指状段塞流捕集器的简便设计与计算

薛登存

指状段塞流捕集器的简便设计与计算

薛登存

薛登存

中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司

薛登存，男，高级工程师，1990年毕业于中国石油大学（华东）应用化学专业，现从事油田地面工程油气集输设计工作。

段塞流捕集器是气液混输管道进站常用的一种气、液初级分离设施。指状段塞流捕集器因具有操作简单、处理量大等特点而成为油气混输管道终端常用的分离设施， 根据其结构的不同，计算方法也不一样，比较简便的是单层一级指状段塞流捕集器的计算。

前言

段塞流捕集器是用来缓冲生产段塞流和清管段塞流对管道末端油气分离设备造成的水力冲击和由此引起的分离器液位突变等工况而设计的一种分离设施，它是由多根管径和长度相同的钢管连接而成的管道系统，其主要功能是捕集油气混输管道中的段塞流，并使气、液进行初级分离。国外多倾向于使用指状段塞流捕集器。相对多级双层结构管式段塞流捕集器而言，单层一级指状段塞流捕集器的设计与计算比较简单与实用。

主要设计原则

工艺设计主要考虑两方面的因素。

混合流体不管处于什么流态，在气液分离段应转变为层流，便于气液分离。

储液段应能容纳管道清管时产生的段塞液量，避免液体从气体出口流出。

指状段塞流捕集器的结构

本次计算只介绍单层结构一级管段。如图1所示，指状段塞流捕集器主要包括：（1）气液进口管，（2）气液分离段，（3）气相出口管，（4）液体储存段，（5）液相出口管等五部分，示意图如图1。

图1 单层结构指状段塞流捕集器示意图

入口管

入口管内径通常不小于混输管道末端管内径。介质进入捕集器后需经入口汇管分流再进入各分管段。

气液分离段和排气管

介质经入口汇管分流，首先进入到分离管段进行气液分离。液体进入到液体储存段，气体经排气管排出，排气管包括排气立管、排气汇管和气相出口管。

液体储存及排出

液体储存管段位于分离管段的下游，与分离管段相连。包括排液汇管、液相介质出口。

工艺计算

工艺计算是段塞流捕集器设计的重要内容之一，捕集器的气液分离功能、缓冲和存储功能都是在管段内实现的，工艺设计是否合理直接影响到捕集器的气液分离效果和缓冲能力。气液分离段计算储液容积的计算段塞流捕集器的设计储液体积按式（EQ.1）计算：

式中：

VL ——段塞流捕集器设计储液体积，m3；

C ——设计系数，通常取1.2；

Vint ——段塞流捕集器最大处理液塞体积，即混输管道正常操作、启动、停输、输量变化、清管等工况下产生的液塞体积中的最大值，m3；

Vbuffer——段塞流捕集器设计液相缓冲体积，通常取值为满足下游工艺设备正常运行所需液相缓冲体积，m3。

管段斜率选定

段塞流捕集器的管段通常向下倾斜，管段斜率宜介于1％～10％之间。单层结构的分离段和储液段一般选取不同斜率，即双斜率结构。

管段数量的选取

管段数量的选取主要取决于多相混输管道中介质的流量、管段最大允许长度（与允许占地面积有关）、管段内径等。

捕集器的气液分离主要是在气液分离段来完成的，管段数量通常是2的指数倍，一般不超过8根。

管段数量的选取与此部分管段内径的选取密切相关，它们需要配合气液分离管段内气相介质速度综合选取。可以先初步选取气液分离管段数量及其管段内径，再由式（EQ.2）计算出气液分离管段内气相介质速度。

式中：

Va ——气体表观流速，m/s；

ρL ——液相介质密度，kg/m3；

ρG ——气相介质密度，kg/m3；

k ——系数。

气液分离段的长度计算

气液分离段指的是管段起点至最后一个排气立管之间的管段。为了保证气液分离效果，多相介质在分离段停留时间需要足够长，即分离段足够长或介质流速控制在一定范围内，国际上一些生产捕集器的公司通常把气相介质流动速度控制在2m/s以内。

采用等液滴尺寸沉降法（液滴直径取150µm）。计算步骤如下：

阿基米德准数计算

阿基米德准数按公式（EQ.3）计算。

式中：

Ar ——阿基米德准数；

d ——液滴直径，m；

ρL ——液相介质密度，kg/m3；

ρG ——气相介质密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2；

µG ——气相介质动力粘度，Pa·s。

计算雷诺数

当Ar≤36（Re≤2）时，雷诺数按公式（EQ.4）计算。

式中：

Re ——雷诺数；

Ar ——阿基米德准数。

当36＜Ar≤83×103 （2＜Re≤500） 时，雷诺数按公式（EQ.5）计算。

式中：

Re ——雷诺数；

Ar ——阿基米德准数。

当Ar＞83×103（Re＞500）时，雷诺数Re按公式（EQ.6）计算。

式中：

Re ——雷诺数；

Ar ——阿基米德准数。

气相中液滴沉降速度计算

液滴沉降速度按公式（EQ.7）计算。

式中：

vO ——液滴沉降速度，m/s；

µG ——气相介质动力粘度，Pa·s；

Re ——雷诺数；

d ——液滴直径，m；

ρG ——气相介质密度，kg/m3。

分离段长度计算

为了保证分离效果，液滴在分离段内沉降至气液分界面所需时间应小于液滴在分离段内随气相介质流动所需的时间，一般取液滴沉降至气液相分界面所需时间为液滴在分离段内随气相介质流动所需的时间的一半。计算公式如下：

式中：

H0 ——气相中液滴的最大沉降距离，m；

VO ——液滴沉降速度，m/s；

Le ——分离段长度，m；

VG ——气液分离管段内气相介质速度，m/s；

式（EQ.8）整理后即可算出分离段长度Le。

储液段计算

储液段长度计算

储液段长度主要取决于储液体积，由于管段是倾斜的，储液段长度与捕集器最高液位密切相关。捕集器最高液位通常按图2选取，即：

该管段斜率为双斜率，最高液位为最低一根排气立管中心线与管段底面交汇处。

根据上图，储液段并没有完全充满液体，液面上方存在一定气相空间，该气相空间体积最大值为（π/8）Db3/tanθ。所以，储液段的长度可按式（EQ.9）计算出最小值：

图2 单层双斜率结构指状段塞流捕集器最高液位示意图

式中：

L2， min ——单层结构设计储液段长度的最小值，m；VSC ——段塞流捕集器设计储液体积，m3；

np ——管段数量；

Db ——单层结构管段内径，m；

θ ——管段和水平面之间的夹角，度（º）。

捕集器总长度

指状段塞流捕集器管段总长度按下式计算：

式中：

L ——捕集器长度，m；

L1 ——分离段长度，m；

L2 ——储液段长度，m。

排气系统设计

排气立管

排气立管的主要作用是将段塞流捕集器气液分离段分离出的气相介质由分离管段排至排气汇管，同时具备进一步脱除气相介质中携带的液滴的能力。排气立管内气体的设计表观速度可按照下式（EQ.11）计算。

式中：

VSG ——排气立管中气相介质表观速度，m/s；

C ——设计系数，通常取1.2；

qVG ——气相介质体积流量，m3/s；

m ——每个管段上排气立管的数量；

np ——气液分离管段数量；

Driser ——排气立管的内径，m；

ρL、ρG ——分别为液相和气相介质的密度，kg/ m3。

对于排气立管的内径选择，在工程实际应用中，通常取其开口母管内径的三分之二即可满足公式要求。

排气立管顶端在不低于捕集器入口汇管的前提下，其高度应取至少5倍排气立管直径，以使气相介质中携带的液滴有足够的时间沉降。

排气汇管

用于收集排气立管流出的气相介质的排气汇管，其内径宜介于排气立管的内径和气液分离管段的内径之间，高度不低于捕集器入口汇管。

排液系统设计

排液汇管

用于是收集储液管中液体介质的排液汇管，其内径宜与上游管段的内径相等，其高度应低于储液段管段末端。

液相介质出口

液相介质出口位于排液汇管上，与下游液相处理装置连接，其具体位置和管内径尽可能有利于捕集器各管段内部液相介质均匀平稳流出。

计算示例

以某油田的集输系统为例，计算单层双斜率结构指状段塞流捕集器的长度。

基础数据

表1 介质基础数据

计算结果

储液管长度计算

根据第4.2款计算的储液段长度如下。

表2 储液管长度计算结果

分离段的计算

根据第4.1款计算的分离段长度如下。

表3 气液分离管段计算结果

总长度

该段塞流捕集器的总长度为：74m。

结束语

本计算方法只是一个对于单层一级管段结构段塞流捕集器的设计与计算，对于拥有二级管段或双层结构管式段塞流捕集器的计算亦可参考使用。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.085