管式液塞捕集器設(shè)計(jì)及性能測試研究

摘 要

摘要：管式液塞捕集器是氣液混輸管線終端的重要設(shè)備，其設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)雜，目前國內(nèi)還沒有具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液塞捕集器產(chǎn)品。為此，研究了混輸管線段塞流參數(shù)變化規(guī)律，指出捕集器的液位
摘要：管式液塞捕集器是氣液混輸管線終端的重要設(shè)備，其設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)雜，目前國內(nèi)還沒有具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液塞捕集器產(chǎn)品。為此，研究了混輸管線段塞流參數(shù)變化規(guī)律，指出捕集器的液位控制系統(tǒng)對(duì)捕集器的工作性能有較大影響——不使用液位控制系統(tǒng)時(shí)，捕集器液位和壓力都不穩(wěn)定，影響捕集器的工作性能。而啟動(dòng)液位控制系統(tǒng)后，捕集器壓力和液位都較穩(wěn)定；啟用液位控制系統(tǒng)以后，捕集器內(nèi)液位在設(shè)定值附近周期性波動(dòng)，受液位波動(dòng)影響，捕集器內(nèi)壓力也出現(xiàn)周期性波動(dòng)，液位和壓力的波動(dòng)周期與液體流量有關(guān)。編制了段塞流捕集器設(shè)計(jì)規(guī)則，建立了捕集器系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了液塞捕集器的結(jié)構(gòu)與尺寸。所研制的液塞捕集器經(jīng)室內(nèi)測試，運(yùn)行狀態(tài)良好，在不同的試驗(yàn)工況下，捕集器內(nèi)部的壓力、液位都比較平穩(wěn)，可以較好地分離氣、液兩相，有效消除段塞流的影響。
關(guān)鍵詞：管式液塞捕集器；多相流；工藝設(shè)計(jì)；性能測試；壓力；液位；段塞流
    為實(shí)現(xiàn)管式液塞捕集器的國產(chǎn)化，筆者針對(duì)液塞捕集器的設(shè)計(jì)加工和性能測試進(jìn)行了研究，得到了管式液塞捕集器的結(jié)構(gòu)與尺寸的設(shè)計(jì)方法及原則，并進(jìn)行了室內(nèi)性能測試。
1 管式液塞捕集器的結(jié)構(gòu)
    大型的液塞捕集器通常用一些標(biāo)準(zhǔn)管段來制造，即管式液塞捕集器，其儲(chǔ)存段由許多傾斜的平行管組成(圖1)。管式液塞捕集器主要包括兩部分[1]：①入口分離部分，用于氣液分離；②儲(chǔ)液部分，是一組平行下傾管段，用于貯存液體，常由標(biāo)準(zhǔn)直徑的管段制造。
 
2 管式液塞捕集器的尺寸設(shè)計(jì)
2.1 管式液塞捕集器的設(shè)計(jì)原則[2～3]
    管式液塞捕集器的工藝設(shè)計(jì)原則上應(yīng)考慮兩方面的因素：①流體不管處于什么流型，在管束分離段內(nèi)應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱恿餍停阌跉庖悍蛛x；②捕集器儲(chǔ)存段應(yīng)能容納清管工況下產(chǎn)生的積液量，避免液體從氣體出口流出。所以，管式液塞捕集器的分離段和儲(chǔ)存段應(yīng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
2.2 管式液塞捕集器分離段設(shè)計(jì)計(jì)算
管式捕集器分離段設(shè)計(jì)簡圖如圖2所示。
 
    當(dāng)來流為段塞流時(shí)，進(jìn)入捕集器后轉(zhuǎn)化為分層流，根據(jù)Taitel和Dukler的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則判斷，可以計(jì)算出一定傾角下，滿足流型轉(zhuǎn)化的管徑D，詳見公式(1)：
 
式中：ρ為密度；hL為液面高度；d為管徑；A為面積；v為速度；α為管線傾角；g為重力加速度。
    按照從氣體中分離出液滴的要求，計(jì)算得出氣體出口的位置L3，按照規(guī)定的比例關(guān)系，計(jì)算得到捕集器分離段的管長L1。改變傾角的值，重復(fù)計(jì)算得到最優(yōu)的傾角、管徑、管長值。
2.3 管式液塞捕集器儲(chǔ)存段設(shè)計(jì)計(jì)算
    管式捕集器儲(chǔ)存段設(shè)計(jì)簡圖如圖3所示。
 
    考慮到管式捕集器參數(shù)較多，其模擬計(jì)算相對(duì)較復(fù)雜，而容器式捕集器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法已趨于成熟，而兩種捕集器的設(shè)計(jì)原理基本相同，所以在此管式捕集器儲(chǔ)存段的設(shè)計(jì)計(jì)算以容器式捕集器的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。其設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下：
2.3.1初步設(shè)計(jì)
先計(jì)算出管式液塞捕集器的最大波動(dòng)體積Vgmax，Vgmaax的計(jì)算可以參照容器式捕集器的最大波動(dòng)體積Vrmax，兩者關(guān)系見式(2)：
    Vrmax=nVgmax    (2)
式中：n為管根數(shù)。
管式液塞捕集器的最大波動(dòng)體積Vgmax與儲(chǔ)液段尺寸關(guān)系見式(3)：
 
式中：D為管徑；l2為儲(chǔ)存段液位沿管長長度；β為分離段傾角；VL為液體體積。列出一系列管徑及管根數(shù)并循環(huán)計(jì)算，當(dāng)L5＜L2時(shí)計(jì)算得到的結(jié)果為捕集器的初步設(shè)計(jì)尺寸。
2.3.2動(dòng)態(tài)模擬[4～6]
    采用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)來優(yōu)化捕集器尺寸。所謂動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算就是通過對(duì)入口段塞流工況下捕集器工藝參數(shù)(主要是液位和壓力)隨時(shí)間波動(dòng)情況的模擬，來校核和優(yōu)化捕集器尺寸。在模擬中考慮了段塞流工況下的最大液塞長度，因此而更貼近實(shí)際情況。
3 管式捕集器性能測試試驗(yàn)
    對(duì)液塞捕集器進(jìn)行了多種工況的性能測試。對(duì)管線壓力、差壓等進(jìn)行了測量，獲得了捕集器的入口工況參數(shù)，重點(diǎn)監(jiān)測了捕集器內(nèi)部壓力、液位的變化，以測試捕集器的捕集性能和液位控制系統(tǒng)的性能。
    實(shí)驗(yàn)環(huán)道的主要設(shè)備是管式液塞捕集器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流量，設(shè)計(jì)為4管式，結(jié)構(gòu)形式與目前生產(chǎn)用的一致。其三維模型如圖4所示。
 
    在實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)的采集是在LabView系統(tǒng)中進(jìn)行的，采集頻率為1000Hz。同時(shí)，采用組態(tài)軟件——組態(tài)王6.5版，進(jìn)行流量與液位的監(jiān)控。本實(shí)驗(yàn)中主要測量的參數(shù)有：氣相流量、液相流量、某一氣液流量下所對(duì)應(yīng)的壓力和差壓、捕集器壓力、液位等。
4 測試試驗(yàn)結(jié)果及其分析
4.1 水平管段塞流工況下捕集器性能測試
利用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Lab-View，在實(shí)驗(yàn)環(huán)道上可完成段塞頻率和壓力波動(dòng)幅度測試，圖6為氣相流量為60m3/h、液相流量為4m3/h時(shí)由測壓點(diǎn)測得的壓力隨時(shí)間的變化圖(以該工況為例說明管式液塞捕集器的工作性能)。從圖5看出，在8s內(nèi)出現(xiàn)了14個(gè)不同的段塞，并可確定段塞周期、頻率、段塞長度以及段塞流動(dòng)時(shí)壓力變化情況。
 
4.1.1液位控制系統(tǒng)啟動(dòng)前，旁通的液體出口閥開度較大
    該工況的試驗(yàn)過程中，先不啟動(dòng)液位控制系統(tǒng)，而將液體出口閥調(diào)節(jié)到一較大開度，經(jīng)過一段時(shí)間后，關(guān)閉出口閥同時(shí)開啟液位控制系統(tǒng)，進(jìn)行連續(xù)的液位與壓力監(jiān)測，這一過程中的液位、壓力變化見圖6、7。
    由圖6、7可知，在這一工況中，液位控制系統(tǒng)啟動(dòng)前，捕集器內(nèi)液位會(huì)慢慢降低，直至最低，在液位低于30cm時(shí)，就會(huì)有大量氣體從捕集器液體出口溢出，導(dǎo)致捕集器內(nèi)壓力不穩(wěn)定。液位控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，液位先增高然后逐漸達(dá)到穩(wěn)定工況，捕集器內(nèi)壓力也趨于平穩(wěn)，沒有大幅度的上升或降低。
 
4.1.2液位控制系統(tǒng)啟動(dòng)前，旁通的液體出口閥開度較小
在該工況下先不啟動(dòng)液位控制系統(tǒng)，而將液體出口閥調(diào)節(jié)到一較小開度，經(jīng)過一段時(shí)間后，關(guān)閉出口閥同時(shí)開啟液位控制系統(tǒng)，進(jìn)行連續(xù)的液位與壓力監(jiān)測，這一過程中的液位、壓力變化見圖8、9。
 
    由圖8、9可知，液位、壓力經(jīng)過了上升與下降過程之后，在設(shè)定值附近波動(dòng)。
    在該工況的試驗(yàn)中，捕集器系統(tǒng)穩(wěn)定后，可以觀測到其捕集效果良好，氣體攜液量較小，也沒有氣泡從液體出口逸出。
    由以上分析可知：當(dāng)捕集器的液位控制系統(tǒng)沒有開啟時(shí)，捕集器內(nèi)的壓力變化和液位變化隨著液塞的進(jìn)入呈現(xiàn)出大幅度的增大或降低，使捕集器的運(yùn)行極不穩(wěn)定，有時(shí)氣體出口會(huì)出現(xiàn)大量的液滴，捕集器的分離效果變差；當(dāng)捕集器的液位控制系統(tǒng)開啟以后，液位逐漸達(dá)到穩(wěn)定工況(在設(shè)定值附近波動(dòng))，捕集器內(nèi)壓力也趨于平穩(wěn)，沒有大幅度的上升或降低。由液塞捕集器內(nèi)液位、壓力隨時(shí)間的變化工況可以得知：使用液位控制系統(tǒng)后，捕集器能較好地捕集水平管段塞(液塞長度為0.6～1.2m，液塞頻率為0.6～2.8Hz)。段塞流經(jīng)過捕集器后，消除了沖擊力，并可連續(xù)向下游設(shè)備供氣。
4.2 液塞長度較大工況下捕集器性能的測試
    為進(jìn)一步測試管式液塞捕集器性能，試驗(yàn)采取了在穩(wěn)定的液體流量下間歇通入氣體的方式，來形成較大長度的液塞。試驗(yàn)中的液相流量分別為2m3/h、3m3/h、4m3/h、5m3/h、6m3/h、7m3/h、8m3/h，通氣時(shí)間1s左右。
圖10為液相流量為2m3/h時(shí)間歇通入氣體后管線的上下游差壓變化曲線。由差壓曲線可知差壓度越時(shí)間較長，液塞較大，水流量為2m3/h，由相關(guān)法計(jì)算得出的液塞長度見圖11。
 
    該工況下捕集器的液位波動(dòng)曲線見圖12。由圖12可以看出，在較大段塞工況下，捕集器的液位仍然比較穩(wěn)定。該工況下捕集器的壓力波動(dòng)曲線見圖13。
    由圖12、13可以看出，在實(shí)驗(yàn)工況下，捕集器內(nèi)液位能保持穩(wěn)定，而捕集器內(nèi)的壓力隨著較大段塞的進(jìn)入有所波動(dòng)，這與間歇通入氣體有關(guān)，但波動(dòng)不大，基本在0.18MPa左右。由此可知捕集器在較大長度液塞工況下運(yùn)行穩(wěn)定。
    表1反映了不同最大液塞長度時(shí)捕集器內(nèi)液位高度的變化情況，捕集器的設(shè)定液位為58cm，設(shè)定壓力為0.18MPa。從表1可以看出，當(dāng)最大液塞長度具有較大幅度的波動(dòng)時(shí)，捕集器的液位控制也很穩(wěn)定，變化范圍很小。
表1 不同最大液塞長度時(shí)液位高度變化情況表
序號(hào)
最大液塞長度(cm)
穩(wěn)定液位高度(cm)
1
101(40D)
58.5
2
152(60D)
58.9
3
203(80D)
60.3
4
254(100D)
60.1
5
304(120D)
59.5
通過以上分析，可以得知該捕集器可以捕集較大長度的液塞，在較長液塞工況下，捕集器可以穩(wěn)定運(yùn)行，能較好地分離氣液，捕集器內(nèi)壓力和液位都比較穩(wěn)定。
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(本文作者：李玉星1 劉紅波2 姜昊1 張建3 張新軍3 1.中國石油大學(xué)(華東)；2.中海油海工英派爾工程有限公司；3.中國石化勝利油田工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司)