王亞安，陳建義，葉松，宋占榮，韓明珊，楊洋

（1 中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249； 2 過(guò)程流體過(guò)濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

引 言

管柱式氣液旋流分離器（gas-liquid cylindrical cyclone，GLCC）是一種耦合離心力與重力的分離設(shè)備[1]，憑借體積緊湊和成本低廉的特點(diǎn)，在陸地及深水油氣分離場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用。它的工作原理是：氣液兩相先在下傾管中實(shí)現(xiàn)預(yù)分離，后經(jīng)漸縮噴嘴沿切向進(jìn)入豎直筒體。在豎直筒體內(nèi)，由于氣液兩相的密度差異，受離心力與重力的雙重作用，液相被甩至邊壁向下運(yùn)動(dòng)，從底流口排出；氣相則邊旋轉(zhuǎn)邊向上，從溢流口排出，以此實(shí)現(xiàn)氣液分離。GLCC 工作時(shí)伴隨有兩種特殊現(xiàn)象，即：氣相攜液現(xiàn)象（liquid carry-over，LCO）和液相攜氣現(xiàn)象（gas carry-under，GCU）。在富氣田開(kāi)采中，也即在高氣液比情形下（來(lái)流體積含氣率≥95%），LCO是研究重點(diǎn)，相應(yīng)地，針對(duì)LCO 的研究也就聚焦于GLCC 豎直筒體的上部空間。

針對(duì)LCO 現(xiàn)象，學(xué)者們進(jìn)行了理論分析[2-3]、實(shí)驗(yàn)觀測(cè)[4-10]及數(shù)值模擬[11-12]研究。其中，Hreiz 等[6]指出，存在于GLCC 上部筒體內(nèi)的旋流液膜溢出是使LCO 發(fā)生的直接原因。Yue 等[12]則認(rèn)為：除了溢出液膜之外，液滴的逃逸也會(huì)造成LCO，不過(guò)逃逸液滴的數(shù)量極為有限。許承煒等[10]指出，旋流液膜的流型與LCO 有密切的關(guān)系；他們還對(duì)發(fā)生LCO 后的液相分離效率進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)氣液相流量及入口噴嘴尺寸對(duì)液相分離有重要影響。遺憾的是，針對(duì)GLCC 上部筒體內(nèi)的氣液流動(dòng)行為，尤其是該旋流液膜的定量參數(shù)及其分布特征卻鮮有報(bào)道。在氣液兩相流動(dòng)中，液膜厚度和氣液界面行為、液滴攜帶、阻力特性等緊密相關(guān)。掌握液膜厚度的分布特征，可加深對(duì)GLCC 內(nèi)部氣液流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。雖然上行旋流液膜在石油化工領(lǐng)域、核工業(yè)領(lǐng)域等豎直管中也較為常見(jiàn)[13]，但需指出，GLCC 上部筒體內(nèi)的氣液流動(dòng)和存在旋流效應(yīng)的常規(guī)豎直管中的氣液流動(dòng)又有所不同，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是旋流產(chǎn)生的方式不同，即常規(guī)豎直管一般通過(guò)在管道入口同心地加裝造旋器（如螺旋葉片）來(lái)產(chǎn)生旋流[13-17]，而GLCC 是由下傾式相切入口產(chǎn)生旋流；二是流體會(huì)在GLCC 入口處產(chǎn)生明顯的分流現(xiàn)象，即大部分液體和少量氣體進(jìn)入GLCC 下部筒體，而大部分氣體和少量液體進(jìn)入其上部筒體；三是GLCC的筒體高度不會(huì)太大，故而氣液流動(dòng)在其內(nèi)部遠(yuǎn)未達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。這些差異增大了對(duì)GLCC 認(rèn)知的難度，其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律還未得到充分的認(rèn)識(shí)。旋流液膜的流動(dòng)與LCO 密不可分，而旋流液膜厚度作為旋流液膜重要的特征參數(shù)，值得開(kāi)展深入的研究。

本文采用常用的液膜測(cè)厚方法——電導(dǎo)法[18-19]，利用天津大學(xué)定制的“紐扣式電導(dǎo)傳感器”，通過(guò)改變氣液相流量及入口噴嘴尺寸，系統(tǒng)地測(cè)量了GLCC 上部筒體內(nèi)的液膜厚度，分析了其空間分布特性，并結(jié)合液膜流型分布，沿豎直筒體軸向?qū)⒘餍秃鸵耗ず穸茸隽硕ㄐ躁P(guān)聯(lián)。本研究揭示了GLCC 上部筒體內(nèi)液膜厚度的分布特征，豐富了對(duì)GLCC 氣液流動(dòng)現(xiàn)象及規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并可為理解其他研究領(lǐng)域中同樣存在旋流效應(yīng)的豎直管內(nèi)液膜的分布特性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置尺寸如圖1（a）所示。傾斜管內(nèi)徑d=54 mm，下傾角度θ=27°，該角度有利于流體形成分層流流型[3]。入口采用矩形漸縮噴嘴，噴嘴末端端面的長(zhǎng)為a，寬為b，與筒體相切，兩個(gè)不同漸縮比的入口噴嘴按照漸縮程度從小到大依次命名為1#、2#噴嘴（1#噴嘴：a=54 mm，b=40 mm；2#噴嘴：a=54 mm，b=17 mm）。豎直筒體內(nèi)徑D=74 mm，筒體高徑比約為33。序號(hào)1～8 為壓力測(cè)點(diǎn)，利用RS485 系統(tǒng)對(duì)氣液相流量及壓差信號(hào)實(shí)時(shí)在線采集。液膜測(cè)厚裝置位于GLCC上部筒體，即壓力測(cè)點(diǎn)6、7之間。定義入口噴嘴與豎直筒體的相切點(diǎn)為z=0 截面，第一個(gè)液膜測(cè)厚截面位于軸向位置z=150 mm，后續(xù)測(cè)量截面依次相距100 mm。

圖1 GLCC實(shí)驗(yàn)裝置與流程Fig.1 Experimental device and flowchart of the GLCC

實(shí)驗(yàn)流程如圖1（b）所示。氣相（空氣）由高壓風(fēng)機(jī)鼓出，經(jīng)渦街流量計(jì)測(cè)得體積流量Qg，Qg=90～220 m3·h-1；液相（自來(lái)水）由泵增壓后經(jīng)渦輪流量計(jì)測(cè)得體積流量Ql，Ql=0.6～3.0 m3·h-1。氣液兩相經(jīng)靜態(tài)混合器混合后進(jìn)入GLCC 進(jìn)行分離。分離后的氣相從筒體上部溢流口排出，再經(jīng)高效絲網(wǎng)捕集器后，氣相排入環(huán)境中；分離后的液相從筒體下部底流口返回至水箱以循環(huán)利用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)位于底流口端的閥門(mén)以控制平衡液位的高度在入口以下約400 mm處[10,20]。

1.2 紐扣式電極測(cè)厚原理

圖2 紐扣式環(huán)狀電導(dǎo)傳感器Fig.2 Film thickness sensor spool with eight flush-mounted probes

測(cè)量液膜厚度的方法主要有：電導(dǎo)法、電容法、光學(xué)法、圖像法等[21]。本文采用的“紐扣式電導(dǎo)傳感器”[22-24]，如圖2所示，是由同軸安裝的兩個(gè)電極環(huán)片及兩電極片之間的絕緣層組成，因其形狀類(lèi)似“紐扣”，故得其名，也有學(xué)者稱其為“同心探針”[22]。同其他測(cè)厚法相比，紐扣式電導(dǎo)傳感器干擾小、精度高且操作簡(jiǎn)便。如圖2 所示，將8 個(gè)紐扣式傳感器間隔45°安裝，組裝成一個(gè)環(huán)狀傳感器，這樣可同時(shí)獲得液膜厚度的周向信息；將8 個(gè)電極面加工成弧形，使之可與74 mm內(nèi)徑管道相嵌，并用一個(gè)可拆卸的法蘭段固定，這樣可獲得不同軸向截面處的液膜厚度信息。

紐扣式電導(dǎo)傳感器的測(cè)量原理是：當(dāng)不同厚度值的液體流過(guò)兩個(gè)電極時(shí)，會(huì)使兩電極間的電導(dǎo)值發(fā)生變化[25]。在壓力與溫度變化不大的前提下（也即液體的電導(dǎo)率及介電常數(shù)不會(huì)發(fā)生太大變化），根據(jù)設(shè)計(jì)回路可將電導(dǎo)值轉(zhuǎn)化為輸出電壓，再根據(jù)提前標(biāo)定好的輸出電壓與液膜厚度的關(guān)系，從而可將所顯示的電壓值轉(zhuǎn)化為液膜厚度值，如圖3所示。

紐扣式電導(dǎo)傳感器的標(biāo)定：本文將已知直徑的多個(gè)實(shí)心絕緣棒同軸地插入紐扣式環(huán)狀電導(dǎo)傳感器中，向絕緣棒與管壁之間的縫隙中注入被測(cè)液體（液膜厚度便可知），然后接通電路后測(cè)得對(duì)應(yīng)的輸出電壓，即可獲得輸出電壓與液膜厚度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定方法及結(jié)果如圖4所示。

圖3 電導(dǎo)法測(cè)厚原理Fig.3 Principle of thickness measurement by conductance method

圖4 液膜厚度標(biāo)定過(guò)程及結(jié)果Fig.4 Calibration process and result of liquid film thickness

1.3 數(shù)據(jù)采集范例

圖5 液膜厚度的時(shí)域分布圖及時(shí)-空均值的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)Fig.5 Temporal data of liquid film thickness and repeatability tests for the liquid film thickness's temporal and spatial average values

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文研究了GLCC 入口氣液相流量、入口噴嘴尺寸對(duì)GLCC 上部筒體液膜厚度的空間分布特性，針對(duì)兩個(gè)入口噴嘴之間的區(qū)別，需補(bǔ)充說(shuō)明的是：（1）兩個(gè)入口噴嘴的收縮比RS不同，RS定義為噴嘴末端面積與始端面積的比值，即RS=b/a，1#噴嘴RS=0.741，2#噴嘴RS=0.315；（2）兩個(gè)入口噴嘴的筒體截面比KA不同，KA定義為豎直筒體截面積與噴嘴末端面積之比，即KA=πD2/4ab，1#噴嘴KA=1.991，2#噴嘴KA=4.685。

2.1 液膜厚度與入口氣量、液量的關(guān)系

圖6 展示了1#、2#噴嘴在截面z=250 mm 處的液膜厚度隨入口氣量、液量的分布規(guī)律，其他工況下的液膜厚度分布規(guī)律類(lèi)似。從圖中可以看出，當(dāng)Ql一定時(shí)，δ 隨Qg的增大而增大，且呈現(xiàn)“S”形分布；而當(dāng)Qg一定時(shí)，δ隨Ql的增大近乎線性增大。

當(dāng)入口氣量固定時(shí)，增大入口液量會(huì)使進(jìn)入GLCC 上部筒體的液量增多，液膜厚度隨之變厚，這與Movafaghian 等[4]、Hreiz 等[6]對(duì)GLCC 上部筒體液膜含量的定性觀察結(jié)果相符合，也與其他研究者[26-30]對(duì)于常規(guī)豎直管中的測(cè)量結(jié)果相一致。而當(dāng)入口液量固定時(shí)，隨著氣量的增加，GLCC 液膜厚度的分布與普通豎直管存在差異：在普通豎直管中，無(wú)論是否存在旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，液膜厚度隨氣量的增大呈近線性減小分布[26-30]。前已述及，GLCC 與普通豎直管的差異主要在于入口結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致氣液兩相進(jìn)入筒體后分布形式的不同。在普通豎直管中，一旦入口液量確定，不論入口氣量作何改變，其筒體內(nèi)的液相含量是一定值，即氣液量彼此獨(dú)立；而在GLCC中，其上部筒體內(nèi)的液膜含量同時(shí)受入口氣液量的影響，入口氣量的增大往往意味著其自入口管攜帶液量能力的提升，進(jìn)而使液膜厚度變厚。關(guān)于其“S”形分布形式，可從GLCC 旋流效應(yīng)和軸向效應(yīng)間的相互作用作解釋?zhuān)阂环矫?，離心力的存在使壓力沿徑向產(chǎn)生新的分布，對(duì)邊壁液膜存在“擠壓”作用使其變薄，另一方面又有利于捕集氣芯中的液滴使之沉積于邊壁液膜使其變厚；氣體軸向曳力的存在一方面會(huì)攜帶更多的液體進(jìn)入上部筒體使液膜厚度變厚，另一方面又會(huì)加快液膜流速使其變薄。旋流效應(yīng)與軸向效應(yīng)彼此影響，共同作用，導(dǎo)致了液膜厚度的“S”形分布。

許承煒等[10]曾通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了GLCC 的液相分離效率曲線，結(jié)果表明，隨氣量的增大，各液量下的效率曲線呈現(xiàn)“倒S”形分布。他們還結(jié)合液膜流型的分布，引入無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)從氣相旋流和軸向效應(yīng)間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系對(duì)效率曲線“倒S”形分布的原因作了解釋。本文也對(duì)GLCC 的液相分離效率做了測(cè)量，得到的分布形式與前人結(jié)果一致，如圖7 所示。結(jié)合液膜厚度的“S”形分布樣式，進(jìn)一步驗(yàn)證了Hreiz等[6]和Yue 等[12]的觀點(diǎn)，即液膜逃逸是使LCO 發(fā)生的直接原因。

2.2 不同軸向截面的液膜厚度與入口噴嘴的關(guān)系

圖8展示了不同入口噴嘴所對(duì)應(yīng)的液膜厚度隨軸向位置的分布情況，其他氣量、液量下的結(jié)果類(lèi)似?？梢钥闯觯嚯x入口越遠(yuǎn)，液膜厚度越??；此外，1#與2#噴嘴在不同軸向位置的厚度大小存在差異：在第一個(gè)測(cè)量截面z=150 mm 處，2#噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜厚度大于1#噴嘴，而在其他位置，均為1#噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜厚度大于2#噴嘴。液膜厚度沿軸向向上逐漸變薄，由于重力作用，越靠近入口處液膜越厚，意味著GLCC 上部筒體內(nèi)的氣液流動(dòng)處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)。不同入口噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜厚度在不同軸向位置的分布還可進(jìn)一步從圖9中展示，可以看出，在z＜250 mm位置，2#噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜厚度更厚。

圖6 GLCC液膜厚度與入口氣量、液量的關(guān)系Fig.6 Relation between liquid film thickness and inlet gas-liquid flow-rates of GLCC

圖7 GLCC液相分離效率曲線Fig.7 Curves of GLCC’s liquid phase separation efficiency

圖8 GLCC不同入口噴嘴下液膜厚度在不同截面處的分布（Ⅰ）Fig.8 Distribution of liquid film thickness at different crosssections under the different inlet nozzles of GLCC（Ⅰ）

本文認(rèn)為，上述現(xiàn)象可據(jù)圖10作解釋。如圖10（a）所示，Yue 等[12]曾根據(jù)對(duì)GLCC 氣液流動(dòng)現(xiàn)象的觀察，將其上部筒體劃分為三個(gè)區(qū)間，即：離心分離區(qū)、曳力拖拽區(qū)以及液相逃逸區(qū)。被測(cè)位置z=150 mm（約2倍筒徑）位于離心分離區(qū)，該區(qū)距離入口最近，易受入口來(lái)流的切向速度以及入口液體碰壁產(chǎn)生液滴的影響：強(qiáng)離心力有利于補(bǔ)集氣芯中的離散液滴并維持液膜在該區(qū)間快速旋轉(zhuǎn)。顯然，同1#噴嘴相比，2#噴嘴的漸縮程度大，流體進(jìn)入筒體時(shí)的切向速度大，與筒體壁面碰撞產(chǎn)生離散液滴的數(shù)量也多，故在該區(qū)間2#噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜厚度較厚。但需指出，2#噴嘴在該區(qū)間的液膜厚度大，不代表相同工況下對(duì)應(yīng)的筒體液膜含量大。從圖8 也可看出，在Ql=1.5 m3·h-1，Qg=200 m3·h-1時(shí)，2#噴嘴在z≥550 mm處已無(wú)液膜存在。事實(shí)上，在曳力拖拽區(qū)以及液相逃逸區(qū)，1#噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜量更大，該現(xiàn)象可據(jù)圖10（b）解釋。在與入口相切的筒體截面處，1#噴嘴末端端面的寬度值更大，液體進(jìn)入筒體后，認(rèn)為主要占據(jù)圖中所示的筒體空白區(qū)域，從而這一截面對(duì)應(yīng)的氣體軸向流通面積更小，故在相同的氣量下其軸向流速更大，而氣速越大，越容易攜帶液體進(jìn)入筒體上部空間。但由于其漸縮程度小，導(dǎo)致其切向速度小，故其未能充分維持液膜在靠近入口處旋轉(zhuǎn)，從而液膜被大的軸向流速攜帶至遠(yuǎn)離入口的位置，乃至鋪滿整個(gè)筒體壁面。因此在非離心分離區(qū)，1#噴嘴對(duì)應(yīng)的液膜厚度更厚。

圖9 GLCC不同入口噴嘴下液膜厚度在不同截面處的分布（Ⅱ）Fig.9 Distribution of liquid film thickness at different crosssections under the different inlet nozzles of GLCC(Ⅱ)

圖10 GLCC上部筒體分區(qū)及入口截面處的氣相有效流通面積（俯視圖）Fig.10 Different segments of upper cylinder and effective cross-section area of gas phase at inlet section of GLCC (top view)

此外，關(guān)于入口噴嘴尺寸對(duì)GLCC 分離性能的影響，Hreiz 等[6]、蔣明虎等[7]、路遠(yuǎn)[9]曾做過(guò)相關(guān)研究。結(jié)果表明，入口噴嘴尺寸對(duì)GLCC 上部筒體內(nèi)的氣液流動(dòng)現(xiàn)象影響顯著：尺寸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致流體的旋流強(qiáng)度較弱，進(jìn)而造成液體大量上竄發(fā)生LCO；尺寸過(guò)小會(huì)增大旋流強(qiáng)度，過(guò)大的旋流強(qiáng)度會(huì)使近壁處的氣相軸向速度提升[6,31]，從而便于向上攜帶液體發(fā)生LCO，且過(guò)小的噴嘴尺寸還會(huì)對(duì)GLCC 的流型分布產(chǎn)生影響[9]。入口噴嘴尺寸不宜過(guò)大或過(guò)小，存在一個(gè)合理的尺寸使得GLCC 的分離性能更優(yōu)[9]。本文關(guān)于入口噴嘴尺寸與液膜厚度的關(guān)系也說(shuō)明，就液相分離效率而言，2#噴嘴優(yōu)于1#噴嘴。

2.3 不同流型下液膜厚度分布特征

在氣液兩相流動(dòng)中，流型是指兩相介質(zhì)的分布情況[32]。不同流型的分布特征不同，對(duì)分離器分離性能的影響也不盡相同。液膜厚度作為液膜流型的重要參數(shù)之一，有必要對(duì)兩者間的對(duì)應(yīng)關(guān)系給予描述。

陳曉慧[33]研究了GLCC 上部筒體內(nèi)的流型分布，針對(duì)空氣-水體系，觀察并定義了三種流型：旋環(huán)流、過(guò)渡流、攪混流，見(jiàn)圖11。當(dāng)流型為旋環(huán)流時(shí)，僅有部分液膜在GLCC 入口上方旋轉(zhuǎn)，連續(xù)氣相占據(jù)了大部分空間；當(dāng)流型為過(guò)渡流時(shí)，液膜開(kāi)始沿管壁上下湍動(dòng)，但未充滿整個(gè)筒體壁面；當(dāng)流型為完全攪混流時(shí)，湍動(dòng)液膜運(yùn)動(dòng)更加劇烈，筒體持液量增大，液膜鋪滿整個(gè)上部筒體壁面。

圖12 不同流型下液膜厚度分布特征Fig.12 Distribution characteristics of liquid film thickness under different flow patterns

根據(jù)液膜厚度實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合流型分布情況，可對(duì)二者間關(guān)系做定性描述，見(jiàn)圖12。其中，旋環(huán)流和過(guò)渡流可用圖12（a）表示，完全攪混流可用圖12（b）表示。事實(shí)上，無(wú)論何種流型，由于GLCC 入口管的“短路流效應(yīng)”[12]，在離心分離區(qū)都存在一個(gè)旋流液膜周向鋪滿筒壁的形成過(guò)程（類(lèi)似螺旋帶），大約在二倍筒體直徑的高度處液膜厚度達(dá)到最厚，而后開(kāi)始軸向發(fā)展。當(dāng)流型為完全攪混流時(shí)，在GLCC 豎直筒體與溢流管交界處，由于二者直徑的突變，液膜會(huì)在此處形成堆積，故而液膜厚度會(huì)變厚。

3 結(jié) 論

GLCC 上部筒體內(nèi)的旋流液膜厚度是關(guān)鍵的特征參數(shù)，本文利用紐扣式電導(dǎo)傳感器獲得了其厚度的平均分布特性，得到如下結(jié)論。

（1）液膜厚度隨入口氣、液量的增大而增大：當(dāng)入口液量固定時(shí)，液膜厚度隨入口氣量的增大呈現(xiàn)“S”形分布；當(dāng)入口氣量固定時(shí)，液膜厚度隨入口液量的增大呈現(xiàn)近線性分布。液膜厚度與入口氣、液量的關(guān)系表明液膜逃逸是造成GLCC 液相分離效率降低的直接原因。

（2）GLCC 上部筒體內(nèi)的氣液流動(dòng)處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，總體上液膜厚度沿筒體軸向向上趨于減小。但當(dāng)液膜鋪滿整個(gè)筒體壁面后，由于溢流管直徑小于筒體直徑，液體會(huì)在出口處發(fā)生聚集，導(dǎo)致液膜厚度再次變厚。

（3）GLCC 入口噴嘴尺寸對(duì)其上部筒體內(nèi)液膜厚度的分布影響顯著，存在合理的噴嘴尺寸使得上部筒體內(nèi)液膜厚度更薄，液膜含量更低，進(jìn)而液相分離效率更高。

（4）GLCC 上部筒體內(nèi)不同流型的液膜厚度沿筒體軸向向上的分布不同：當(dāng)流型為旋環(huán)流和過(guò)渡流時(shí)，液膜厚度沿筒體軸向先增大后減??；當(dāng)流型為完全攪混流時(shí)，液膜厚度沿筒體軸向先增大后減小然后增大。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——入口噴嘴末端端面長(zhǎng)度，m

b——入口噴嘴末端端面寬度，m

D——筒體直徑，m

d——傾斜管直徑，m

El——液相分離效率，%

f——采樣頻率，Hz

KA——筒體截面比，KA=πD2/(4ab)

L——筒體高度，m

N——電導(dǎo)傳感器個(gè)數(shù)

Qg,Ql——分別為氣、液體積流量，m3·h-1

RS——入口噴嘴收縮比，RS=b/a

t——采樣時(shí)間，s

z——軸向位置，m

δ——液膜厚度，m

θ——傾斜管下傾角度，(°)