基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)工藝分析【一種新型的油水分離設(shè)備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)工藝分析【一種新型的油水分離設(shè)備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】,一種新型的油水分離設(shè)備,說明書+CAD+SOLIDWORKS,基于TRIZ的復(fù)合式旋流器創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)工藝分析【一種新型的油水分離設(shè)備】【說明書+CAD+SOLIDWORKS】,基于,triz,復(fù)合,式旋流器 緊湊型管柱狀氣液旋流分離器技術(shù)目前的發(fā)展?fàn)顩r Ovadia Shoham Gene E. Kouba著 ，狄磊譯 摘要 石油行業(yè)主要依靠傳統(tǒng)的容器式分離器處理井口生產(chǎn)過程中的油/水/氣采出液。但經(jīng)濟(jì)性和操作壓力條件不斷要求其尋找新型高效、低成本的緊湊型分離器，特別是在海上油田上這種要求更加迫切。與容器型的分離器相比，緊湊型分離器，如管柱式氣液旋流分離器，不僅簡(jiǎn)單，成本低，重量輕，需要很少的維護(hù)，而且易于安裝和操作。然而，無法預(yù)測(cè)的GLCC性能充分抑制了其廣泛的發(fā)展。目前研發(fā)的目的是研發(fā)必要的性能預(yù)測(cè)工具對(duì)GLCC分離器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和操作。本文從最先進(jìn)的仿真和設(shè)計(jì)方面，介紹了GLCC目前成功的應(yīng)用，以及潛在的應(yīng)用方面的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。 簡(jiǎn)介 GLCC是帶有傾斜切向入口的氣體及液體出口的垂直管。切向液流從入口進(jìn)入GLCC后形成的漩渦產(chǎn)生了作用于液體的離心力和浮力，其數(shù)值要比重力高出許多倍。重力、離心力、浮力的聯(lián)合作用使氣體和液體的分離開。液體沿徑向被推向外側(cè)，并向下由液體出口排出，而氣體則運(yùn)動(dòng)到中心，并向上由氣體出口排出。這一低成本、重量輕、緊湊型的GLCC分離器在替代常規(guī)容器型分離器方面具有很大的吸引力。GLCC和常規(guī)容器型立式和臥式分離器在尺寸方面的差別進(jìn)行了對(duì)比，在表壓力100 PSIG下，石油和天然氣的流速分別為100,000 B / D和70000Mscf/ D，這種情況下，所需的GLCC的直徑和高度尺寸分別為5和20英尺。相當(dāng)于同規(guī)模的常規(guī)立式分離器（9×35英尺）一半左右的尺寸，相當(dāng)于常規(guī)臥式分離器（19×75英尺）四分之一左右的尺寸。 GLCC的操作區(qū)域是指由兩個(gè)限制的現(xiàn)象：氣體流中遺留液體和液體流中攜帶氣體?，F(xiàn)在已經(jīng)確定液體遺留發(fā)生在氣流中的液體的第一跡線上。類似地，在液體下溢最早觀察到的氣泡與氣體攜帶的發(fā)生有關(guān)。 開發(fā)精確的性能預(yù)測(cè)工具中的困難大部分來源于可能發(fā)生在GLCC中的各種復(fù)雜流型。上方的進(jìn)氣口的流動(dòng)模式可能包括泡狀流、段塞流、渦流、霧狀流和液體帶流。進(jìn)氣口下方的流型通常由液體渦旋與氣芯絲組成。在遠(yuǎn)低于入口的液位，液體在旋轉(zhuǎn)膜上從入口流向漩渦。 阻礙GLCC更廣泛的使用的最大原因是難以預(yù)測(cè)的水動(dòng)力性能。即使沒有嘗試和測(cè)試性能的預(yù)測(cè)，GLCC幾個(gè)成功的應(yīng)用已經(jīng)有了報(bào)道?？煽康男阅茴A(yù)測(cè)工具的發(fā)展將通過硬件修改來提高GLCC的性能，最終會(huì)加快GLCC技術(shù)在現(xiàn)有的和新的領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展。 硬件的發(fā)展 研究者已經(jīng)對(duì)GLCC幾個(gè)不同的機(jī)械功能配置進(jìn)行了研究。最近的實(shí)驗(yàn)室觀察和計(jì)算機(jī)模擬表明，硬件修改會(huì)對(duì)GLCC的表現(xiàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。以下是總結(jié)的幾個(gè)重要的硬件改進(jìn)。 進(jìn)氣口設(shè)計(jì)。入口部確定進(jìn)入的氣體/液體分布和GLCC的初始切向入口速度。由于GLCC性能強(qiáng)烈依賴于切向入口的速度，入口一直是最需要重新設(shè)計(jì)的GLCC組件。 傾斜的進(jìn)氣口。傳統(tǒng)的垂直分離器通常使用垂直進(jìn)氣口。最近的研究已經(jīng)表明，一個(gè)傾斜的進(jìn)氣口，減少氣相中的液體遺留通過兩個(gè)方面來提高GLCC的性能。首先,向下傾斜的進(jìn)口有利于形成分層流，實(shí)現(xiàn)了了氣液兩項(xiàng)的初步分離。其次，向下的傾斜結(jié)構(gòu)使經(jīng)過初步分離的液相在進(jìn)氣口下方旋轉(zhuǎn)一圈之后形成旋流場(chǎng)，避免了對(duì)氣相向分離器上方運(yùn)動(dòng)的阻塞。 入口噴嘴。噴嘴是入口段最后一個(gè)影響進(jìn)入分離器氣液相流速分布和入口切向速度大小的因素。切向入口噴嘴的制造是GLCC制造中最昂貴的部分。幾種噴嘴配置已經(jīng)過測(cè)試，旨在優(yōu)化成本效益的水動(dòng)力性能。薄的，矩形槽結(jié)構(gòu)是水動(dòng)力性能的最佳配置，同時(shí)也是難以制造的。另一方面，同心圓形的切向入口是容易制造的，但性能較低。通過對(duì)具有相同截面積的三種不同的入口槽結(jié)構(gòu)（矩形，圓形，同心圓型和新月型）的初步試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同心圓形噴嘴（異徑管）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最差，而月牙型的噴嘴（切向平板）的表現(xiàn)最接近矩形槽結(jié)構(gòu)。 雙入口。雙傾斜的進(jìn)氣口將入口流預(yù)分為兩股流動(dòng)：低入口的富含液體的流動(dòng)和高入口富含氣體的流動(dòng)。雙入口的試驗(yàn)表明，在低到中等的氣體流量（在入口處段塞流轉(zhuǎn)為分層流）下，氣體攜帶液率有明顯的降低，而當(dāng)氣體流量較高時(shí)（在入口處為環(huán)狀流），無明顯的變化。 GLCC配置。盡管GLCC的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但幾種可能的配置修改會(huì)影響其性能。 進(jìn)氣口位置。對(duì)于沒有液位控制的GLCC，將入口段定位于靠近液面上方是至關(guān)重要的。大多數(shù)測(cè)試表明，單入口GLCC的最佳液位是在約低于入口下方1-3個(gè)L / D處。液位遠(yuǎn)低于3個(gè)L/D的會(huì)導(dǎo)致切向進(jìn)氣的速度的顯著衰減，影響GLCC的性能。如果液位高于入口，氣體必然會(huì)穿過液體而溢出，造成更多的液體遺留。 最佳長(zhǎng)徑比。長(zhǎng)徑比是GLCC的長(zhǎng)度和直徑之比。它的尺寸影響GLCC的性能和成本。對(duì)于一個(gè)給定的直徑，GLCC在進(jìn)氣口上方的長(zhǎng)度提供液體擾動(dòng)的容量，而在進(jìn)氣口下方的長(zhǎng)度決定從液體中分離氣泡的滯留時(shí)間。此外，離心力和浮力的大小與直徑成反比，切線速度的衰減與長(zhǎng)度成正比。由于這種現(xiàn)象的復(fù)雜性，最近才剛剛提出了一套決定最佳長(zhǎng)徑比的基本標(biāo)準(zhǔn)。 旋流體錐度。在對(duì)反錐型、正錐型和圓柱型的旋流體的調(diào)查中得出，對(duì)于氣/液分離，圓柱型旋流體要稍優(yōu)于反錐形和正錐形結(jié)構(gòu)。 液位控制。GLCC液位控制在大范圍的流動(dòng)條件下并不容易實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)槠潴w積小。正在研究的幾種不同的液位控制方法，包括氣腿的流量控制，液體的腿流量控制，以及兩條腿的共同流量控制。同時(shí)也正在考慮氣腿背壓控制和液體腿液位控制的結(jié)合。其他值得關(guān)注的問題包括能量要求，穩(wěn)定性和成本。 GLCC液位控制的幾個(gè)備選方案已付諸實(shí)施。例如，一個(gè)商業(yè)的多相流測(cè)量系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的控制設(shè)備，通過控制出氣流率來控制液位的試驗(yàn)已經(jīng)在GLCC上取得成功。另一個(gè)項(xiàng)目探討的用低功耗替代傳統(tǒng)的電平控制，通過GLCC的靜壓頭差來操作控制裝置。最近的GLCC的性能研究調(diào)查表明，帶有被動(dòng)控制系統(tǒng)的GLCC，只是使用流量能而沒有使用外部能量。 未來至關(guān)重要的工作是發(fā)展穩(wěn)定，有效的液位控制技術(shù)。由于較小的緊湊型的分離器的滯留時(shí)間和控制閥嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間的要求，這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的容器式分離器控制技術(shù)的擴(kuò)展問題。這些技術(shù)應(yīng)該使GLCC能夠處理段塞流、喘流、及廣泛的流速，從基本上符合充滿氣體液體流量條件下的工作要求。 集成分離系統(tǒng)。迫使行業(yè)擺脫傳統(tǒng)的重力分離器轉(zhuǎn)移到小巧的分離系統(tǒng)上存在巨大的經(jīng)濟(jì)誘因。GLCC根據(jù)不同的應(yīng)用，可用于完全或部分分離。部分的氣體分離允許下游設(shè)備的更?。ㄒ虼烁阋耍┖透行?。當(dāng)在結(jié)合多相流量計(jì)，分離系統(tǒng)和液/液水力旋流器時(shí)，GLCC非常有效。無論是單獨(dú)使用或與其它設(shè)備相結(jié)合的配置，GLCC可以顯著的降低成本和重量。這在設(shè)計(jì)或改造海上平臺(tái)上是特別重要的，平臺(tái)的建設(shè)成本的節(jié)省可能比分離設(shè)備的成本高許多倍。 另一種GLCC的組合是兩個(gè)GLCC的串聯(lián)使用。 一個(gè)商業(yè)測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來，使用第二級(jí)臥式分離器可以去除任何可能從GLCC下面溢出的小氣泡。這使得擴(kuò)展系統(tǒng)的操作范圍超出了“正?！边\(yùn)行的GLCC的完整的氣/液分離范圍。 其他硬件的改善。已經(jīng)在考慮的其他幾個(gè)潛在的改善，但是，我們?cè)谶@里還沒有討論他們是因?yàn)楹苌倩蚋緵]有性能信息可用。這些包括一個(gè)可變的入口槽區(qū)配置和氣體液體出口的配置。 模擬 過去，在經(jīng)驗(yàn)法則和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了GLCC分離器的性能預(yù)測(cè)的試驗(yàn)。這些方法僅限于GLCC的能力外推到不同的流體條件和未經(jīng)考驗(yàn)的應(yīng)用方面。目前，正在努力發(fā)展GLCC的機(jī)械模型和進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬。 機(jī)械模型提供了一個(gè)實(shí)用的進(jìn)行GLCC的設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)的途徑。簡(jiǎn)化了假設(shè)，但是，在理想情況下，該模型仍然能夠采集足夠的基本物理問題，進(jìn)而內(nèi)插和外推到不同的流體流動(dòng)情況。CFD可以預(yù)測(cè)GLCC中的復(fù)雜的流體動(dòng)力流動(dòng)特性的細(xì)節(jié)，包括流場(chǎng)、含率分布、分散相的離散顆粒的軌跡。同時(shí)適用于單相局部模擬或稀的分散流的模擬，目前CFD還不能模擬復(fù)雜的全方位的多相流。此外，CFD模型的大型管道系統(tǒng)，包括通常GLCC過于笨拙的無法實(shí)用的設(shè)計(jì)目的。 由于機(jī)械模型的大大簡(jiǎn)化，沒有CFD模擬的詳細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確。然而，機(jī)械模型具有很多優(yōu)點(diǎn)：快速的設(shè)置和計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)建模的能力，并且適合PC操作。因此，機(jī)械模型比CFD模擬更容易成為工程師的設(shè)計(jì)工具。 機(jī)械建模。到今天為止建模工作的最終目的，是預(yù)測(cè)GLCC的操作區(qū)域液體遺留在氣體流和氣體攜帶在液體流。每個(gè)流體流動(dòng)路徑有其自己特定的一組計(jì)算。任一計(jì)算路徑的起點(diǎn)是GLCC中氣體和液體的球分布，即平衡液面。 均衡液位。GLCC的平衡中液面是由氣體和液體出口之間的壓力降決定的。由于GLCC中摩擦損失低，平衡液位是GLCC中的液體的量的合理指示。 旋渦的形狀和位置。旋渦的形狀和位置是液體遺留和氣體攜帶很重要的預(yù)測(cè)。旋渦模型假設(shè)為剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)。平衡液面和渦形耦合的計(jì)算，使得測(cè)定的旋渦的位置和旋渦冠的高度成為可能。這種模式的球狀分布，為氣體和液體的性能模型的建立提供了基礎(chǔ)。 液體遺留。在氣流中的液體殘留物在很大程度上依賴于GLCC上部的流動(dòng)模式。溢流可能發(fā)生在GLCC高液位和低氣率的地方，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生泡狀流。不穩(wěn)定的液體振蕩，在適度氣率下渦流的特征，可能使飛濺的液體進(jìn)入出氣口。在高氣率的情況下發(fā)生環(huán)形霧流時(shí)，液體也可能以液滴的形式被帶出。在非常高的氣體速率下，旋流氣體的離心力將液體推到管壁上，在那里可以形成一個(gè)的螺旋形上升的連續(xù)的帶狀流。