CN102132081A - 用于环形二相管流的流分离装置 - Google Patents

Abstract

一种供在二相流分布网络中使用的流分离装置包括：侧接头三通管，其具有第一导管和以流体连通的方式向第一导管开口的第二导管；流限制装置，其设置在所述第一导管中，位于所述第二导管向所述第一导管的开口的上游；以及流屏障，其在所述第二导管向所述第一导管的开口的下游边缘附近的位置处延伸至所述第一导管中。由于到两个排出流中的每个的液体气体的质量流量比基本上等于被流分离装置接收到的二相流中的气体液体的质量流量比，所以保持液相质量流量与气相质量流量的比。

Description

用于环形二相管流的流分离装置

技术领域

本发明一般地涉及二相流分布系统。更特别地，本发明涉及从被结合在分布管道网络中的侧接头三通管的两个出口排出的一对二相流动流（flow stream）的气流内改善的液体分布。

背景技术

在各种应用中使用管道分布网络来从源向多个端点输送在气流中承载的液体的加压二相流。例如，此类管道分布网络的应用包括但不限于通过用于油回收的管道网络来输送蒸汽的油田、天然气分布管线、用于核发电厂和制冷系统的冷却网络、以及灭火系统。为了促进二相流在多个端点之间的分布，此类管道网络通常结合了一个或多个三通管接头。

可以安装在此类三通管接头处的流分离三通管存在两个基本结构。这些是一般也称为“bull三通管（bull tee）”的冲击三通管和侧接三通管（side tee）。在冲击三通管中，轴向地沿着三通管的杆部行进的输入流被分离成通过三通管的头部的相对端部从三通管排出的两个流动流。因此，从bull三通管排出的两个流动流沿着相反的方向并与进入bull三通管的单个流动流正交地通过三通管的头部离开。然而，在侧接三通管中，输入流进入三通管的头部的第一端部并沿着三通管的头部轴向地行进。当此流遇到侧接三通管的头部与侧接三通管的杆部的交叉点时，流的一部分进入三通管的杆部并通过三通管的杆部正交地离开到流的其余部分，流的其余部分继续沿着三通管的头部轴向地流动并通过三通管的头部的相对端部离开。

在大多数应用中，期望的是将通过管道网络流动的液滴和气体的二相混合物遍及管道网络均匀地分布。因此，在遇到的每个三通管接头处，每个下游流动流（亦即通过三通管接头离开的流）中的液体与气体的质量流量比应当基本上等于上游流动流（亦即进入三通管接头的单个二相流动流）中的液体与气体的质量流量比。在具有bull三通管构造的三通管接头处，对于三通管出口处的类似边界条件而言，横穿bull三通管的二相混合物由于bull三通管相对于进入bull三通管的流的几何对称性而以恒定的液体与气体质量比分离。

然而，在被配置为侧接三通管的三通管接头处，不存在此类几何对称性。相反，输入二相流的第一部分必须转动九十度的角以通过与侧接三通管的进口正交地设置的第一出口离开，同时，输入流的第二部分仅仅继续轴向地流过第二出口，该第二出口被轴向地设置为与到侧接三通管的进口相对。由于二相流中的液体具有比二相流的气体成分更大的轴向动量，所以液体的一部分将随着气流转动九十度角而相对于气流滑动，并将替代地继续大体上轴向地通过开口流到侧接三通管的杆部。结果，跨越侧接三通管接头，液体与气体的质量流量比（也称为液体气体质量流量比）不保持。相反，与输入流正交地通过侧接三通管的第一出口离开的二相混合物中的液体与气体的质量流量比将具有比进入侧接三通管的二相流的液体气体质量流量比更低的液体与气体的质量流量比，而通过侧接三通管的第二出口离开的二相混合物中的液体与气体的质量流量比将具有比进入侧接三通管的二相流的液体气体质量流量比更高的液体与气体的质量流量比。

对于常规侧接三通管而言，当在环形二相流体系中分离流时，两个出口流动流之间的各自液体气体质量流量比的差最明显。在环形二相流体系中，流的液相趋向于作为环形流集中，该环形流绕轴向地流过管道的承载气体的中心芯沿着管道的圆周表面隧道式流动。因此，在环形二相流中，液相相对于气相而言未被均匀地分布。绕环形二相流的气相特性的中心芯的液相的集中使得离开常规侧接三通管的各自出口的分离流动流的液体气体质量流量比之间的固有差距进一步扩大。

在美国专利No. 4,824,614中公开了一种方法，以解决管道分布网络中的侧接三通管接头处的排出流之间的不成比例的液体与气体质量比的问题。该文所公开的装置由三个部件的组合组成，包括设置在三通管接头上游的管道中的静态混合器，后面是同样设置在三通管接头上游的管道中的静态分层器，其后面紧接着又是在三通管内延伸的分隔壁。所述分隔壁用于将已通过混合装置和分层器的流分离成一对隔离的流，以便通过三通管的两个出口排出。

发明内容

提供了一种供与互连分布管道网络相结合地使用以便在接头处分离二相流的流分离装置。该流分离装置在保持通过网络的液体气体质量比的同时一致地分离通过管道分布网络中的侧接三通管接头的气体中液体的环形二相流。

所述流分离装置包括：侧接头三通管，其具有第一导管和以流体连通的方式向第一导管开口的第二导管；流限制装置，其设置在所述第一导管中，位于所述第二导管向所述第一导管的开口的上游；以及流屏障，其在所述第二导管向所述第一导管的开口的下游边缘附近的位置处延伸至所述第一导管中。可以将所述流限制装置设置在第二导管向第一导管的开口的前沿（即上游边缘）的上游高达第一导管的内部流直径约两倍的距离。在一个实施例中，流限制装置位于流屏障的上游达第一导管的内部流直径的约两倍的距离。

在一个实施例中，所述流限制装置可以是环形盘状构件，在其中具有形成流限制孔口的中心开口。在一个实施例中，所述环形盘状构件的中心开口具有等于第一导管的内部流直径的约0.8倍的孔口直径。

所述流屏障延伸跨越第一导管期望的距离而阻挡由第一导管限定的流面积的期望量，从而使二相流分离最优化。在一个实施例中，所述流屏障可以延伸跨越第一导管，从而阻挡由第一导管限定的流面积的约一半。在一个实施例中，可以由通过第一导管的侧出口延伸到第一导管中的下游管道的端部的下游区段来形成所述流屏障。在一个实施例中，所述流屏障可以是板构件，其跨越第一导管的侧出口的边缘下游的第一导管的一部分设置。

在本发明的一方面，提供了一种用于将气相中液相的环形二相流分离成两个流的方法。该方法包括步骤：使环形二相流通过具有进口、直通出口（thru outlet）和侧出口的侧接头三通管；促使环形二相的液相再分散至三通管进口下游和三通管的侧出口上游的气相中；捕获被再分散到气相中的液相的二相流的第一部分并使第一部分转向至从三通管的侧出口流出；以及使被再分散到气相中的液相的未捕获的第二部分通过三通管的直通出口离开。

附图说明

结合附图来阅读本发明的以下详细说明，附图中：

图1是增加液体的惰性气体灭火系统的示例性实施例的描绘图，部分地以示意图且部分地以透视图示出；

图2是冲击三通管接头的透视图；

图3是侧接三通管接头的透视图；

图4是示出通过水平管道路线（图4A）和通过竖直管道路线（图4B）的环形二相流的侧立视图；

图5是设置于水平取向的本发明的流分离装置的示例性实施例的剖视平面图；

图6是设置于水平取向的本发明的流分离装置的另一示例性实施例的剖视平面图；

图7是图5和图6所描绘的流分离装置的流限制器的示例性实施例的透视图；

图8是从侧出口的上游通过图5的流分离装置向下游看过去的立视图；

图9是在各种出口流面积比时相对于理论上期待的气体分布而言的设置于水平取向的本发明的流分离装置的各自出口之间的实际液体分布的图形表示；

图10是与用于各种侧接三通管接头取向的常规侧接三通管相比的本发明的流分离装置的各自出口之间的液体分布的比较的图形表示；以及

图11是Baker流态图的图形表示。

具体实施方式

在本文中将参考供在商业建筑中用于灭火的增加水的惰性气体灭火系统出于例示而不是限制的目的来描述本发明。应理解的是本发明在应用方面不限于灭火系统，而是还可以结合其它二相流系统得到应用，包括但不限于基于蒸汽的油回收系统、天然气管道、用于制冷系统和核发电厂的冷却流体网络，或在环形流体系中操作的任何二相流系统。

现在参考图1，灭火系统10可以包括用于存储惰性气体（亦即化学上非反应性气体，诸如氮气、氩气、氖气、氦气、或这些气体中的两种或更多种的混合物）的一个或多个容器20、液体存储容器30和与要保护的区域相关联的至少一个排放装置40。然而，除了当要保护的区域是单个相当小的房间时，通常与要保护的区域相关联地提供多个排放装置40，为在受保护区域内限定的每个房间提供一个或多个排放装置。

可以经由由供应管15、中间分布管17和多个回路管19构成的惰性气体分布网络以与排放装置40流体连通的方式以并联布置来连接惰性气体存储容器20，排放装置40可以是例如喷雾嘴组件。惰性气体供应管15在其终点处与中间分布管17流体连通。每个回路管19从中间分布管17分叉并与其流体连通，并具有被设置在要保护的空间内的终点，各自一个喷雾嘴组件被安装到所述终点。当在要保护的空间内检测到火时，惰性气体容器20内的压力下的惰性气体由此通过供应管15到达且通过中间分布管17并因此到达且通过每个回路管19，每个回路管19向各自一个喷雾嘴组件40供给惰性气体。

每个惰性气体存储容器20具有经由支路供应线路13与供应管15流体连通地相连的气体出口。可以将止回阀14设置在每个支路供应线路13中以便允许惰性气体通过支路供应线路13从与之相关联的各自惰性气体存储容器20流入惰性气体供应管15中，但是阻止流返回到惰性气体存储容器中。每个惰性气体存储容器20可以装配有出口阀16以调节通常小于存储压力的气体排出压力。例如，通常可以将惰性气体在200至300巴范围内的压力下存储在气体存储容器20内，但是在20至50巴范围内的压力下排出到管道15中。如果需要，则还可以将出口阀16设计为控制来自与之相关联的气体存储容器20的惰性气流的速率。

液体存储容器30限定内部容积32，其中存储有诸如水的灭火液体源。虽然在本文中将存储在存储容器30内的液体称为水，然而应理解的是可以将诸如化学灭火剂的其它液体存储在存储容器30中。气体进口线路34建立惰性气体供应管15与水存储容器30的内部容积32的上部区域之间的流体连通。水出口线路36建立液体存储容器30的内部容积的下部区域与相对于气体进口线路34分接到惰性气体供应线15中的位置处的惰性气流而言在下游位置处的惰性气体分布网络之间的流体连通。另外，可以将流限制装置38设置在惰性气体分布网络中，位于在其上游的气体进口线路34分接到供应线15中的位置与在其下游的水出口线路36向惰性气体分布网络开口的位置之间的位置处。流限制装置38可以例如包括设置在惰性气体供应线15中的固定孔口装置，并随着惰性气体穿过流限制装置38而促使产生压降，由此，在气体入口线路34分接到惰性气体供应管15中的上游位置与水出口线路36向惰性气体分布网络中开口的下游位置之间建立气体压力差。

可以将喷雾嘴37安装到水出口线路36的出口端以随着来自供应罐30的水被引入惰性气流中而使水滴雾化或以其他方式产生水滴的雾。在图1所描绘的灭火系统10的实施例中，水出口线路36向在相对于流限制装置38的气流而言在下游的位置处设置在惰性气体分布网络的惰性气体供应管15中的混合室35中开口。然而，应理解的是所限定的混合室35不是必须的。可替换地，水出口线路36可以直接排放到由惰性气体供应管15限定的内部容积中，来自存储容器30的水从水出口线路36通过喷雾嘴37直接进入流过供应管的惰性气流。喷雾嘴37将水转换成液滴的雾并将液滴喷洒到流过混合室35或惰性气体供应管15的惰性气流中，从而形成二相流体流，其继续通过供应管15以及流分布网络的其余部分至多个喷雾嘴40。可以将流控制装置33设置在水出口线路36中以调节从中流过的水的量。

在惰性气体的高速流与注入的水喷雾相互作用时，形成夹带在惰性气体中并由惰性气体载送的水滴的二相混合物。此二相混合物经由分布管的网络被分布到可操作地与要保护的区域相关联的排出喷嘴。排出喷嘴将水雾液滴和惰性气体散布在期望的区域上以便有效地使该区域充满水雾液滴和惰性气体，以便熄灭受保护区域中的火。

惰性气体通过将受保护区域内的氧含量稀释至较低水平并且还从火中吸收热量来抑制受保护区域内的火。另外，水雾液滴通过提高受保护容积内的大气的总热容来增强灭火。由于水滴的存在，水雾液滴和惰性气体的二相混合物具有比单独的惰性气体更高的总容量。因此，水雾液滴和惰性气体的二相混合物将更有效地从受保护容积内的火吸收热量达到受保护容积内的空气温度下降至阈值温度之下的程度，在该阈值温度之下，燃烧不能持续，例如在1500开氏度之下。

在灭火系统10的所描绘的示例性实施例中，如图2所示，供应管15和中间分布管17在T形接头中交叉，供应管15被连接到冲击接头三通管50的杆部，其形成接头三通管50的进口支腿52，并且中间分布管17的段17A和17C被连接到接头三通管50的头部的各自端部，其形成接头三通管50的两个出口支腿54、56。通过接头三通管50的进口支腿52从惰性气体供应管15接收到的二相流分离成两个部分，一个部分通过接头三通管50的第一出口支腿54排出到中间分布管17的段17A中，并且另一部分通过接头三通管50的第二出口支腿56排出到中间分布管17的段17C中。

另外，如图3所示，每个回路管19在T形接头中与中间分布管17交叉，中间分布管17的上游段17A被连接到侧接头三通管60的头部的第一端部，其形成侧接头三通管60的进口支腿62，并且中间分布管17的下游段17B被连接到侧接头三通管60的头部的另一端部，其形成侧接头三通管60的出口支腿66，并且回路管19被连接到侧接头三通管60的杆部，其形成侧接头三通管60的出口支腿64。通过侧接头三通管60的进口支腿62从中间分布管17的上游段17A接收到的二相流分离成两个部分，一个部分转动九十度以通过侧接头三通管60的侧出口支腿64排出到回路管19中且另一部分轴向地继续通过侧接头三通管60的端部出口支腿66排出到中间分布管17的下游段17B中。如参考本发明自始至终使用的，上游和下游是相对于二相流当其通过系统10的流动而言的。

通过管道的二相流体流将根据液相和气相的压力和质量流率采取许多不同流型中的一种。对于通过水平管的二相流而言，已知的是流型将随着气体流率增加而从泡状流，变化至栓塞流，变化至层流，变化至波流，变化至活塞流，变化至环形流并最终变化至雾流。这些参数可以用来预测通过特定尺寸管道的二相流是否将处于环形流体系中或其它上述流型的一种中。例如，Ovid Baker先生在其发表于1954年Oil and Gas Journal第53卷第185-195页的题为“Designing for Simultaneous Flow of Oil and Gas”的文章中给出了流态图。Baker流态图给出了作为纵坐标（y轴）的G_G/λ对比作为横坐标（x轴）的G_Lλψ/G_G的图表，其中：

G_G是每管道横截面面积的气体质量流率，以及

G_L是每管道横截面面积的液体质量流率；两者均以磅质量每平方英尺每秒为单位来表示；

其中：

ρ和μ分别表示二相流的气相（下标G）、二相流的液相（下标L）、20 ℃和1大气压下的空气（下标A）、和20 ℃和1大气压下的水（下标W）的密度和动态粘度；并且σ表示液相（下标L）或水（下标W）的表面张力。

类似地，对于通过竖直管的二相流而言，已知的是流型将随着气体流率增加而从泡状流，变化至活塞流，变化至搅混流（churn），并随后变化至环形流。

给定通常在约20至约50巴范围内的高压，在此高压之下惰性气体可以从气体储存容器20释放到管道15中，以及在受保护区域内建立灭火气氛所需的惰性气体的体积，气体质量流率足够高，使得穿过系统管道网络的二相流通常在典型的惰性气体灭火系统中采取环形流型。例如，在具有2英寸（5.08 cm）的管内径的分布系统并以在20至50巴范围内的线路压力操作的典型惰性气体灭火系统中，二相水和惰性气体（氮气）流将很好地在环形流态200内，其由图11所示的Baker流态图上示出的虚线指示，其中，数据点A、B、C和D表示以下条件下的存在于侧接三通管接头上游的示例性二相流：

在以环形流态操作的二相流系统中，注入到惰性气流中的水滴聚合并集中为沿着分布管的内壁流动的液膜，从而在惰性气体的中心流周围形成隧道流（tunnel flow），诸如图4A相对于通过水平管的二相环形流所示以及如图4B相对于通过竖直管的二相环形流所示。

如前所述，在常规二相环形流系统中，由于液相沿着分布网络管道的内壁集中于环形隧道状流，并且由于液相的线性动量基本上大于气相的线性动量，所以存在从侧接头三通管的其各自两个出口排出的二相流之间发生液相的不平衡分布的潜在可能，导致相对于基于相对出口流面积和离开边界条件的预期理论比而言排出流的液体气体质量流量比的显著偏差。申请人已经确定通过促使进入三通管接头的液相从管壁“抬离”至核心气流中并通过捕获该液体且使其转向，可以减少两个输出流之间的此类液相不平衡分布的发生，所述液体由于其更大的线性动量而趋向于随着气流转向到侧接头三通管的侧分支支腿而从气流滑移。

现在参考图5-6，其中，相同的附图标记自始至终指示相同的元件，描绘了以水平取向示出（也就是三通管的所有分支水平地延伸）的本发明的流分离装置100的剖视平面图。然而，应理解的是可以以任何取向来利用该流分离装置。流分离装置100包括侧接头三通管160、流限制器170和流屏障180。侧接头三通管160限定具有通过接头三通管160的头部轴向地延伸的第一导管100以及与第一导管100流体连通并正交地与第一导管110交叉并且延伸通过接头三通管160的杆部的第二导管120。侧接头三通管160被安装在系统10的管道分布网络中，在图1所示的侧接三通管60的位置上，上游管区段17A被接收到侧接头三通管160的头部的上游支腿162中，下游管区段17B被接收到侧接头三通管160的头部的下游支腿166中，并且管19的进口支腿被接收到侧接头三通管160的杆部164中。可以将套筒168插入侧接头三通管中以提供止动部，用于限制管道17A和17B的端部可以被插入侧接头三通管160的头部中的距离，从而使那些管道的端部不阻挡到第二导管120的开口。在套筒168中提供开口，其在尺寸上与从第一导管110到第二导管120的开口相当，并在套筒168被插入侧接头三通管160时与该开口对准。不是作为到侧接头三通管中的分离插入物，而是套筒168可以与侧接头三通管160整体地形成。

流限制器170被设置在第一导管110中，位于向第二导管120开口的侧出口的上游。流屏障180在向第二导管120开口的侧出口的下游边缘附近的位置处延伸到第一导管110中。流限制器170和流屏障180两者都被限制在三通管内，从而使流分离装置160成为一体化装置。在一个实施例中，可以将流限制器170定位在向第二导管120开口的进口的前沿121的约两（2）个导管内部直径内。将流限制器170定位成远远超过流屏障180上游两（2）个导管内部直径（诸如定位在管道17A内的侧接头三通管160外面和上游）促进液相到流限制器170下游和流屏障180上游的第一导管110或管道17A的壁的重附着。液相的任何此类重附着将降低流分离装置100在保持质量流量比方面的有效性。

应根据流限制器170所安装于其中的特定流分布系统来确定流限制器170的尺寸。如果能够容忍高压降，则流限制器170可以包括雾化喷嘴。通常，期望的是流限制器170向穿过流限制器170的流赋予低的乃至最小的压降。在期望低压降的应用中，流限制器170可以包括如图5-7所描绘的固定流面积孔口装置。

现在参考图7，特别地，在那里所描绘的示例性实施例中，流限制器170可以是具有与管道17A的外径D_P相当的外径D_D并具有厚度L的环形盘状构件172，管道17A被插入三通管160的进口支腿162中。环形盘状构件172限定从中穿过并限定具有孔口直径D_O的流限制孔口的中心圆形开口175。流限制器170充当沿着内壁流动进入侧接头三通管160的二相环形流的液相环形流的进一步前进的障碍。当沿着壁流动的液体遇到盘状构件172时，液体必须通过中心开口175。结果，流限制器170有效地使液体抬离壁并作为均匀地分布在流中的液体喷雾返回到通过中心开口175的惰性气流中。

如前所述，流限制器170向从中通过的流赋予压降。通常，期望的是在不破坏流限制器170在促使二相流的液相抬离壁方面的有效性的情况下使该压降最小化。在环形盘状构件172的情况下，如果中心开口175过小，则气相在从中通过时所经历的压降将过大。相反，如果中心开口175过大，则虽然从中通过的气相所经历的压降将减小，但输入液体将在盘状构件172的边缘上溢出并直接地继续沿着限定构件172下游的第一导管110的壁流动而不是被重新引入通过中心开口175的气流中。对于任何特定应用而言，根据对环形二相流的存在有贡献的参数来确定环形盘状构件172中的中心开口175的直径D_O，诸如管道内部流直径、气体流率、液体流率、各自的液体和气体密度、及液体的表面张力和动态粘度、以及压降限制。通常，可以将中心开口175的直径D_O的尺寸确定为使得沿着壁流动的环形流中的液体的膜厚度小于量D_D–D_O的一半。

流限制器170的厚度L可以在可用于流分离三通管160的上游支腿162的空间约束内根据需要而变。较薄的构件导致通过流限制器170中的中心开口175的流所经历的相对较低的压降，而较厚的构件导致通过流限制器170中的中心开口175的流所经历的相对较大的压降。在例如流分离三通管160的示例性实施例中，出于例示而不是限制的目的，如果流分离三通管160被作为侧接头三通管60安装在管道分布网络中，其中，流分离三通管160被连接到的上游管17A具有0.5英寸的标称外管直径和0.41英寸的标称内管直径，环形盘状构件172可以具有约0.08英寸的厚度L、0.41英寸的标称外径D_D、约0.34英寸的孔口直径D_O，其提供约0.8的孔口直径D_O与第一导管110的内部流直径D_i的比。

如前所述，流屏障180在从第一导管110到第二导管120中的开口的下游边缘附近的位置处延伸至第一导管100中。可以调整流屏障180的定位以根据需要增加或减小流屏障180到第一导管110中的穿透度。本领域技术人员应理解的是流屏障180到第一导管110中的最佳延伸对于不同的应用而言将是不同的，并且根据情况而定的穿透程度的调整在本领域普通技术人员的认识之内。现在参考图5、图6和图8，特别地，流屏障180可以延伸跨越第一导管110的下部分，例如以阻挡高达第一导管110的流面积的约一半。流屏障180可以包括诸如图5所描绘的延伸至第一导管110中的管道19的端部。在本实施例中，在将管道插入侧臂164中以形成勺状结构之前以一定的角度切割管19的端部119。如果由管道19的端部本身形成流屏障180，则可以通过在将管道19固定于流分离装置160的侧臂164之前简单地进一步插入并稍微抽回管道19的端部来实现管道19的端部到第一导管110中的穿透程度的调整。然而，在一个实施例中，流屏障180可以简单地包括采取设置在到直通臂166的进口下游的部分圆形式的挡板。例如，诸如图6所描绘的，可以直接将挡板设置在第一导管110中，紧邻从第一导管110到第二导管120中的侧开口的下游边缘。

流屏障向可能由于与气相的动量相比相对较高的线性动量而随着气流转动九十度从流过第一导管110的气体滑移而进入第二导管120的任何液体提供物理屏障。流屏障180的存在防止液体流的此部分继续流过并越过至第二导管120的开口且随后通过侧接头三通管的下游出口排出。相反，液体流的此部分撞击在流屏障180上并被反射回到转到第二导管120中的二相流的第一部分，从而通过侧接头三通管的侧出口离开。二相流的第二部分简单地轴向流过第一导管110超过流屏障180的远端范围182而通过侧接头三通管的下游出口离开。

在图5和图6所示的流分离装置100的示例性实施例中，侧接头三通管160的两个出口的流面积是相等的。也就是说，每个直通出口（即来自第一流导管110的出口）和侧出口（即来自第二流导管120的出口）限定来自侧三通管接头的总出口流面积的50%。此类构造的流分离装置100将被用作侧接头三通管，其中，期望的是将输入二相流分离成两个排出流，该排出流具有基本上与输入二相流的液体气体质量流量比相同的液体气体质量流量比。用这样配置的本发明的流分离装置100，输入二相流的液相成分的约一半和气相成分的约一半将通过侧接头三通管的直通臂166的出口和侧臂164的出口中的每一个排出。如本文所使用的，液体质量流量指的是每单位时间流过各自导管的液体的质量，并且气体质量流量指的是每单位时间流过各自导管的气体的质量。术语导管可指的是由管道、套筒或其它管形构件限定的任何流动通道。

当然，可以将流分离装置100配置为通过为各自出口提供不同的流面积而在侧臂164的出口与直通臂166的出口之间提供不同于基本上50%/50%的分离的流分离。理论上，二相流的气相将与各自出口流面积的比成比例地分离。现在参考图9，其中描绘了测试结果，该测试结果显示对于用于依照本发明以水平取向设置的流分离装置的侧臂164的出口与直通臂166的出口的流面积的各种比而言通过直通臂166的出口排出的水质量A的百分比和通过侧臂164的出口排出的水质量B的百分比。另外，图9在到侧接头三通管的各自出口之间的大范围的流面积比内基于气相的理论预期分离，示出用于将输入二相流分离成具有与气体质量比近似相等的液体质量比的两个排出流的流分离装置100的有效性。这些结果证实对于高达20%/80%的流面积比的流面积分离而言在本发明的流分离装置100中基本上保持液体气体质量比。超过该流面积比，流分离装置100在保持质量流量比方面的有效性下降。例如，当应用于处于10%/90%流面积比的流面积分离时，流分离装置100将不那么有效。

如前所述，流分离装置100不仅限于水平取向的使用，如仅仅出于例示的目的在图5和图6中描绘的，其中，通过直通导管110和侧导管120两者的流均是水平的。流分离装置可以用于任何取向，包括但不限于图10所描绘的以下取向：

取向A—直通导管110水平，侧导管120水平；

取向B—直通导管110水平，侧导管120竖直向下；

取向C—直通导管110水平，侧导管120竖直向上；

取向D—直通管道110竖直向上，侧导管120水平；

取向E—直通导管110竖直向下，侧导管120水平。

现在参考图10，针对如上所述的取向A-E中的每一个，描绘了来自依照本发明的流分离装置100的测试结果（列I）对比常规侧接头三通管（列II）的分别通过直通出口和侧出口排出的水质量流的比较。不同于流分离装置100，常规侧接头三通管不包括流限制器170或流屏障180。在每个取向上，对于流分离装置100和常规三通管两者而言直通出口和侧出口的流面积是相等的。在所有情况下，水流量质量作为输入二相流中的水质量的百分比给出。如在图10中看到的，在所有取向上，流分离装置100的实际水质量流量分离几乎等于50%/50%的理论预期气相分离，并且在所有取向上比与常规侧接头三通管相关联的水质量百分比实质上更加接近于理论预期气相分离。

另外，流分离装置100生产和实现起来是紧凑、简单且廉价的，并且对通过侧三通管接头的流赋予低压力损耗。

虽然已参考所描绘的示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员应认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员还将认识到可以取代参考本文公开的示例性实施例所述元件的等同物。因此，意图在于本公开不限于所公开的（一个或多个）特定实施例，而是本公开将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种供在二相流分布网络中使用的流分离装置，包括：

侧接头三通管，其具有第一导管和以流体连通的方式向所述第一导管开口的第二导管；

流限制装置，其设置在所述第一导管中，位于所述第二导管向所述第一导管的开口的上游；以及

流屏障，其在所述第二导管向所述第一导管的开口的下游边缘附近的位置处延伸至所述第一导管中。

2.如权利要求1所述的流分离装置，其中，所述流限制装置包括环形盘状构件，所述环形盘状构件在其中具有形成流限制孔口的中心开口。

3.如权利要求1所述的流分离装置，其中，所述流屏障延伸跨越所述第一导管，从而阻挡由所述第一导管限定的流面积的约一半。

4.一种供在管道网络中用于分布二相流的流分离装置，所述流分离装置包括具有头部和杆部的侧接头三通管，所述杆部以大致T形构造正交地与所述头部交叉，所述头部具有被安装到所述管道网络的上游管道的进口端部和被安装到所述管道网络的第一下游管道的出口端部，且所述杆部被安装到所述管道网络的第二下游管道，所述三通管限定用于从所述上游管道接收二相流的第一导管，并具有与所述第一下游管道流体连通的直通出口以及与所述第二下游管道流体连通的第二出口，所述第一导管具有内部流直径，所述流分离装置的特征在于：

流屏障，其在所述第一导管的侧出口的下游边缘附近的位置处延伸至所述第一导管中；以及

流限制装置，其设置在所述第一导管中，位于所述第一导管的侧出口的前沿上游。

5.如权利要求4所述的流分离装置，其中，所述流限制装置位于所述第一导管中，在所述第一导管的侧出口的前沿上游高达所述第一导管的内部流直径的约两倍的距离。

6.如权利要求4所述的流分离装置，其中，所述流限制装置包括环形盘状构件，所述环形盘状构件在其中具有形成流限制孔口的中心开口。

7.如权利要求6所述的流分离装置，其中，所述环形盘状构件的中心开口具有等于所述内部流直径的约0.8倍的孔口直径。

8.如权利要求4所述的流分离装置，其中，所述流屏障延伸跨越所述第一导管，从而阻挡由所述第一导管限定的流面积的约一半。

9.如权利要求4所述的流分离装置，其中，所述流屏障包括被接收在所述出口中并延伸到所述第一导管中的所述第二下游管道的端部的区段。

10.如权利要求4所述的流分离装置，其中，所述流屏障包括板构件，所述板构件跨越所述第一导管的侧出口的下游边缘附近的所述第一导管的一部分设置。

11.一种用于将气相中液相的环形二相流分离成两个流的方法，包括步骤：

使所述环形二相流通过具有进口、直通出口和侧出口的侧接头三通管；

促使所述环形二相的液相再分散到在所述三通管的进口下游和在所述三通管的侧出口上游的气相中；以及

捕捉被再分散到气相中的液相的二相流的第一部分并使所述第一部分转向而从所述三通管的侧出口流出；以及

使被再分散到气相中的液相的未捕获的第二部分从所述三通管的直通出口离开。

12.如权利要求11所述的方法，其中，通过所述三通管的进口接收到的环形二相流具有第一液相与气相质量流量比，通过所述三通管的侧出口离开的二相流的第一部分具有第二液相与气相质量流量比，并且通过所述三通管的直通出口离开的二相流的第二部分具有第三液相与气相质量比，第二流量质量比和第三质量流量比均与第一质量流量比近似相等。

Images