管式段塞流捕集器構(gòu)造及其優(yōu)化設(shè)計

李施放，賈逸群，羅曉坤，唐 琪

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中石油新疆油田公司，新疆 834000；3.中石油塔里木油田公司，新疆 841000）

管式段塞流捕集器相比于容器式的優(yōu)勢在于其處理量大。目前我國珠海高欄終端超大型管式段塞流捕集器處理量達(dá)到7000 m3，這也導(dǎo)致了其耗資巨大，其耗資主要體現(xiàn)在占地面積以及設(shè)備的建造費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，因此深入研究其構(gòu)造及工作機(jī)理來提高經(jīng)濟(jì)性是很有必要的。

1 管式段塞流捕集器的構(gòu)造

管式段塞流捕集器又因其平行管段像手指一樣而得名指狀（指式）段塞流捕集器，它的主要結(jié)構(gòu)是入口、分配器、降液段、分離段、氣體出口和儲液段。圖1便是指狀段塞流捕集器的構(gòu)造。由于設(shè)計不同，指狀段塞流捕集器其實(shí)也是有分類的，但是圖1比較具有代表性，本文便不再對其他種類的捕集器進(jìn)行贅述。

圖1 管式段塞流捕集器基本構(gòu)造

分配器的作用就在于能夠均分來流，最初的段塞流捕集器是沒有設(shè)置分配器的，這導(dǎo)致了很大程度上的偏流，其主要表現(xiàn)在中間幾根平行管路流量大于兩側(cè)的管路，因此中間管路承受了較多的來流，由于分離段的平行管路均采用相同口徑，從而導(dǎo)致了中間部分的氣體出口攜帶較多液滴，同時兩側(cè)的管路沒有充分利用。降液段是分離段之前的一段斜率較大的平行管，由于重力作用液相會迅速與氣相分離后進(jìn)入分離段，分離段的斜率及長度要充分考慮氣相中的液滴能夠沉降到液相中去避免被氣相攜出氣體出口，而儲液段則是要充分容納上游來的液相，避免液相從氣體出口排出，從而給下游設(shè)備造成影響。

2 應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

1959年，科羅拉多洲際天然氣管道公司建立了世界上第一臺管式段塞流捕集器，該捕集器是由兩根275 m，內(nèi)徑0.86 m的管線并聯(lián)組成，其容積為320 m3，有了這個開端以后管式段塞流捕集器開始被廣泛應(yīng)用于各混輸管路終端。1996年挪威國家石油公司在一處理平臺設(shè)置了分別由四根各長175.26 m、內(nèi)徑1.22 m的平行管束并聯(lián)而成的兩臺管式段塞流捕集器，兩臺捕集器的處理量均可達(dá)820 m3；2012年挪威國家石油公司在某油田海管終端設(shè)置了兩臺處理量可達(dá)1500 m3的管式段塞流捕集器。

我國在這一領(lǐng)域的研究起步較晚，而且很多技術(shù)依賴國外，但是也有很多自主研發(fā)的成果，而且在上文提及的荔灣氣田，其終點(diǎn)珠海高欄于2013年配備了一臺處理量高達(dá)7000 m3的管式段塞流捕集器，在這之前，我國的平湖-上海凝析氣田混輸管路終端、東方1-1路上終端工程以及南海PY30-1海底混輸管路終端分別設(shè)置了容積不等的管式段塞流捕集器。

由上述可見，隨著時代的發(fā)展，各國各石油公司采用的管式段塞流捕集器都趨于大型化，因此對其進(jìn)行合理的設(shè)計是很有必要的。

3 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計

平行管道數(shù)量N：平行管道數(shù)量N的確定影響到后續(xù)分離段及儲液段的負(fù)荷，同時N也是確定流速的一個重要參數(shù)，一般來說N會被設(shè)置成2的指數(shù)倍，這是由于分配器的存在而造成的結(jié)果，設(shè)計之前需要根據(jù)實(shí)際情況對N進(jìn)行幾種預(yù)估，然后將幾種設(shè)計結(jié)果進(jìn)行適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性評價，最終確定最優(yōu)方案。

降液段參數(shù)確定：降液管的作用主要是促進(jìn)氣液分離，有些設(shè)備由于其實(shí)際情況不需要降液段，但増?jiān)O(shè)降液段能有效地加速氣液分離，從而減小分離段和儲液段的負(fù)荷，因此在整體設(shè)計上可以減小后續(xù)部件的長度，由于降液段通常傾角大而形成的不利因素就是設(shè)備高度會因此而提高，在一些實(shí)際生產(chǎn)中會帶來操作等困難，因此降液段傾角一般以45°為宜，避免造成不切實(shí)際的設(shè)備高度。降液段還應(yīng)符合承擔(dān)的流量應(yīng)小于40%入口匯管中流量且其內(nèi)徑不宜超過平行管內(nèi)徑的2/3，推薦降液管長度不要少于5倍內(nèi)徑。

分離段參數(shù)確定：在計算之前之前需要做一個假設(shè)，就是分配器均分來流。要確定其流型轉(zhuǎn)變的臨界流速需要用到Taitel和Dukler的研究成果，即段塞流向分層流的臨界狀態(tài)下氣體的流速來計算。其長度則是從分配器終點(diǎn)（或降液段終點(diǎn)）到第一根排氣立管（氣體出口）的距離，要根據(jù)之前確定的平行管路數(shù)量N和內(nèi)徑D來確定其長度L，分離段的傾角一般取在1%～2%之間，傾角越大分離效果越好，占地面積也小，但要注意避免造成過高的設(shè)備高度。

儲液段參數(shù)確定：儲液段的作用就是用來儲存大量液體的部分，其容積應(yīng)當(dāng)能接受設(shè)備運(yùn)行過程中形成的最大的段塞，否則會導(dǎo)致液體竄入氣體出口，給下游設(shè)備帶來隱患，甚至是全線的停產(chǎn)。一般來說該部分的內(nèi)徑和傾角與分離段相同，但是由于該部分很長，因此在確定傾角的時候應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備高度，如果設(shè)備高度超過允許的范圍則應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)馗淖儍A角。確定了最大的段塞量和儲液段的內(nèi)徑以后就可以根據(jù)幾何關(guān)系來確定儲液段的長度。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段管式段塞流捕集器是一個比較成熟的設(shè)備，但是很多設(shè)計仍為了保障安全過度的降低了經(jīng)濟(jì)性，這都是歸因于技術(shù)仍需提高，因此在整個設(shè)計的優(yōu)化方面還是有很多工作值得做的?？偟膩碚f，權(quán)衡好平行管路的數(shù)量，調(diào)整好降液段的內(nèi)徑和傾角，將分離段和儲液段的傾斜角度和長度優(yōu)化，精準(zhǔn)確定流型轉(zhuǎn)變時的臨界流速，這些都可以通過更多的實(shí)驗(yàn)和模擬來實(shí)現(xiàn)，而且都有助于保障設(shè)備安全的同時改善整套設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。