基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計及實驗工藝分析【一種新型的油水分離設(shè)備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】,一種新型的油水分離設(shè)備,說明書+CAD+SOLIDWORKS,基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計及實驗工藝分析【一種新型的油水分離設(shè)備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】,基于,triz,復(fù)合,式旋流器 緊湊型管柱狀氣液旋流分離器技術(shù)目前的發(fā)展狀況 Ovadia Shoham Gene E. Kouba著 ，狄磊譯 摘要 石油行業(yè)主要依靠傳統(tǒng)的容器式分離器處理井口生產(chǎn)過程中的油/水/氣采出液。但經(jīng)濟性和操作壓力條件不斷要求其尋找新型高效、低成本的緊湊型分離器，特別是在海上油田上這種要求更加迫切。與容器型的分離器相比，緊湊型分離器，如管柱式氣液旋流分離器，不僅簡單，成本低，重量輕，需要很少的維護，而且易于安裝和操作。然而，無法預(yù)測的GLCC性能充分抑制了其廣泛的發(fā)展。目前研發(fā)的目的是研發(fā)必要的性能預(yù)測工具對GLCC分離器進行適當?shù)脑O(shè)計和操作。本文從最先進的仿真和設(shè)計方面，介紹了GLCC目前成功的應(yīng)用，以及潛在的應(yīng)用方面的發(fā)展狀態(tài)。 簡介 GLCC是帶有傾斜切向入口的氣體及液體出口的垂直管。切向液流從入口進入GLCC后形成的漩渦產(chǎn)生了作用于液體的離心力和浮力，其數(shù)值要比重力高出許多倍。重力、離心力、浮力的聯(lián)合作用使氣體和液體的分離開。液體沿徑向被推向外側(cè)，并向下由液體出口排出，而氣體則運動到中心，并向上由氣體出口排出。這一低成本、重量輕、緊湊型的GLCC分離器在替代常規(guī)容器型分離器方面具有很大的吸引力。GLCC和常規(guī)容器型立式和臥式分離器在尺寸方面的差別進行了對比，在表壓力100 PSIG下，石油和天然氣的流速分別為100,000 B / D和70000Mscf/ D，這種情況下，所需的GLCC的直徑和高度尺寸分別為5和20英尺。相當于同規(guī)模的常規(guī)立式分離器（9×35英尺）一半左右的尺寸，相當于常規(guī)臥式分離器（19×75英尺）四分之一左右的尺寸。 GLCC的操作區(qū)域是指由兩個限制的現(xiàn)象：氣體流中遺留液體和液體流中攜帶氣體?，F(xiàn)在已經(jīng)確定液體遺留發(fā)生在氣流中的液體的第一跡線上。類似地，在液體下溢最早觀察到的氣泡與氣體攜帶的發(fā)生有關(guān)。 開發(fā)精確的性能預(yù)測工具中的困難大部分來源于可能發(fā)生在GLCC中的各種復(fù)雜流型。上方的進氣口的流動模式可能包括泡狀流、段塞流、渦流、霧狀流和液體帶流。進氣口下方的流型通常由液體渦旋與氣芯絲組成。在遠低于入口的液位，液體在旋轉(zhuǎn)膜上從入口流向漩渦。 阻礙GLCC更廣泛的使用的最大原因是難以預(yù)測的水動力性能。即使沒有嘗試和測試性能的預(yù)測，GLCC幾個成功的應(yīng)用已經(jīng)有了報道?？煽康男阅茴A(yù)測工具的發(fā)展將通過硬件修改來提高GLCC的性能，最終會加快GLCC技術(shù)在現(xiàn)有的和新的領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展。 硬件的發(fā)展 研究者已經(jīng)對GLCC幾個不同的機械功能配置進行了研究。最近的實驗室觀察和計算機模擬表明，硬件修改會對GLCC的表現(xiàn)產(chǎn)生深遠的影響。以下是總結(jié)的幾個重要的硬件改進。 進氣口設(shè)計。入口部確定進入的氣體/液體分布和GLCC的初始切向入口速度。由于GLCC性能強烈依賴于切向入口的速度，入口一直是最需要重新設(shè)計的GLCC組件。 傾斜的進氣口。傳統(tǒng)的垂直分離器通常使用垂直進氣口。最近的研究已經(jīng)表明，一個傾斜的進氣口，減少氣相中的液體遺留通過兩個方面來提高GLCC的性能。首先,向下傾斜的進口有利于形成分層流，實現(xiàn)了了氣液兩項的初步分離。其次，向下的傾斜結(jié)構(gòu)使經(jīng)過初步分離的液相在進氣口下方旋轉(zhuǎn)一圈之后形成旋流場，避免了對氣相向分離器上方運動的阻塞。 入口噴嘴。噴嘴是入口段最后一個影響進入分離器氣液相流速分布和入口切向速度大小的因素。切向入口噴嘴的制造是GLCC制造中最昂貴的部分。幾種噴嘴配置已經(jīng)過測試，旨在優(yōu)化成本效益的水動力性能。薄的，矩形槽結(jié)構(gòu)是水動力性能的最佳配置，同時也是難以制造的。另一方面，同心圓形的切向入口是容易制造的，但性能較低。通過對具有相同截面積的三種不同的入口槽結(jié)構(gòu)（矩形，圓形，同心圓型和新月型）的初步試驗，發(fā)現(xiàn)同心圓形噴嘴（異徑管）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最差，而月牙型的噴嘴（切向平板）的表現(xiàn)最接近矩形槽結(jié)構(gòu)。 雙入口。雙傾斜的進氣口將入口流預(yù)分為兩股流動：低入口的富含液體的流動和高入口富含氣體的流動。雙入口的試驗表明，在低到中等的氣體流量（在入口處段塞流轉(zhuǎn)為分層流）下，氣體攜帶液率有明顯的降低，而當氣體流量較高時（在入口處為環(huán)狀流），無明顯的變化。 GLCC配置。盡管GLCC的設(shè)計簡單，但幾種可能的配置修改會影響其性能。 進氣口位置。對于沒有液位控制的GLCC，將入口段定位于靠近液面上方是至關(guān)重要的。大多數(shù)測試表明，單入口GLCC的最佳液位是在約低于入口下方1-3個L / D處。液位遠低于3個L/D的會導致切向進氣的速度的顯著衰減，影響GLCC的性能。如果液位高于入口，氣體必然會穿過液體而溢出，造成更多的液體遺留。 最佳長徑比。長徑比是GLCC的長度和直徑之比。它的尺寸影響GLCC的性能和成本。對于一個給定的直徑，GLCC在進氣口上方的長度提供液體擾動的容量，而在進氣口下方的長度決定從液體中分離氣泡的滯留時間。此外，離心力和浮力的大小與直徑成反比，切線速度的衰減與長度成正比。由于這種現(xiàn)象的復(fù)雜性，最近才剛剛提出了一套決定最佳長徑比的基本標準。 旋流體錐度。在對反錐型、正錐型和圓柱型的旋流體的調(diào)查中得出，對于氣/液分離，圓柱型旋流體要稍優(yōu)于反錐形和正錐形結(jié)構(gòu)。 液位控制。GLCC液位控制在大范圍的流動條件下并不容易實現(xiàn)，是因為其體積小。正在研究的幾種不同的液位控制方法，包括氣腿的流量控制，液體的腿流量控制，以及兩條腿的共同流量控制。同時也正在考慮氣腿背壓控制和液體腿液位控制的結(jié)合。其他值得關(guān)注的問題包括能量要求，穩(wěn)定性和成本。 GLCC液位控制的幾個備選方案已付諸實施。例如，一個商業(yè)的多相流測量系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的控制設(shè)備，通過控制出氣流率來控制液位的試驗已經(jīng)在GLCC上取得成功。另一個項目探討的用低功耗替代傳統(tǒng)的電平控制，通過GLCC的靜壓頭差來操作控制裝置。最近的GLCC的性能研究調(diào)查表明，帶有被動控制系統(tǒng)的GLCC，只是使用流量能而沒有使用外部能量。 未來至關(guān)重要的工作是發(fā)展穩(wěn)定，有效的液位控制技術(shù)。由于較小的緊湊型的分離器的滯留時間和控制閥嚴格的響應(yīng)時間的要求，這不是一個簡單的容器式分離器控制技術(shù)的擴展問題。這些技術(shù)應(yīng)該使GLCC能夠處理段塞流、喘流、及廣泛的流速，從基本上符合充滿氣體液體流量條件下的工作要求。 集成分離系統(tǒng)。迫使行業(yè)擺脫傳統(tǒng)的重力分離器轉(zhuǎn)移到小巧的分離系統(tǒng)上存在巨大的經(jīng)濟誘因。GLCC根據(jù)不同的應(yīng)用，可用于完全或部分分離。部分的氣體分離允許下游設(shè)備的更?。ㄒ虼烁阋耍┖透行?。當在結(jié)合多相流量計，分離系統(tǒng)和液/液水力旋流器時，GLCC非常有效。無論是單獨使用或與其它設(shè)備相結(jié)合的配置，GLCC可以顯著的降低成本和重量。這在設(shè)計或改造海上平臺上是特別重要的，平臺的建設(shè)成本的節(jié)省可能比分離設(shè)備的成本高許多倍。 另一種GLCC的組合是兩個GLCC的串聯(lián)使用。 一個商業(yè)測量系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，使用第二級臥式分離器可以去除任何可能從GLCC下面溢出的小氣泡。這使得擴展系統(tǒng)的操作范圍超出了“正?！边\行的GLCC的完整的氣/液分離范圍。 其他硬件的改善。已經(jīng)在考慮的其他幾個潛在的改善，但是，我們在這里還沒有討論他們是因為很少或根本沒有性能信息可用。這些包括一個可變的入口槽區(qū)配置和氣體液體出口的配置。 模擬 過去，在經(jīng)驗法則和經(jīng)驗關(guān)系式的基礎(chǔ)上，進行了GLCC分離器的性能預(yù)測的試驗。這些方法僅限于GLCC的能力外推到不同的流體條件和未經(jīng)考驗的應(yīng)用方面。目前，正在努力發(fā)展GLCC的機械模型和進行計算流體動力學（CFD）模擬。 機械模型提供了一個實用的進行GLCC的設(shè)計和性能預(yù)測的途徑。簡化了假設(shè)，但是，在理想情況下，該模型仍然能夠采集足夠的基本物理問題，進而內(nèi)插和外推到不同的流體流動情況。CFD可以預(yù)測GLCC中的復(fù)雜的流體動力流動特性的細節(jié)，包括流場、含率分布、分散相的離散顆粒的軌跡。同時適用于單相局部模擬或稀的分散流的模擬，目前CFD還不能模擬復(fù)雜的全方位的多相流。此外，CFD模型的大型管道系統(tǒng)，包括通常GLCC過于笨拙的無法實用的設(shè)計目的。 由于機械模型的大大簡化，沒有CFD模擬的詳細、嚴謹、準確。然而，機械模型具有很多優(yōu)點：快速的設(shè)置和計算，整個系統(tǒng)建模的能力，并且適合PC操作。因此，機械模型比CFD模擬更容易成為工程師的設(shè)計工具。 機械建模。到今天為止建模工作的最終目的，是預(yù)測GLCC的操作區(qū)域液體遺留在氣體流和氣體攜帶在液體流。每個流體流動路徑有其自己特定的一組計算。任一計算路徑的起點是GLCC中氣體和液體的球分布，即平衡液面。 均衡液位。GLCC的平衡中液面是由氣體和液體出口之間的壓力降決定的。由于GLCC中摩擦損失低，平衡液位是GLCC中的液體的量的合理指示。 旋渦的形狀和位置。旋渦的形狀和位置是液體遺留和氣體攜帶很重要的預(yù)測。旋渦模型假設(shè)為剛體的轉(zhuǎn)動。平衡液面和渦形耦合的計算，使得測定的旋渦的位置和旋渦冠的高度成為可能。這種模式的球狀分布，為氣體和液體的性能模型的建立提供了基礎(chǔ)。 液體遺留。在氣流中的液體殘留物在很大程度上依賴于GLCC上部的流動模式。溢流可能發(fā)生在GLCC高液位和低氣率的地方，會導致產(chǎn)生泡狀流。不穩(wěn)定的液體振蕩，在適度氣率下渦流的特征，可能使飛濺的液體進入出氣口。在高氣率的情況下發(fā)生環(huán)形霧流時，液體也可能以液滴的形式被帶出。在非常高的氣體速率下，旋流氣體的離心力將液體推到管壁上，在那里可以形成一個的螺旋形上升的連續(xù)的帶狀流。