許承煒， 陳建義， 董 騰， 賈中會(huì)， 張西兆

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 北京102249)

0 引 言

隨著海洋油氣資源開采范圍向深水和極深水延伸，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的重力分離器體積龐大、設(shè)備笨重、投資高的缺點(diǎn)越發(fā)明顯[1-2]。日益增長(zhǎng)的需求刺激石油行業(yè)尋找一種新式緊湊型氣液分離器，管柱式氣液分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclones，GLCC)應(yīng)運(yùn)而生。DAVIES[3]的研究表明：GLCC相比于傳統(tǒng)重力分離器體積更加緊湊，分離效果更好。

GLCC由豎直上升管、傾斜管、筒體組成。氣、液兩相首先由豎直上升管流入傾斜管，傾斜管與筒體相切，且在連接處設(shè)計(jì)有漸縮筒體入口，以實(shí)現(xiàn)加速和造旋。在離心力和重力作用下，液相被甩到筒體邊壁，最后從位于下部的液相出口管排出；氣相則從位于上部中心的氣相出口管排出，由此實(shí)現(xiàn)氣、液兩相的分離。分離過(guò)程中還可能出現(xiàn)部分液體被氣體攜帶出氣相出口管，即液相帶出(Liquid Carry Over，LCO)現(xiàn)象，以及部分氣體被液體攜帶出液相出口管，即氣相帶出(Gas Carry Under，GCU)現(xiàn)象。相關(guān)研究[4-6]表明：GCU發(fā)生時(shí)只帶出了少量氣泡，對(duì)分離性能影響較??；LCO的發(fā)生對(duì)分離性能造成了極大影響，使得液相分離效率成為衡量GLCC分離性能的主要指標(biāo)。

目前，對(duì)LCO的研究大多集中在將GLCC應(yīng)用于預(yù)分離場(chǎng)合或調(diào)節(jié)流量計(jì)和泵上游氣液流量比[7]中，且主要關(guān)注LCO起始點(diǎn)，即確定安全操作區(qū)域。如ARPANDI等[8]在攪混流情況下提出的理論模型及CHIRINOS等[9]的修正模型均用于安全操作區(qū)域的確定。但此時(shí)GLCC氣相出口和液相出口連通，不能適用于需要完全分離的場(chǎng)合。當(dāng)GLCC應(yīng)用于深海油氣分離等需要完全分離的場(chǎng)合時(shí)，對(duì)液滴攜帶起始點(diǎn)之后效率變化規(guī)律的研究就成為工業(yè)應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。復(fù)雜的多相流流體力學(xué)特性和操作條件的變化，使GLCC分離機(jī)理復(fù)雜，極大地阻礙了其在完全分離場(chǎng)合的應(yīng)用[10]，同時(shí)也導(dǎo)致缺乏LCO起始點(diǎn)之后液相分離效率的相關(guān)研究。本文采用試驗(yàn)研究的方法，對(duì)GLCC液相分離效率變化規(guī)律進(jìn)行探索，初步建立GLCC液滴攜帶率分區(qū)模型，并得到相關(guān)的攜帶率與效率關(guān)聯(lián)式，為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與流程

圖1 GLCC主要尺寸及筒體入口結(jié)構(gòu)

1.1 GLCC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GLCC采用有機(jī)玻璃進(jìn)行加工，主要尺寸如圖1 a)所示。筒體內(nèi)徑D為74 mm，高度為2 420 mm；入口傾斜管根據(jù)KOUBA等[11]的相關(guān)研究，向下傾斜27°，長(zhǎng)度為1 565 mm，內(nèi)徑為54 mm；垂直上升管長(zhǎng)度為1 825 mm，內(nèi)徑為54 mm。GLCC豎直上升管段、入口段以及筒體設(shè)置了編號(hào)為1～7的7個(gè)測(cè)壓孔，用于安裝壓力傳感器。試驗(yàn)分別采用0#新月型筒體入口和1#矩形筒體入口，如圖1 b)所示。

1.2 試驗(yàn)裝置與流程

圖2 GLCC試驗(yàn)裝置流程圖

試驗(yàn)裝置與流程如圖2所示?？諝庥筛邏猴L(fēng)機(jī)鼓出，經(jīng)渦街流量計(jì)(精度±0.1%)測(cè)量出體積流量Qg；水箱中的水由離心泵增壓后流經(jīng)渦輪流量計(jì)(精度±0.1%)，測(cè)量出體積流量Ql。氣液兩相在氣液混合器中進(jìn)行混合，混合相經(jīng)GLCC分離后，空氣由筒體頂部氣相出口管流出，進(jìn)入立式絲網(wǎng)氣液分離器，分離出挾帶的液滴，利用燒杯收集測(cè)量帶出液相的體積流量Qlo。水從GLCC底部流出，回到水箱循環(huán)利用，水箱液相支路還設(shè)置有溫度測(cè)量表。氣相、液相流量及GLCC平衡液位高度均可由相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。由WANG[12]的研究可知：平衡液位在不是非?？拷鼉A斜管筒體入口的情況下，對(duì)LCO基本無(wú)影響。因此，每次調(diào)整氣相、液相流量參數(shù)后，調(diào)節(jié)液位調(diào)節(jié)閥，使平衡液位穩(wěn)定在距GLCC底部900 mm處5 min后進(jìn)行測(cè)量。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)氣相、液相流量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集。

1.3 介質(zhì)物性參數(shù)

試驗(yàn)以水與空氣為介質(zhì)。水的密度為995.7 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.8007 MPa·s，表面張力為71.18 m N/m；空氣的密度為1.128 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.186 μPa·s。試驗(yàn)氣相處理量為60～180 m3/h，液相處理量為0.9～3.6 m3/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 筒體流型

圖3 上部筒體流型(1#)

研究[7,13-14]表明：GLCC分離性能在很大程度上受到傾斜管和上部筒體流型的影響。本文采用0#與1#筒體入口時(shí)流型變化基本相同，以1#入口結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)氣量相對(duì)較小時(shí)，與HREIZ等[7]觀察的現(xiàn)象類似：傾斜管內(nèi)流型主要為分層流，上部筒體空間含液量很小，液滴尚未被攜帶至氣相出口，只在筒體入口上方有一圈連續(xù)的旋轉(zhuǎn)液膜，如圖3 a)所示。此時(shí)氣液兩相絕大部分在傾斜管內(nèi)完成了預(yù)分離，且筒體內(nèi)軸向氣速相對(duì)較小，對(duì)旋轉(zhuǎn)液膜的切削撕裂作用較弱，故此時(shí)氣液兩相被完全分離。當(dāng)氣量增大后，傾斜管內(nèi)流型向環(huán)狀流過(guò)渡，上側(cè)筒壁出現(xiàn)一層較薄的液膜；上部筒體流型為攪混流，如圖3 b)所示。此時(shí)傾斜管預(yù)分離作用開始減弱，大量液體被帶入上部筒體空間。但由于旋流強(qiáng)度仍較弱，液滴不易被捕集到壁面，故此時(shí)筒體流型主要為攪混流，液相分離效率開始急劇下降。當(dāng)氣量繼續(xù)增大后，旋流強(qiáng)度逐漸增加，對(duì)攪混液滴的捕集能力不斷增強(qiáng)，此時(shí)液滴聚集在筒體壁面，出現(xiàn)緞帶流與環(huán)狀流特征，效率下降趨勢(shì)逐漸平緩，如圖3 c)所示。

2.2 液相分離效率

液相分離效率E定義為Qlo與Ql之比。不同Ql下對(duì)應(yīng)效率隨Qg的增大分為2個(gè)區(qū)域：完全分離區(qū)和效率下降區(qū)，如圖4(采用0#筒體入口結(jié)構(gòu))所示。完全分離區(qū)對(duì)應(yīng)上部筒體流型如圖3a)所示，效率為100%，即安全操作區(qū)域。當(dāng)進(jìn)口氣量超過(guò)臨界值后，進(jìn)入效率下降區(qū)。采用1#筒體入口結(jié)構(gòu)時(shí)有相似結(jié)果。

GLCC效率問(wèn)題本質(zhì)上為耦合了環(huán)狀流、湍流、旋流的三維復(fù)雜流場(chǎng)下豎直管液滴攜帶問(wèn)題，同時(shí)在極大程度上受傾斜管筒體入口等結(jié)構(gòu)的影響，相應(yīng)的研究幾乎空白。SAWANT等[15-16]提出用液相雷諾數(shù)與韋伯?dāng)?shù)表示的分區(qū)模型描述豎直管液滴攜帶率。本文借鑒該方法，將液相分離效率等價(jià)為氣相出口液滴攜帶率問(wèn)題。用F表示液滴攜帶率，即

F=1-E

(1)

MOLINA等[17]與HREIZ等[7]的研究結(jié)果表明：不同筒體入口形狀與截面積對(duì)筒體入口附近液滴破碎和筒體入口上方的旋轉(zhuǎn)液膜會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致2種結(jié)構(gòu)在相同氣相、液相操作參數(shù)下進(jìn)入上部筒體的液量存在差異。因此，引入筒體入口處液相雷諾數(shù)Rel描述液量與筒體入口截面積的綜合影響。對(duì)于同一種結(jié)構(gòu)，沿筒體軸向向上的氣流是造成效率下降的決定性因素，直接影響到上部筒體內(nèi)液滴的破碎和攜帶。引入筒體韋伯?dāng)?shù)We描述該影響：

(2)

(3)

式中：d為筒體入口處水力當(dāng)量直徑；D參考SAWANT等[15-16]的研究，選取筒體直徑；vs,i,l為筒體入口處液相折算速度(即Ql與筒體入口截面積之比)；vs,c,g為筒體氣相折算速度(即Qg與筒體截面積之比)；ρg為氣相密度；ρl為液相密度；μl為液相動(dòng)力黏度；σ為表面張力。

金向紅等[18]將液滴破碎理論應(yīng)用于氣液分離器，指出氣液兩相速度差使液滴表面產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而導(dǎo)致液滴變形破碎加劇。此外，氣相、液相流量的相對(duì)變化也影響了筒體入口上方旋轉(zhuǎn)液膜的穩(wěn)定性和上部筒體含液量的大小，進(jìn)而對(duì)效率產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)：引入表示氣相、液相流量及其相對(duì)變化關(guān)系的無(wú)量綱組合準(zhǔn)數(shù)S有助于反映GLCC液相分離效率，即

(4)

0#筒體入口結(jié)構(gòu)液滴攜帶率變化規(guī)律如圖5所示，可以看出：液滴攜帶率，以單氣相流量為橫坐標(biāo)時(shí)，不同液量間效率變化規(guī)律性較差，當(dāng)S為橫坐標(biāo)時(shí)，相應(yīng)的液滴攜帶率變化規(guī)律明顯變好，這也說(shuō)明了S的引入可以更好地表征效率的變化規(guī)律。氣相、液相旋流對(duì)分離過(guò)程也產(chǎn)生了較大影響。但液相旋流主要體現(xiàn)在筒體入口下方，與重力共同作用使大部分液體進(jìn)入到下部筒體空間；氣相旋流則將上部筒體內(nèi)液滴捕集至壁面，進(jìn)而改變了上部筒體流型特征和液相帶出機(jī)理。

圖4 GLCC液相分離效率(0#筒體入口結(jié)構(gòu)) 圖5 GLCC液滴攜帶率

圖6 GLCC液滴攜帶率曲線模型

3 液滴攜帶率與效率分析

3.1 液滴攜帶率模型

當(dāng)液相雷諾數(shù)固定時(shí)，無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)S退化為修正韋伯?dāng)?shù)，模型退化為各自液相雷諾數(shù)下對(duì)應(yīng)的模型。當(dāng)液相雷諾數(shù)不固定時(shí)，OA段表征對(duì)于達(dá)到液滴攜帶起始點(diǎn)的任一組操作參數(shù)，改變氣相、液相流量使準(zhǔn)數(shù)S增大，攜帶率隨之增大。AB段不同液相雷諾數(shù)對(duì)應(yīng)的液滴帶出率呈線性上升趨勢(shì)。BCD段，液滴帶出率逐漸平緩，且在CD段達(dá)到最大穩(wěn)定值。需要指出的是，這里所述的不同區(qū)域?qū)?yīng)準(zhǔn)數(shù)S所涉及的氣液量都在各自分段范圍內(nèi)。

3.2 液滴攜帶率分區(qū)

3.2.1 攜帶初始區(qū)OA

OA對(duì)應(yīng)液滴帶出初始區(qū)。攜帶起始點(diǎn)O對(duì)應(yīng)準(zhǔn)數(shù)SLCO為液相雷諾數(shù)的函數(shù)，見式(5)。這是由于O點(diǎn)對(duì)應(yīng)的韋伯?dāng)?shù)剛好可以滿足液滴帶出的條件，筒體上部空間表觀持液率很小，帶出主要受旋轉(zhuǎn)液膜的制約，而旋轉(zhuǎn)液膜厚度受到液相雷諾數(shù)的直接影響[7]。當(dāng)S逐漸增大時(shí)，上部筒體表觀持液率緩慢增加，使得OA段攜帶率Ftr1同時(shí)受到液相雷諾數(shù)與韋伯?dāng)?shù)的影響。

SLCO=e-1.239-1.612×10-4Rel

(5)

3.2.2 線性帶出區(qū)AB

AB段攜帶率Fr與準(zhǔn)數(shù)S呈現(xiàn)較強(qiáng)的線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本集中到一條直線上，攜帶率曲線如圖7所示。在氣相旋流的影響下，部分液滴被捕集到壁面，但由于旋流強(qiáng)度相對(duì)較小使得二次攜帶嚴(yán)重，上部筒體流型仍為攪混流，帶出機(jī)理為軸向氣流對(duì)攪混液滴的直接攜帶。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)準(zhǔn)數(shù)St1為液相雷諾數(shù)的函數(shù)，由此可得A點(diǎn)后液滴攜帶率為

Fr=Ft1+a(S-St1)

(6)

圖7 GLCC拐點(diǎn)后液滴攜帶率

3.2.3 旋流過(guò)渡區(qū)BC、穩(wěn)定帶出區(qū)CD

攜帶率曲線在B點(diǎn)后上升趨勢(shì)變緩，出現(xiàn)第二段過(guò)渡區(qū)BC并達(dá)到最大穩(wěn)定值Fmax。BC段攜帶率Ftr2受韋伯?dāng)?shù)與液相雷諾數(shù)同時(shí)影響，且起點(diǎn)St2與終點(diǎn)Smax也為液相雷諾數(shù)的函數(shù)。穩(wěn)定最大值Fmax只為液相雷諾數(shù)的函數(shù)，即

Fmax=f(Rel)

(7)

這是由于氣速的繼續(xù)增加不能將所有液體全部帶出，SAWANT等[15]對(duì)環(huán)狀流下豎直管的液滴攜帶試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。GLCC相比豎直管還受到旋流作用的影響，氣速越高，旋流作用越強(qiáng)，液體越不易被直接帶出，這與軸向速度增加越易帶出液滴相矛盾。BC段即為這一對(duì)矛盾的集中體現(xiàn)，隨著旋流作用不斷增強(qiáng)，攪混液滴被收集到筒壁，上部筒體流型出現(xiàn)緞帶流與環(huán)狀流特征，此時(shí)的帶出機(jī)理主要為軸向氣流對(duì)液膜的切削和上部筒體內(nèi)壁處的液相短路[7]，攜帶率曲線上升逐漸變緩。

3.3 液滴攜帶率與效率關(guān)聯(lián)式

3.3.1 0#筒體入口結(jié)構(gòu)攜帶率關(guān)聯(lián)式

SAWANT等[15-16]、ISHII等[19]與SARKHI等[20]依據(jù)攜帶率曲線具有漸近于最大穩(wěn)定值的變化趨勢(shì)，提出采用雙曲正切函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)的形式描述液滴攜帶率。由3.1節(jié)的模型可知，GLCC液滴攜帶率具有類似規(guī)律，且變化趨勢(shì)更加符合雙曲正切函數(shù)，故嘗試采用雙曲正切函數(shù)建立0#筒體入口結(jié)構(gòu)液滴攜帶率的關(guān)聯(lián)式：

(8)

其中SLCO由式(5)確定。根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到Fmax和Smax均為液相雷諾數(shù)的函數(shù)，即

(9)

(10)

由式(5)、式(8)～式(10)得到的液滴攜帶率理論值與試驗(yàn)值，部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示，可以看出：由該方法確定的液滴攜帶率曲線和試驗(yàn)值吻合較好。液滴攜帶率對(duì)應(yīng)的效率最大誤差在1%以內(nèi)，精度較高，在一定程度上揭示了攜帶與失效機(jī)理。

3.3.2 1#筒體入口結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

GLCC分離性能在很大程度上受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響，其中傾斜管筒體入口結(jié)構(gòu)與尺寸就是一個(gè)主要的影響因素[1,7,21]。采用1#筒體入口結(jié)構(gòu)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，得到液滴攜帶率對(duì)應(yīng)的效率理論值與試驗(yàn)值的誤差如圖9所示，可以看出：相應(yīng)的效率最大誤差在1.5%以內(nèi)。通過(guò)驗(yàn)證可知：由雙曲正切函數(shù)關(guān)聯(lián)液滴攜帶率確定液相分離效率的方法精確度較高，基本滿足GLCC工業(yè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求。

圖8 液滴攜帶率試驗(yàn)理論值對(duì)比(0#) 圖9 GLCC效率誤差(1#)

4 結(jié) 論

(1) 引入表示氣液量相對(duì)變化的準(zhǔn)數(shù)S，證明該準(zhǔn)數(shù)能較好地表述GLCC中液相效率的變化規(guī)律。

(2) 建立了GLCC液滴攜帶率曲線的分區(qū)模型，即可劃分為攜帶初始區(qū)、線性帶出區(qū)、旋流過(guò)渡區(qū)和穩(wěn)定帶出區(qū)，得到了影響值之間的數(shù)量關(guān)系式。

(3) 采用雙曲正切函數(shù)對(duì)0#筒體入口GLCC液滴攜帶率進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，并且關(guān)聯(lián)式精度較高，基本滿足GLCC工業(yè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求。關(guān)聯(lián)式對(duì)應(yīng)的效率最大誤差小于1%。

(4) 利用1#筒體入口試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，得到相應(yīng)效率誤差在1.5%以內(nèi)，認(rèn)為該方法能夠較好地應(yīng)用于GLCC液相分離場(chǎng)合，基本滿足工程設(shè)計(jì)需要。