柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景
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时从 环境 和 安全 考 虑, 它可 明 显 降低 烃 的 残留 量 \ [ 3 \ ] 。一项对几种气液分离器尺寸和质量的研
究报告表明: 在分离压力为 680 kP a, 气液流量分 别为 1 980 m3 / d 和 16 000 m3 / d的条件下, GLCC 的内径和高度为 115 m 和 6 m, 这两个尺寸分别是 相应的传统立式分离器 ( 217 m @ 1015 m ) 的 "- 和 卧式分离器 ( 5179 m @ 22186 m ) 的 "/ , 另外, 其 质量分别是立式的 "3 和卧式的 1 / 64\ [ 4 \ ] 。
对于无法避免液体携带气体的流动情况, 液相 需三相计量系统。一般来说, 液相部分多相仪表的 准确性依赖于除去气体的量, 大多数的多相计量仪 表都有一个关于气体体积分量的上限值, 以确保其 计量精度。除提高精度外, 部分气体分离使应用更 小且便宜的多相计量仪表成为可能。由资料表明, 对于多相计量系统来说, 其成本与大小直接相关, 将小巧的计量装置与 GLCC 联合使用所节省的费用 可达 GLCC本身成本的 4倍。
此外, GLCC 还可以采用双入口、并联或串联
等型式, 以此来适应不同范围的气液处理量, 并降 低出口的气体带液率和液体带气率, 提高 GLCC 的 分离效果。
综上所述, GLCC 是 一种结构简 单、能耗 低、 质量轻、应用方便的分离器, 使用于多种用途, 从 部分分离到完全分离都可用 \ [ 8 \ ] 。随着研究的不 断深入, GLCC 的应用必将越来越广泛, 在石油石 化工业发展中有广阔的应用前景。
( 5) 不完 全分离 小型 GLCC 更适合于需要 气体部分 ( 不完全 ) 分离的场合, 其中一种应用 是高压油井中通过不完全分离而产生的气体用作低 压油井的气举作业。在美国 Oklahom a州的 Chevron 石油公司设计的海上气举系统中, GLCC 是作为核 心装置的, 它不需要气体压缩机和气举管线。
过去对 GLCC 分离器的性能预测只是在实验、 经验及经验公式的基础上进行的, 一定条件下这些 方法均受到限制, 目前正在努力建立用于 GLCC的 力学模型, 并且研制 CFD 模拟系 统。其中, 力学 模型提供了 GLCC设计及性能预测的实用方法, 采 用简化的、理想化的假设条件, 能够掌握足够的问 题变化基本规律, 可以依此针对不同的流动形态进 行内推及外推, 安装和计算快速、可以将整个系统 进行模型化、适于 PC 操作等; CFD 模拟可以详细 地预测 GLCC内复杂的水力流动形态, 包括流场、 浓度分布、分散相粒子运移轨迹等。目前建立模型 的最终目的是为了预测 GLCC 两出口中气体含液量 及液体含气量的范围。当力学模型与真实数据进行 验证不能实现时, 采用 CFD模拟对力学模型进行 修正与改进。
关键词 柱状气液旋流分离器 气液分离 研究现状 应用前景
引
言
GLCC 结构、工作原理及研究现状
在石油石化工业中, 为了满足计量、加工、储 存和长距离输送的需要, 必须将石油按液体和气体 分开, 这个过程通常在分离器和塔器中进行, 这是 油田和炼油厂中使用最多、最重要的压力容器设备
之一。 纵观气液分离器的发展过程 \ [ 1, 2 \ ] , 大体分为
2006年 第 34卷 第 4期 ! 专题综述 #
石油 机械 CH INA PETROLEUM M ACH INERY
) 71 )
柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景
寇杰
( 中国石油大学 # 华东 )
摘要 气液旋流分离器 ( GLCC) 依据离心分离原理实现气液的分离, 与传统的依靠重力实 现气液分离的容积式分离器相比, 具有结构简单、能耗低、质量轻、应用方便等优点。简要介绍 了 GLCC的结构、工作原理和研究现状, 在此基础上, 较为详细地描述了其在石油石化工业中的 应用前景。
参 考文献
1 K ouba, G ene E, Shoham, O vadia, Shiraz,i S iam ack A1D esign and per fo rm ance o f gas- liquid cyclone separators1P roceedings o f the BHR G roup 7th Interna tiona lM ee-t ing on M u ltiphase F low, C annes, F rance, June 7 - 9, 1995, 307~ 327
) 72 )
石油机械
2006年 第 34卷 第 4期
入口下落到旋涡当中。因此, 很难对 GLCC 进行准 确的性能预测, 一般用气体出口的带液率和液体出 口的带气率以及流体通过 GLCC 的压降来评价 GLCC 的分离性能。
GLCC水力特性预测的困难阻碍了其应用范围 的扩大, 目前实验室研究及计算机模拟表明, GLCC 的结构改进对其性能可产生深远的影响, 因此 可通过结构改进wenku.baidu.com GLCC 的分离性能加以改善。结 构改进主要从入口 设计、 GLCC 主体结构、液面控 制、整体分离系统入手, 另外还针对辅助结构考虑了 其它潜在的改进技术, 但是现阶段还不成熟 \ [ 6 \ ] 。
2006年 第 34卷 第 4期
寇 杰: 柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景
) 73 )
CC 的现有测试分离器的性能改善进行评估。 ( 4) 完全代替传统的分离 器 具有切向入口
的立式分离器在油田中已经相当普遍, 采用 GLCC 之前的分离器大多庞大而笨重, 并带有垂直的低速 切向入口管。切向速度通常很低, 以至于重力、离 心力和浮力基本平衡而起不到分离的作用。 GLCC 硬件及软件的发展使其体积减小, 改善了立式分离 器的分离性能, 这样节省占地或平台面积、减少投 资, 对海洋油气田的开发具有重要意义。
种应用包括从部分的气液分离到完全的分离, 因此 其应用空间非常广阔。目前, 认为 GLCC 可以用于 以下工艺中, 当然这其中也有成功的例子。
( 1) 单相流量计计量用 GLCC 经 GLCC 分离 出来的天然气由安装在气体出口的单相气体流量计 计量, 分离出来的液体混合物由安装在液体出口的 单相液体流量计计量, 然后气体管线和液体管线汇 合进入下一个环节。此种用途的 GLCC 液位可以用 气、液出口的压差来控制。
GLCC也可用来控制进入多相泵的两相混合介 质气液比的大小, 以此来提高泵效。另一项研究表 明, 几种 GLCC 与喷射泵的组合装置可以用来从高 压多相流油井中吸取能量, 从而提高低压油井的采 收率。
( 7) 海底应用 GLCC技术对石油工业最大的 冲击可能就是在海底分离方面的应用。 B aker A C 等人在 / The VASPS Subsea Separa tion and Pum p ing System 0 ( T rans, Inst1 o f Chem ical Eng ineers, 1992 年 1月 ) 一文中得出结论: 井口分离及泵送是用 于采出液长距离输送的热效率最高的一种方法。在 一项最新的研究中, P rado 等人认为此项技术也适 用于浅海及中深海应用。海底应用要求分离器的设 计及性 能具有高度的 可靠性, 要求 设备简单、小 巧、强度高, 且经济性好。 GLCC 的优点使其在竞 争力极大的众多技术当中表现尤为出色。
( 6) 小型分离系统 小型分离系统通过尺寸 及质量的减少使采油成本和油气处理费用大幅度降 低。另外, 去除液体中的大部分气体会减少液流的 扰动, 并可以提高下游分离设备 ( 如井口除砂水 力旋流器、原油预分水型和脱水型水力旋流器 ) 的分离性能, 以此提高除砂效果和改善排出水的质 量。目前, 某些石油公司正在研究 GLCC与以上几 种设备的系列组合装置。
GLCC 的结构如图 1所示。它是带有倾斜切向 入口和气体及液体出口的垂直管, 既没有可运动部 件, 也无需内部装置 \ [ 5 \ ] 。气液混合物由 切向入 口进入旋流分离器后形成的旋流产生比重力高出许 多倍的离心力, 由于气液相密度不同, 所受离心力 差别很大, 重力、离心力和浮力联合作用将气体和 液体分离。液体沿径向被推向外侧, 并向下由液体 出口排出; 而气体则运动到中心, 并向上由气体出 口排出。
用于此种用途的 GLCC 特别适合于井口计量。 GLCC 的小型化使计量回路质量轻、占地少, 并可 以制成橇装式, 具有移动灵活的特点。
( 2) 多相流流量计计量用 GLCC GLCC 大多 数用于作多相计量环路, 只不过此时液体出口用的 流量计由单相液体流量计更换为多相流量计, 这种 类型的计量环路优于传统分离的单相计量和未分离 多相计量。在某种程度上, 此环形结构具有自我调 节能力, 它可 以减 少甚 至消 除液位 控制 的需 要。 GLCC 紧凑的结构致使计量环路比传统的计量分离 器质量轻, 占地少, 以及较少的烃储量, 同时比传 统分离器分离更彻底。该 GLCC 计量回路与传统不 分离三相计量仪器相比, 在很大的流量范围内都可 改善其中任何一相计量的准确性, 同时具有成本低 的优点。
图 1 GLCC 结构示意图
GLCC 的操作受到 2个因素的限制, 即顶部气 流中的含液量及底部液流中的含气量。气流中出现 液体表明携带液体的开始; 底部液流中出现气泡表 示其已开始携带气 体。可以由这 2 种现象 来界定 GLCC 的高效运行范围。由于在 GLCC 内部气液的 流动形式复杂多变, 在入口上方的流动形式包括气 泡流、分层流、段塞流、环状流和雾状流等; 在入 口下方的流动形式由一个带有丝状气核的液体旋涡 组成; 在液面远低于入口时, 液体以涡流的形式由
GLCC 的应用前景
随着石油石化工业的发展, 高效、紧凑、结构 简单的 GLCC必将应用越来越广泛, 具有广阔的应 用前景。
11 在 石化 工业 中的 应用前 景 炼油厂处 理原油的第一个工艺环节是常压蒸 馏。处理后达标的原油通过加热炉加热到 370 e 左 右进入常压蒸馏塔, 在此温度下, 原油由于汽化形 成气液两相, 此时如果转油线内流型控制不好, 就 会造成常压蒸馏塔操作不稳定或分馏效果变差。但 如果在加热炉与常压蒸馏塔之间增加一 GLCC, 使 分离出来的汽相进入蒸馏塔的上部, 分离出来的液 相沿原转油线进入蒸馏塔, 这样就变成了分体式转 油线, 避免了对塔的冲击, 增大了操作稳定性, 提 高了常压蒸馏塔的分馏效率。 21 在 石油 工业 中的 应用前 景 GLCC在陆上及海上油气田开发和生产中的各
( 3) 传统容器式分离器或液 塞捕集器预分离 装置 对于大的卧式分离器的内部分离设备中, 旋 流分离已证明是非常有用的。 GLCC 也可作为有用 的外部预分离装置来改善现有卧式分离器的性能, 在原有容器式分离器或液塞捕集器的前面串联 GLCC, 为原有分离装 置提供 初步 分离的 平稳来 流, 通过分离出部分气体, 分离器液位得以提高, 相应 的停留时间增 长, 避免了容 器内雾状流流 型的出 现, 提高原有分离装置的处理能力和分离效果。可 作为现有 传统容器式分离器 \ [ 7 \ ] 的改造措 施。巴 西 P etrobras公司采用 GLCC 预分离器在某油田中对 现有分离器进行了改进, 另一家公司正对采用 GL-
3个阶段, 最早出现并大量使用的是传统的容器式 分离器 ( 立式或 卧式 ) 与 容器式 凝析 液捕 集器。 经过几十年的发展, 该项技术已基本成熟。当前研 究的重点是研制高效的内部填料以 提高其分离效
率。容器式分离器仅仅依靠气液相密度差实现重力
分离, 需要较长的停留时间, 因此容器式分离器体 积大, 笨重, 投资高。特别是随着海上油气田的开 发, 传统分离器更显示了难以克服的缺点。基于此 原因, 一种新型的分离器 ) ) ) 柱状气液旋流分离器 ( Gas- L iqu id Cy lindrical Cyclone, 简称 GLCC ) 应 运而生, 与传统的容积式分离器相比, 它具有结构 简单紧凑、能耗低、质量轻、应用方便等优点。同
究报告表明: 在分离压力为 680 kP a, 气液流量分 别为 1 980 m3 / d 和 16 000 m3 / d的条件下, GLCC 的内径和高度为 115 m 和 6 m, 这两个尺寸分别是 相应的传统立式分离器 ( 217 m @ 1015 m ) 的 "- 和 卧式分离器 ( 5179 m @ 22186 m ) 的 "/ , 另外, 其 质量分别是立式的 "3 和卧式的 1 / 64\ [ 4 \ ] 。
对于无法避免液体携带气体的流动情况, 液相 需三相计量系统。一般来说, 液相部分多相仪表的 准确性依赖于除去气体的量, 大多数的多相计量仪 表都有一个关于气体体积分量的上限值, 以确保其 计量精度。除提高精度外, 部分气体分离使应用更 小且便宜的多相计量仪表成为可能。由资料表明, 对于多相计量系统来说, 其成本与大小直接相关, 将小巧的计量装置与 GLCC 联合使用所节省的费用 可达 GLCC本身成本的 4倍。
此外, GLCC 还可以采用双入口、并联或串联
等型式, 以此来适应不同范围的气液处理量, 并降 低出口的气体带液率和液体带气率, 提高 GLCC 的 分离效果。
综上所述, GLCC 是 一种结构简 单、能耗 低、 质量轻、应用方便的分离器, 使用于多种用途, 从 部分分离到完全分离都可用 \ [ 8 \ ] 。随着研究的不 断深入, GLCC 的应用必将越来越广泛, 在石油石 化工业发展中有广阔的应用前景。
( 5) 不完 全分离 小型 GLCC 更适合于需要 气体部分 ( 不完全 ) 分离的场合, 其中一种应用 是高压油井中通过不完全分离而产生的气体用作低 压油井的气举作业。在美国 Oklahom a州的 Chevron 石油公司设计的海上气举系统中, GLCC 是作为核 心装置的, 它不需要气体压缩机和气举管线。
过去对 GLCC 分离器的性能预测只是在实验、 经验及经验公式的基础上进行的, 一定条件下这些 方法均受到限制, 目前正在努力建立用于 GLCC的 力学模型, 并且研制 CFD 模拟系 统。其中, 力学 模型提供了 GLCC设计及性能预测的实用方法, 采 用简化的、理想化的假设条件, 能够掌握足够的问 题变化基本规律, 可以依此针对不同的流动形态进 行内推及外推, 安装和计算快速、可以将整个系统 进行模型化、适于 PC 操作等; CFD 模拟可以详细 地预测 GLCC内复杂的水力流动形态, 包括流场、 浓度分布、分散相粒子运移轨迹等。目前建立模型 的最终目的是为了预测 GLCC 两出口中气体含液量 及液体含气量的范围。当力学模型与真实数据进行 验证不能实现时, 采用 CFD模拟对力学模型进行 修正与改进。
关键词 柱状气液旋流分离器 气液分离 研究现状 应用前景
引
言
GLCC 结构、工作原理及研究现状
在石油石化工业中, 为了满足计量、加工、储 存和长距离输送的需要, 必须将石油按液体和气体 分开, 这个过程通常在分离器和塔器中进行, 这是 油田和炼油厂中使用最多、最重要的压力容器设备
之一。 纵观气液分离器的发展过程 \ [ 1, 2 \ ] , 大体分为
2006年 第 34卷 第 4期 ! 专题综述 #
石油 机械 CH INA PETROLEUM M ACH INERY
) 71 )
柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景
寇杰
( 中国石油大学 # 华东 )
摘要 气液旋流分离器 ( GLCC) 依据离心分离原理实现气液的分离, 与传统的依靠重力实 现气液分离的容积式分离器相比, 具有结构简单、能耗低、质量轻、应用方便等优点。简要介绍 了 GLCC的结构、工作原理和研究现状, 在此基础上, 较为详细地描述了其在石油石化工业中的 应用前景。
参 考文献
1 K ouba, G ene E, Shoham, O vadia, Shiraz,i S iam ack A1D esign and per fo rm ance o f gas- liquid cyclone separators1P roceedings o f the BHR G roup 7th Interna tiona lM ee-t ing on M u ltiphase F low, C annes, F rance, June 7 - 9, 1995, 307~ 327
) 72 )
石油机械
2006年 第 34卷 第 4期
入口下落到旋涡当中。因此, 很难对 GLCC 进行准 确的性能预测, 一般用气体出口的带液率和液体出 口的带气率以及流体通过 GLCC 的压降来评价 GLCC 的分离性能。
GLCC水力特性预测的困难阻碍了其应用范围 的扩大, 目前实验室研究及计算机模拟表明, GLCC 的结构改进对其性能可产生深远的影响, 因此 可通过结构改进wenku.baidu.com GLCC 的分离性能加以改善。结 构改进主要从入口 设计、 GLCC 主体结构、液面控 制、整体分离系统入手, 另外还针对辅助结构考虑了 其它潜在的改进技术, 但是现阶段还不成熟 \ [ 6 \ ] 。
2006年 第 34卷 第 4期
寇 杰: 柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景
) 73 )
CC 的现有测试分离器的性能改善进行评估。 ( 4) 完全代替传统的分离 器 具有切向入口
的立式分离器在油田中已经相当普遍, 采用 GLCC 之前的分离器大多庞大而笨重, 并带有垂直的低速 切向入口管。切向速度通常很低, 以至于重力、离 心力和浮力基本平衡而起不到分离的作用。 GLCC 硬件及软件的发展使其体积减小, 改善了立式分离 器的分离性能, 这样节省占地或平台面积、减少投 资, 对海洋油气田的开发具有重要意义。
种应用包括从部分的气液分离到完全的分离, 因此 其应用空间非常广阔。目前, 认为 GLCC 可以用于 以下工艺中, 当然这其中也有成功的例子。
( 1) 单相流量计计量用 GLCC 经 GLCC 分离 出来的天然气由安装在气体出口的单相气体流量计 计量, 分离出来的液体混合物由安装在液体出口的 单相液体流量计计量, 然后气体管线和液体管线汇 合进入下一个环节。此种用途的 GLCC 液位可以用 气、液出口的压差来控制。
GLCC也可用来控制进入多相泵的两相混合介 质气液比的大小, 以此来提高泵效。另一项研究表 明, 几种 GLCC 与喷射泵的组合装置可以用来从高 压多相流油井中吸取能量, 从而提高低压油井的采 收率。
( 7) 海底应用 GLCC技术对石油工业最大的 冲击可能就是在海底分离方面的应用。 B aker A C 等人在 / The VASPS Subsea Separa tion and Pum p ing System 0 ( T rans, Inst1 o f Chem ical Eng ineers, 1992 年 1月 ) 一文中得出结论: 井口分离及泵送是用 于采出液长距离输送的热效率最高的一种方法。在 一项最新的研究中, P rado 等人认为此项技术也适 用于浅海及中深海应用。海底应用要求分离器的设 计及性 能具有高度的 可靠性, 要求 设备简单、小 巧、强度高, 且经济性好。 GLCC 的优点使其在竞 争力极大的众多技术当中表现尤为出色。
( 6) 小型分离系统 小型分离系统通过尺寸 及质量的减少使采油成本和油气处理费用大幅度降 低。另外, 去除液体中的大部分气体会减少液流的 扰动, 并可以提高下游分离设备 ( 如井口除砂水 力旋流器、原油预分水型和脱水型水力旋流器 ) 的分离性能, 以此提高除砂效果和改善排出水的质 量。目前, 某些石油公司正在研究 GLCC与以上几 种设备的系列组合装置。
GLCC 的结构如图 1所示。它是带有倾斜切向 入口和气体及液体出口的垂直管, 既没有可运动部 件, 也无需内部装置 \ [ 5 \ ] 。气液混合物由 切向入 口进入旋流分离器后形成的旋流产生比重力高出许 多倍的离心力, 由于气液相密度不同, 所受离心力 差别很大, 重力、离心力和浮力联合作用将气体和 液体分离。液体沿径向被推向外侧, 并向下由液体 出口排出; 而气体则运动到中心, 并向上由气体出 口排出。
用于此种用途的 GLCC 特别适合于井口计量。 GLCC 的小型化使计量回路质量轻、占地少, 并可 以制成橇装式, 具有移动灵活的特点。
( 2) 多相流流量计计量用 GLCC GLCC 大多 数用于作多相计量环路, 只不过此时液体出口用的 流量计由单相液体流量计更换为多相流量计, 这种 类型的计量环路优于传统分离的单相计量和未分离 多相计量。在某种程度上, 此环形结构具有自我调 节能力, 它可 以减 少甚 至消 除液位 控制 的需 要。 GLCC 紧凑的结构致使计量环路比传统的计量分离 器质量轻, 占地少, 以及较少的烃储量, 同时比传 统分离器分离更彻底。该 GLCC 计量回路与传统不 分离三相计量仪器相比, 在很大的流量范围内都可 改善其中任何一相计量的准确性, 同时具有成本低 的优点。
图 1 GLCC 结构示意图
GLCC 的操作受到 2个因素的限制, 即顶部气 流中的含液量及底部液流中的含气量。气流中出现 液体表明携带液体的开始; 底部液流中出现气泡表 示其已开始携带气 体。可以由这 2 种现象 来界定 GLCC 的高效运行范围。由于在 GLCC 内部气液的 流动形式复杂多变, 在入口上方的流动形式包括气 泡流、分层流、段塞流、环状流和雾状流等; 在入 口下方的流动形式由一个带有丝状气核的液体旋涡 组成; 在液面远低于入口时, 液体以涡流的形式由
GLCC 的应用前景
随着石油石化工业的发展, 高效、紧凑、结构 简单的 GLCC必将应用越来越广泛, 具有广阔的应 用前景。
11 在 石化 工业 中的 应用前 景 炼油厂处 理原油的第一个工艺环节是常压蒸 馏。处理后达标的原油通过加热炉加热到 370 e 左 右进入常压蒸馏塔, 在此温度下, 原油由于汽化形 成气液两相, 此时如果转油线内流型控制不好, 就 会造成常压蒸馏塔操作不稳定或分馏效果变差。但 如果在加热炉与常压蒸馏塔之间增加一 GLCC, 使 分离出来的汽相进入蒸馏塔的上部, 分离出来的液 相沿原转油线进入蒸馏塔, 这样就变成了分体式转 油线, 避免了对塔的冲击, 增大了操作稳定性, 提 高了常压蒸馏塔的分馏效率。 21 在 石油 工业 中的 应用前 景 GLCC在陆上及海上油气田开发和生产中的各
( 3) 传统容器式分离器或液 塞捕集器预分离 装置 对于大的卧式分离器的内部分离设备中, 旋 流分离已证明是非常有用的。 GLCC 也可作为有用 的外部预分离装置来改善现有卧式分离器的性能, 在原有容器式分离器或液塞捕集器的前面串联 GLCC, 为原有分离装 置提供 初步 分离的 平稳来 流, 通过分离出部分气体, 分离器液位得以提高, 相应 的停留时间增 长, 避免了容 器内雾状流流 型的出 现, 提高原有分离装置的处理能力和分离效果。可 作为现有 传统容器式分离器 \ [ 7 \ ] 的改造措 施。巴 西 P etrobras公司采用 GLCC 预分离器在某油田中对 现有分离器进行了改进, 另一家公司正对采用 GL-
3个阶段, 最早出现并大量使用的是传统的容器式 分离器 ( 立式或 卧式 ) 与 容器式 凝析 液捕 集器。 经过几十年的发展, 该项技术已基本成熟。当前研 究的重点是研制高效的内部填料以 提高其分离效
率。容器式分离器仅仅依靠气液相密度差实现重力
分离, 需要较长的停留时间, 因此容器式分离器体 积大, 笨重, 投资高。特别是随着海上油气田的开 发, 传统分离器更显示了难以克服的缺点。基于此 原因, 一种新型的分离器 ) ) ) 柱状气液旋流分离器 ( Gas- L iqu id Cy lindrical Cyclone, 简称 GLCC ) 应 运而生, 与传统的容积式分离器相比, 它具有结构 简单紧凑、能耗低、质量轻、应用方便等优点。同