薛登存

指狀段塞流捕集器的簡便設計與計算

薛登存

薛登存

中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

薛登存，男，高級工程師，1990年畢業(yè)于中國石油大學（華東）應用化學專業(yè)，現從事油田地面工程油氣集輸設計工作。

段塞流捕集器是氣液混輸管道進站常用的一種氣、液初級分離設施。指狀段塞流捕集器因具有操作簡單、處理量大等特點而成為油氣混輸管道終端常用的分離設施， 根據其結構的不同，計算方法也不一樣，比較簡便的是單層一級指狀段塞流捕集器的計算。

前言

段塞流捕集器是用來緩沖生產段塞流和清管段塞流對管道末端油氣分離設備造成的水力沖擊和由此引起的分離器液位突變等工況而設計的一種分離設施，它是由多根管徑和長度相同的鋼管連接而成的管道系統(tǒng)，其主要功能是捕集油氣混輸管道中的段塞流，并使氣、液進行初級分離。國外多傾向于使用指狀段塞流捕集器。相對多級雙層結構管式段塞流捕集器而言，單層一級指狀段塞流捕集器的設計與計算比較簡單與實用。

主要設計原則

工藝設計主要考慮兩方面的因素。

混合流體不管處于什么流態(tài)，在氣液分離段應轉變?yōu)閷恿?，便于氣液分離。

儲液段應能容納管道清管時產生的段塞液量，避免液體從氣體出口流出。

指狀段塞流捕集器的結構

本次計算只介紹單層結構一級管段。如圖1所示，指狀段塞流捕集器主要包括：（1）氣液進口管，（2）氣液分離段，（3）氣相出口管，（4）液體儲存段，（5）液相出口管等五部分，示意圖如圖1。

圖1 單層結構指狀段塞流捕集器示意圖

入口管

入口管內徑通常不小于混輸管道末端管內徑。介質進入捕集器后需經入口匯管分流再進入各分管段。

氣液分離段和排氣管

介質經入口匯管分流，首先進入到分離管段進行氣液分離。液體進入到液體儲存段，氣體經排氣管排出，排氣管包括排氣立管、排氣匯管和氣相出口管。

液體儲存及排出

液體儲存管段位于分離管段的下游，與分離管段相連。包括排液匯管、液相介質出口。

工藝計算

工藝計算是段塞流捕集器設計的重要內容之一，捕集器的氣液分離功能、緩沖和存儲功能都是在管段內實現的，工藝設計是否合理直接影響到捕集器的氣液分離效果和緩沖能力。氣液分離段計算儲液容積的計算段塞流捕集器的設計儲液體積按式（EQ.1）計算：

式中：

VL ——段塞流捕集器設計儲液體積，m3；

C ——設計系數，通常取1.2；

Vint ——段塞流捕集器最大處理液塞體積，即混輸管道正常操作、啟動、停輸、輸量變化、清管等工況下產生的液塞體積中的最大值，m3；

Vbuffer——段塞流捕集器設計液相緩沖體積，通常取值為滿足下游工藝設備正常運行所需液相緩沖體積，m3。

管段斜率選定

段塞流捕集器的管段通常向下傾斜，管段斜率宜介于1％～10％之間。單層結構的分離段和儲液段一般選取不同斜率，即雙斜率結構。

管段數量的選取

管段數量的選取主要取決于多相混輸管道中介質的流量、管段最大允許長度（與允許占地面積有關）、管段內徑等。

捕集器的氣液分離主要是在氣液分離段來完成的，管段數量通常是2的指數倍，一般不超過8根。

管段數量的選取與此部分管段內徑的選取密切相關，它們需要配合氣液分離管段內氣相介質速度綜合選取。可以先初步選取氣液分離管段數量及其管段內徑，再由式（EQ.2）計算出氣液分離管段內氣相介質速度。

式中：

Va ——氣體表觀流速，m/s；

ρL ——液相介質密度，kg/m3；

ρG ——氣相介質密度，kg/m3；

k ——系數。

氣液分離段的長度計算

氣液分離段指的是管段起點至最后一個排氣立管之間的管段。為了保證氣液分離效果，多相介質在分離段停留時間需要足夠長，即分離段足夠長或介質流速控制在一定范圍內，國際上一些生產捕集器的公司通常把氣相介質流動速度控制在2m/s以內。

采用等液滴尺寸沉降法（液滴直徑取150μm）。計算步驟如下：

阿基米德準數計算

阿基米德準數按公式（EQ.3）計算。

式中：

Ar ——阿基米德準數；

d ——液滴直徑，m；

ρL ——液相介質密度，kg/m3；

ρG ——氣相介質密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2；

μG ——氣相介質動力粘度，Pa·s。

計算雷諾數

當Ar≤36（Re≤2）時，雷諾數按公式（EQ.4）計算。

式中：

Re ——雷諾數；

Ar ——阿基米德準數。

當36＜Ar≤83×103 （2＜Re≤500） 時，雷諾數按公式（EQ.5）計算。

式中：

Re ——雷諾數；

Ar ——阿基米德準數。

當Ar＞83×103（Re＞500）時，雷諾數Re按公式（EQ.6）計算。

式中：

Re ——雷諾數；

Ar ——阿基米德準數。

氣相中液滴沉降速度計算

液滴沉降速度按公式（EQ.7）計算。

式中：

vO ——液滴沉降速度，m/s；

μG ——氣相介質動力粘度，Pa·s；

Re ——雷諾數；

d ——液滴直徑，m；

ρG ——氣相介質密度，kg/m3。

分離段長度計算

為了保證分離效果，液滴在分離段內沉降至氣液分界面所需時間應小于液滴在分離段內隨氣相介質流動所需的時間，一般取液滴沉降至氣液相分界面所需時間為液滴在分離段內隨氣相介質流動所需的時間的一半。計算公式如下：

式中：

H0 ——氣相中液滴的最大沉降距離，m；

VO ——液滴沉降速度，m/s；

Le ——分離段長度，m；

VG ——氣液分離管段內氣相介質速度，m/s；

式（EQ.8）整理后即可算出分離段長度Le。

儲液段計算

儲液段長度計算

儲液段長度主要取決于儲液體積，由于管段是傾斜的，儲液段長度與捕集器最高液位密切相關。捕集器最高液位通常按圖2選取，即：

該管段斜率為雙斜率，最高液位為最低一根排氣立管中心線與管段底面交匯處。

根據上圖，儲液段并沒有完全充滿液體，液面上方存在一定氣相空間，該氣相空間體積最大值為（π/8）Db3/tanθ。所以，儲液段的長度可按式（EQ.9）計算出最小值：

圖2 單層雙斜率結構指狀段塞流捕集器最高液位示意圖

式中：

L2， min ——單層結構設計儲液段長度的最小值，m；VSC ——段塞流捕集器設計儲液體積，m3；

np ——管段數量；

Db ——單層結構管段內徑，m；

θ ——管段和水平面之間的夾角，度（o）。

捕集器總長度

指狀段塞流捕集器管段總長度按下式計算：

式中：

L ——捕集器長度，m；

L1 ——分離段長度，m；

L2 ——儲液段長度，m。

排氣系統(tǒng)設計

排氣立管

排氣立管的主要作用是將段塞流捕集器氣液分離段分離出的氣相介質由分離管段排至排氣匯管，同時具備進一步脫除氣相介質中攜帶的液滴的能力。排氣立管內氣體的設計表觀速度可按照下式（EQ.11）計算。

式中：

VSG ——排氣立管中氣相介質表觀速度，m/s；

C ——設計系數，通常取1.2；

qVG ——氣相介質體積流量，m3/s；

m ——每個管段上排氣立管的數量；

np ——氣液分離管段數量；

Driser ——排氣立管的內徑，m；

ρL、ρG ——分別為液相和氣相介質的密度，kg/ m3。

對于排氣立管的內徑選擇，在工程實際應用中，通常取其開口母管內徑的三分之二即可滿足公式要求。

排氣立管頂端在不低于捕集器入口匯管的前提下，其高度應取至少5倍排氣立管直徑，以使氣相介質中攜帶的液滴有足夠的時間沉降。

排氣匯管

用于收集排氣立管流出的氣相介質的排氣匯管，其內徑宜介于排氣立管的內徑和氣液分離管段的內徑之間，高度不低于捕集器入口匯管。

排液系統(tǒng)設計

排液匯管

用于是收集儲液管中液體介質的排液匯管，其內徑宜與上游管段的內徑相等，其高度應低于儲液段管段末端。

液相介質出口

液相介質出口位于排液匯管上，與下游液相處理裝置連接，其具體位置和管內徑盡可能有利于捕集器各管段內部液相介質均勻平穩(wěn)流出。

計算示例

以某油田的集輸系統(tǒng)為例，計算單層雙斜率結構指狀段塞流捕集器的長度。

基礎數據

表1 介質基礎數據

計算結果

儲液管長度計算

根據第4.2款計算的儲液段長度如下。

表2 儲液管長度計算結果

分離段的計算

根據第4.1款計算的分離段長度如下。

表3 氣液分離管段計算結果

總長度

該段塞流捕集器的總長度為：74m。

結束語

本計算方法只是一個對于單層一級管段結構段塞流捕集器的設計與計算，對于擁有二級管段或雙層結構管式段塞流捕集器的計算亦可參考使用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.085