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化工学报 2022年第3期73卷 1221-1231页

作者：周宇航陈建义王亚安张丁于马红莹叶松中国石油大学重质油国家重点实验室北京102249 过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室北京102249

管柱式气液分离器(gas-liquidcylindricalcyclone,GLCC)是一种耦合离心力与重力作用的分离设备,常用于深海油气分离。气相带液(liquidcarry-over,LCO)是影响GLCC分离性能的关键问题,且LCO率与GLCC上部筒体内的液膜流型有密切关系。因此... 详细信息

管柱式气液分离器(gas-liquidcylindricalcyclone,GLCC)是一种耦合离心力与重力作用的分离设备,常用于深海油气分离。气相带液(liquidcarry-over,LCO)是影响GLCC分离性能的关键问题,且LCO率与GLCC上部筒体内的液膜流型有密切关系。因此,通过调控液膜流型来控制LCO率是一种可行方法。提出了一种向上分支的双入口管柱式气液分离器,并在其分支管增设一个阀门以控制两入口间流量比,达到调控液膜流型的目的。利用高速摄像机,通过改变入口气、液流量和阀门开度,系统研究了液膜的分布特征;并利用数值模拟对GLCC液膜流型、内部流线及速度特性做了研究。支路流通面积比从100%改变至0时,流经倾斜管主路的流量增多,液膜占据的筒体壁面高度沿轴向逐渐降低,且液膜集中在倾斜管主路入口附近并形成对分离性能有利的旋环流流型;模拟结果显示,在前述过程中,旋流场涡核中心逐渐稳定,有利于抑制LCO的发生。调节入口阀门开度以调控液膜流型是改善GLCC分离性能的可行手段。

关键词：管柱式气液分离器双入口结构气液两相流分离流型控制

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管柱式气液分离器双入口结构的实验研究

管柱式气液分离器双入口结构的实验研究

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作者：韩明珊中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着陆上油气资源的逐渐减少甚至枯竭,近海油气资源的开发迅速增长,并扩展到深海和极深海域。管柱式气液分离器(简称GLCC)具有体积小、结构简单、无内构件、易于安装操作等优势,因此在海洋石油开采领域具有应用前景。根据学者们对GLCC... 详细信息

随着陆上油气资源的逐渐减少甚至枯竭,近海油气资源的开发迅速增长,并扩展到深海和极深海域。管柱式气液分离器(简称GLCC)具有体积小、结构简单、无内构件、易于安装操作等优势,因此在海洋石油开采领域具有应用前景。根据学者们对GLCC结构改进特别是入口结构改进所做的研究得知:GLCC的操作范围以及分离效率与GLCC的结构型式尤其是入口结构密切相关。本文选取常温常压下空气-水两相介质,在现有单入口GLCC的基础上改变入口结构,研究了四种双入口结构GLCC的分离性能,主要结论如下:(1)不同双入口结构GLCC液相分离效率相差很大。通过实验得知,1#双入口结构GLCC与2#双入口结构GLCC在实验可以达到的液量下,都出现了液滴挟带现象,液相分离效率低于单入口GLCC;3#双入口结构GLCC和4#双入口结构GLCC在实验工况范围内都未达到液滴挟带起始点,无LCO现象发生,液相分离效率均高于单入口GLCC。主入口截面积尺寸是影响双入口结构GLCC液相分离效率的关键因素。(2)通过实验观测,对四种双入口结构GLCC垂直上升管、倾斜入口管以及筒体气相空间流型分布进行定性分析。倾斜入口管段流型会因为双入口开口方向而产生改变,双入口结构对垂直上升管段流型几乎无影响,而主入口截面积是造成上部筒体流型变化的主要原因。(3)实验中基于气相欧拉数与气液相雷诺数、气相弗鲁德数、渐缩喷嘴形状系数之间的关联,建立了表征双入口结构GLCC溢流压降经验公式。溢流压降经验公式计算值与实验值吻合度较好,可以对后续GLCC工程应用提供一定指导。

关键词：管柱式气液分离器双入口结构筒体流型分离效率溢流压降

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管柱式气液分离器分离性能实验研究

管柱式气液分离器分离性能实验研究

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作者：许承炜中国石油大学（北京）

学位级别：硕士

管柱式气液分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone简称GLCC)因其结构简单紧凑、操作方便等优势,在深海油气分离等场合受到越来越多的青睐。然而GLCC分离机理复杂,阻碍了其在工业上的广泛应用。本文选取水与空气为实验介质,变换不同结... 详细信息

管柱式气液分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone简称GLCC)因其结构简单紧凑、操作方便等优势,在深海油气分离等场合受到越来越多的青睐。然而GLCC分离机理复杂,阻碍了其在工业上的广泛应用。本文选取水与空气为实验介质,变换不同结构尺寸的气相出口管,设计、搭建GCU(Gas Carry Under)测量装置,采用实验的方法对GLCC液相分离性能、气相分离性能与分离压降进行了研究,主要结论如下:(1)气相出口管旋入芯管后对液相分离效率基本无影响。气相出口管直径变化后对液相分离性能有一定影响。GLCC液滴携带率随准数S可以分成四个区域,即携带初始区、线性带出区、旋流过渡区和稳定带出区。利用双曲正切函数对液相分离效率进行关联,误差在1.5%以内,满足工程设计需求。(2)利用不同入口接管和气相出口管的组合结构进行实验,得到综合表征操作参数和结构参数的压降准数关联式。设计了一种喇叭状芯管结构。实验结果证明该结构达到了降压升效的设计目标。(3)设计、搭建快关阀法实验装置对下部筒体气泡带出量进行测量,建立了气相带出率预测模型。将气、液相分离效率综合考虑,对GLCC安全操作区域图进行了修正。提出了综合反映气、液相分离性能的气、液相效率操作图,对工业实践具有一定指导意义。

关键词：管柱式气液分离器气相出口管结构液相分离效率压降气相分离效率

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液相物性对双入口管柱式气液分离器液膜流型的影响

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中国海上油气 2023年第6期35卷 162-172页

作者：李子青陈建义张丁于周宇航马红莹李森中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室北京102249 过程流体过滤与分离技术北京市重点实验室北京102249

管柱式气液分离器(GLCC)是一种耦合离心力与重力的分离设备,液相介质物性对其两相流型及分离性能有显著影响。分别以水、甘油溶液和T55导热油为液相介质,空气为气相介质,采用高速摄像机对直径74 mm的双入口GLCC倾斜入口管的气液流型和... 详细信息

管柱式气液分离器(GLCC)是一种耦合离心力与重力的分离设备,液相介质物性对其两相流型及分离性能有显著影响。分别以水、甘油溶液和T55导热油为液相介质,空气为气相介质,采用高速摄像机对直径74 mm的双入口GLCC倾斜入口管的气液流型和上部筒体的液膜流型进行了高帧率可视化研究,发现:倾斜入口管内气液流型为分层流、环状流;上部筒体内液膜流型为旋环流、过渡流、搅混流与鳞状流,进一步分析了液相介质物性对气液流型及液膜流型的影响机理。结果表明:液相黏度越大,倾斜入口管内分层流越稳定,预分离效果越佳;上方次入口内环状流侧壁液膜厚度越薄,上部筒体内搅混液膜越容易被向上携带;同时,液膜的稳定性越差,旋环流越易发展为搅混液膜甚至鳞状流,越易导致气相携液现象(LCO)发生。引入无量纲气、液相特征参数,得到了旋环流与搅混流的流型转变判别式,可间接表征不同液相介质双入口GLCC液膜流型与分离性能的关系,对确定GLCC最优工况区间具有指导意义。

关键词：管柱式气液分离器气液两相流气相携液液相物性液膜流型分离性能

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高气液比工况的管柱式气液分离器分离性能研究

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流体机械 2018年第7期46卷 32-35,19页

作者：王庆锋李中李凯郝帅北京化工大学北京100029

为了提高分离器结构紧凑性与分离稳定性,采用管柱式气液分离器进行高气液比工况下的气液分离操作。基于CFD数值模拟方法,运用雷诺应力模型对管柱式气液分离器内部流场进行模拟,运用离散相模型对液滴进行追踪,得到分离器内部的流场分布... 详细信息

为了提高分离器结构紧凑性与分离稳定性,采用管柱式气液分离器进行高气液比工况下的气液分离操作。基于CFD数值模拟方法,运用雷诺应力模型对管柱式气液分离器内部流场进行模拟,运用离散相模型对液滴进行追踪,得到分离器内部的流场分布情况以及不同结构参数对分离器分离效率的影响。对具体工况下的管柱式气液分离器结构进行优化设计,为管柱式气液分离器在高气液比工况下的设计与应用提供参考。

关键词：管柱式气液分离器数值模拟结构参数分离性能

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一种集成分离罐的管柱式气液分离器性能研究

一种集成分离罐的管柱式气液分离器性能研究

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作者：王瑞康中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

在深水油气田的勘探与开发过程中,水下分离器被认为是一项关键技术,具有降低化学药剂用量、消除段塞流以及提高油气采收率等优势。本研究针对管柱式气液分离器(GLCC)在分离过程中受到来流波动影响较大的问题,提出了一种集成分离罐的新型... 详细信息

在深水油气田的勘探与开发过程中,水下分离器被认为是一项关键技术,具有降低化学药剂用量、消除段塞流以及提高油气采收率等优势。本研究针对管柱式气液分离器(GLCC)在分离过程中受到来流波动影响较大的问题,提出了一种集成分离罐的新型GLCC,即通过在倾斜入口管段分支分离罐支路以实现对气液来流的预分离作用。本研究采用数值模拟与理论分析相结合的方法,对单入口GLCC、分离罐有无排气管GLCC三种结构的流场特性进行了对比分析。结论如下: (1)单入口GLCC的分离效率受液量影响较大,当液量增加时,分离效率会明显下降;分离罐无排气管GLCC的分离效率在不同工况下波动明显,呈现出显著的不稳定性;分离罐有排气管GLCC在高液量条件下表现出优异的性能,其分离效率在不同的气液流量下波动较小,并且能够改善下部空间的气相扰动情况。 (2)单入口GLCC的旋流压降明显高于其他两种结构GLCC,分离罐有排气管GLCC的总压降略高于单入口GLCC。通过对T型管流动分析,发现是由于局部能量损失所引起的,并建立了该区域压降预测模型。 (3)在竖直筒体内,分离罐有排气管GLCC的切向速度在不同高度截面位置上未出现明显的速度梯度,且靠近边壁处的轴向速度较低,有助于减少气流对液膜向上的裹挟作用;径向速度的衰减点靠近切向入口处,这一特点有助于液相的沉降过程。 (4)在分离罐有排气管GLCC中,T型管支路管壁右侧低压区域形成涡旋,并使该区域湍流动能和湍流强度集聚性增加。在流量分配上,有近60%的液相和40%的气相从T型管支路进入分离罐进行气液分离过程。 (5)选用X80管线钢对分离罐有排气管GLCC切向入口强化与非强化的模型分别进行强度校核,发现强化后的结构在切向入口附近显著降低了应力集中现象,满足了结构设计要求,且可以通过增加约束来进一步提高结构稳定性。

关键词：管柱式气液分离器分离罐数值模拟流动特性结构校核

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壁面材料对管柱式气液分离器性能影响的实验研究

壁面材料对管柱式气液分离器性能影响的实验研究

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作者：宋占荣中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

管柱式气液分离器(Gas-liquid Cylindrical Cyclone,简称GLCC),因其物料停留时间短、分离效率高、处理量大、占地面积小、成本低、承压能力强等优点,更能适应水下苛刻条件,在深海油气开发领域逐渐取得广泛应用。本文主要介绍了壁面润湿... 详细信息

管柱式气液分离器(Gas-liquid Cylindrical Cyclone,简称GLCC),因其物料停留时间短、分离效率高、处理量大、占地面积小、成本低、承压能力强等优点,更能适应水下苛刻条件,在深海油气开发领域逐渐取得广泛应用。本文主要介绍了壁面润湿性条件对GLCC分离性能的影响。通过设计搭建GLCC装置,并使用不同润湿性涂料改变GLCC主筒体上部空间内壁面润湿性,分析了超亲水、亲水、疏水、超疏水四种润湿特性对GLCC各段流型、分离效率和LCO起始点的影响,主要结论如下:(1)不同壁面润湿性条件下,流型分布态势相似,即随着气、液量的增加,依次呈现旋环流、搅混流、完全搅混流三种流型。(2)对液相携带起始点的研究表明,增加壁面疏水性可以增大LCO起始点,扩展GLCC安全操作区域。(3)GLCC分离效率研究表明,搅混流下疏水性壁面可以提高液相分离效率,而完全搅混流工况下,亲水性壁面对应液相分离效率更高。(4)建立了预测GLCC分离效率的数学模型,将理论值与实验值对比,相对误差在1%以下,对工业实践具有一定指导意义。

关键词：管柱式气液分离器壁面特性接触角气液两相流流型液相分离效率

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深海管柱式气液分离器流动特性的数值模拟研究

深海管柱式气液分离器流动特性的数值模拟研究

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作者：许如敏中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

气液分离器是水下生产系统的重要组成部分,管柱式气液分离器(gas-liquid cylindrical cyclone separator简称GLCC)具有结构紧凑,操作方便等优势在深海油气分离场合受到人们越来越多的青睐。然而GLCC的分离机理十分复杂,关于其流动和分... 详细信息

气液分离器是水下生产系统的重要组成部分,管柱式气液分离器(gas-liquid cylindrical cyclone separator简称GLCC)具有结构紧凑,操作方便等优势在深海油气分离场合受到人们越来越多的青睐。然而GLCC的分离机理十分复杂,关于其流动和分离特性的研究还没有得到满意的成果,因此阻碍了GLCC在工业上的广泛应用。本文采用数值模拟的方法对GLCC速度分布、压力分布、旋流的衰减特性、旋流的稳定性和截面的液相体积分布等进行了研究,结论如下:(1)在湍流模型的选择上:将标准k-ε模型、RNG k-ε模型和RSM模型与课题组实验结果进行比较,发现RNG k-ε模型所得压降值更接近实验值;在气液两相流模型的选择上,基于欧拉模型的多相VOF模型能描述与实验类似的气液相交界面,因此更适用于模拟GLCC内的气液两相流动;气液两相间的作用力以曳力为主,且曳力采用Symmetric模型更容易描述GLCC筒体内上部携带液滴的现象。(2)GLCC内切向速度的分布在径向呈“M”型分布,中心区域形成强制涡,两边区域形成自由涡,最大切向速度随着轴向位置上移而不断减小。切向速度受喷嘴结构影响较大,新月形喷嘴入口截面切向速度较大,造成壁面处较大动量损失,而矩形喷嘴对应的动量损失相对较小;喷嘴面积对速度分布也有很大影响,随入口面积减小,与喷嘴连接的一侧切向速度逐渐增大,对弯道处壁面的切削作用增大,动量损失增大,衰减加快。(3)随操作气量和液量增大,GLCC筒体内压降值逐步增大。整个GLCC静压变化并不明显,只在喷嘴入口截面上左侧壁面冲击区域处有静压突变。喷嘴结构和截面积对此冲击区域影响很大。新月形喷嘴相较于矩形喷嘴冲击区域更大;矩形喷嘴面积越小,冲击压力越大。(4)旋流衰减性和稳定性方面:气液两相在筒体上部入口附近高度旋流衰减较快。在z<1700mm时,气速对切向速度衰减影响较大,气速越小衰减越快;在z>1700 mm时气速对旋流衰减影响很小。GLCC筒体分离空间内旋流摆动幅度很大,在GLCC筒体上部空间内,矩形喷嘴相较于新月形喷嘴涡核摆动幅度更小,流动更加稳定。同一矩形喷嘴时,随喷嘴面积的减小,旋流稳定性增加。(5)在大液相流量下,喷嘴入口截面积减小不利于气液两相预分离;在GLCC入口区域存在一液体滞留区,该区域面积随喷嘴入口面积增大呈先减小后增大的趋势。2#喷嘴对应的滞留区域最小,性能更优;在GLCC入口上部区域右侧壁面液相体积分数相较于左侧壁面更大,且此区域随着喷嘴截面积的减小呈现先减小后增大的趋势,在2#喷嘴时实现最优。在GLCC筒体下部空间,0#喷嘴气核宽度和长度明显越大,而三种矩形喷嘴下,气核随喷嘴截面积增大呈现先减小后增大的趋势。从液相体积分布可以看出,2#喷嘴在大液量下,分离性能更优。

关键词：管柱式气液分离器数值模拟流动特性旋流稳定性气液相体积分布

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双入口管柱式气液分离器气相分离性能实验研究

双入口管柱式气液分离器气相分离性能实验研究

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作者：马红莹中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

新型高效的气液分离器——管柱式气液旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone,GLCC),是深海油气开发中进行油气分离的关键设备。前人对其有大量研究,主要针对液相分离性能,而对于分离器的气相分离性能及其下部筒体内的流动形态的研... 详细信息

新型高效的气液分离器——管柱式气液旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone,GLCC),是深海油气开发中进行油气分离的关键设备。前人对其有大量研究,主要针对液相分离性能,而对于分离器的气相分离性能及其下部筒体内的流动形态的研究较少,且研究对象多为单入口的气液分离器,对双入口结构的研究并不完善,缺少对双入口GLCC的气相分离性能及其下部筒体内气液流型变化和分布情况的研究。本文的研究重点是双入口GLCC的下部筒体内气液流型特点和气相分离性能,通过实验的方法,观察液相空间内的流型转变及其分布,对比分析不同入口结构、不同气液量和不同液相介质下气相分离效率的变化规律。主要结论如下:(1)液相介质为水时,双入口GLCC下部筒体流型变化主要受液相流量影响,并将其分为三大类:无气核、不稳定气核、稳定气核。在稳定气核流型下,液相出口管含气率最低。双入口结构的旋流强度大于单入口,气核状态分布广,轴向带出要多。(2)入口结构影响GLCC的气相分离效率。两种双入口结构的分离效率在不同操作工况下各有优势;高粘度液相介质时,向上双入口结构优于向下双入口结构。单入口结构分离性能优于双入口。(3)同一GLCC结构中,气液相流量和液相介质粘度是影响其气相分离效率的重要因素。在向上双入口GLCC结构下,增加气相流量,有利于气泡的分离;增加液相流量,分离能力增强,但同时轴向携带能力增强,气相带出率增加,含气率则取决于二者综合作用。液相介质粘度增大,旋流强度降低,但轴向带出减少。(4)不考虑甘油特殊液相,引入无量纲参数并进行实验数据拟合,建立描述向上双入口GLCC结构的气泡带出预测模型,公式的计算误差在25%以内。

关键词：管柱式气液分离器双入口介质粘度气相分离性能无量纲参数

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流体物性对管柱式气液分离器性能影响的研究

流体物性对管柱式气液分离器性能影响的研究

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作者：陈晓慧中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

新一代水下生产系统紧凑型布局理念给应用于其中的气液分离器提出了更加苛刻的要求。管柱式气液分离器（简称GLCC）因其独特的优势在深海富气田开采领域具有应用前景。前人对GLCC的研究大多着眼于液体携带起始点之前的情况,且缺少针对... 详细信息

新一代水下生产系统紧凑型布局理念给应用于其中的气液分离器提出了更加苛刻的要求。管柱式气液分离器（简称GLCC）因其独特的优势在深海富气田开采领域具有应用前景。前人对GLCC的研究大多着眼于液体携带起始点之前的情况,且缺少针对完全分离型GLCC的研究。本文的研究对象是气液相出口管不发生汇合的完全分离型GLCC,以液相介质对分离器性能影响作为切入点,通过实验的手段研究了GLCC各段流型分布、溢流压降、LCO起始点曲线和液相分离效率。将相似理论融入到实验数据的分析中,来探索GLCC气液两相流的运动特性,进一步完善用于预测分离性能的经验模型,主要研究成果如下:（1）通过量纲分析得到了表征溢流压降的准数关系式为Eug=f（Rel,Reg,Frg,KA,D/dg,KF）。该关系式囊括了液量、气量、渐缩喷嘴尺寸、溢流管直径以及液体物性等影响因素,可以更加全面地反映溢流压降,具有较高的计算精度。（2）运用方程分析法获得了影响GLCC液体携带过程的无量纲数,并结合学者们对液滴破碎过程的研究结论,对原始准则数进行了加工。绘制了以无量纲表观气速Nvg和无量纲表观液速Nvl为坐标的LCO起始点曲线,并根据三种不同浓度甘油溶液的实验数据,建立了LCO起始点曲线的函数方程。（3）将液相分离效率转化为液体携带率,通过类比竖直管环状流的液体携带问题,引入无量纲数S(S=We0.5Rρ0.6)来反映液体携带率的变化规律,并采用双曲正切函数来描绘携带率曲线。分别得到了环状流和搅混流机制下的液体携带率经验关系式,这两个公式预测的分离效率与实验值的相对误差分别落在±0.5%和±1%范围内,精度满足工程设计要求。

关键词：管柱式气液分离器流体物性溢流压降液相分离效率相似理论

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