改進型T型管，對其中的氣液分離性能開展了相關室內試驗研究，研究結果為T型管的工業應用提供指導。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置及流程

圖1所示為試驗裝置的結構尺寸圖，這種改進型T型管的上部出口即出氣口設置了一個垂直出口，下部出口即出水口設計了一個U型管。T型管的主管路均由直徑為50 mm的管道連接而成，其中4根豎直管水平間距為1000 mm，垂直間距為600 mm，總體長度為4000 mm，其中定義h為氣液界面距離水平管的高度。

圖1 改進型T型管結構尺寸圖

將改進型T型管安裝在如下試驗流程中：氣、水兩相分別從空壓機、水泵計量后以一定含氣率進入T型管，經過T型管分離后，氣相從上部流出，水相從下部出液口流出回到水罐，然后水被泵抽回系統循環試驗，如圖2所示。

圖2 試驗系統流程圖

1.2 試驗介質

試驗介質為空氣和水，試驗在常溫下開展，其中水的密度為1000 kg/m3，黏度為0.013 Pa·s。為了便于觀察，利用水溶性葡萄紫將水染成紫色。

2 試驗結果與討論

2.1 參數定義

本文涉及到的入口含氣率即入口氣體的流量與總體積流量之比，定義如下：

α=Qg/Qh。

式中：Qg為入口氣相體積流量，m3/h；Qh為入口總體積流量，m3/h。

入口混合流速v的定義如下：v=Qh/A。

式中，A為管道橫截面積，m2。

2.2 氣液分離性能隨氣液界面波動變化規律

當入口含氣率為25%，入口混合流速為1 m/s，試驗改變氣液界面，觀察從出氣口、出液口的氣液兩相流流態。試驗發現，當氣液界面高度為0時，可以看到出氣口不含液體，但是部分氣泡被攜帶從出液口流出，即使有U型管，氣泡仍然被攜帶從出液口流出。隨著氣液界面的升高，在豎直管的范圍內，出液口不含氣、出氣口不含液體。當氣液界面到達上部水平管中時，出液口不含氣體、出氣口會有少部分液體被攜帶從出氣口流出；相對于出氣口結構不改變時，出氣口的含液率大大降低。這主要是由于液體的密度高于氣體，氣體攜帶液體向上流動所需的能量會高于氣體攜帶液體水平向前運動，故部分液體會在重力作用下向下運動，氣液分離性能得到提高。

2.3 氣液分離性能隨入口流速變化規律

當保持入口含氣率為25%，增大入口混合流速。試驗研究發現，當氣液界面h保持在豎直管范圍內時，速度低于1.5 m/s時，分離的出氣口氣中不含液體，分離的出液口液中不含氣體；當速度達到1.5 m/s時，分離后的出氣口氣中仍然不含液滴，但是出液口會含有少部分氣泡。觀察發現主要是由于速度較高時，部分小氣泡沒來得及上升至T型接頭進入豎直管，而快速被液體攜帶從出液口流出，說明改進后的T型管應用時應保持在一定的入口混合流速范圍內，從而使得其分離性能優良。

2.4 氣液分離性能隨入口含氣率變化規律

當入口流速為1.0 m/s，保持氣液界面h在豎直管范圍，改變入口含氣率，試驗結果如圖5所示。從試驗可以看出，隨著入口含氣率增大，只要氣液界面在豎直管范圍內，出氣口不含液體，出液口不含氣體。當含氣率較低時，將出氣口閥門關小從而維持氣液界面在豎直管范圍內；當含氣率較高時，將出氣口閥門開大從而讓氣體快速流出，氣液界面也可以維持在豎直管范圍內。故含氣率改變對改進型氣液分離器分離性能影響也不大。

圖5 入口含氣率對T型管分離性能的影響

3 結論

通過對T型管出氣口、出液口的結構進行改進，并經試驗研究得到如下結論：1）出氣口結構改進可以降低出氣口氣體攜帶液滴的能力，從而降低出氣口氣中含液率；出液口結構的改進對于提高氣液分離性能的作用有限；2）當其余條件一致，入口混合流速在1.5 m/s以內變化氣液界面時，氣液界面高于下水平管的上表面，低于上水平管的下表面，能夠使得改進后的T型管出氣口不含液、出液口不含氣。3）當其余條件不變，保持氣液界面在豎直管范圍內，入口混合流速低于1.5 m/s時，氣液分離性能優良，T型管的最佳流速范圍應控制在1.5 m/s以內。4）當入口混合流速在1.5 m/s以內，氣液界面豎直管范圍內，其余條件一致的前提下，改變入口含氣率，試驗發現，T型管能夠適應廣泛的氣液兩相流相含率范圍。

圖3 氣液界面對T型管分離性能的影響

圖4 入口流速對T型管分離性能的影響

總之，改進型T型管性能優良，通過對其性能研究，獲得了其性能變化規律，研究為其工業應用提供了指導。