CN103124587A - 高效分相器 - Google Patents
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Abstract
一种用于将多相流体分离成相对轻相和相对重相的分相器，其包括分离器管，所述分离器管包括：流体入口，多相流体通过所述流体入口进入设备；重相出口，重相通过所述重相出口离开设备；和内径表面，所述内径表面限定了在流体入口和重相出口之间延伸的流动孔。定位在位于所述流体入口的下游处的流动孔中的涡旋元件致使所述多相流体旋转并且使所述重相与所述轻相分离。轻相形成细长芯部，所述芯部在重相径向内侧从涡旋元件的近侧朝向重相出口轴向延伸通过流动孔。芯部稳定器定位在位于涡旋元件和重相出口之间的流动孔中并且结合轻相芯部的远端，从而阻止轻相通过重相出口离开设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将诸如石油和天然气的混合物的多相流体分离成其重相组分和轻相组分的设备。特别地，本发明涉及一种分相器，所述分相器包括芯部稳定器，所述芯部稳定器用于在多相流体流中发生波动的情况下阻止轻相通过重相出口离开。
背景技术
在烃生产工业中使用分相器以将多相流体流分离成其不同的馏分或相。例如，分相器通常用于将采自烃井的生产流体分成石油和天然气的单独分离流，以便能够单独运送和处理这些组分。这些分相器通过旋转多相流体以产生离心力的方式来运转，所述离心力导致重相向流体流的径向外部区域移动，并导致轻相在流体流的径向内部区域中形成芯部。
在先前技术的分相器中，多相流体流中的流动波动可能会导致轻相芯部变得不稳定。这种不稳定性在轻相芯部的远端附近尤为严重，并且能够导致不理想的大量轻相通过重相出口离开分相器。结果，极大地降低了分相器的分离效率。
发明内容
通过提供一种用于将多相流体分离成相对轻相和相对重相的设备来克服先前技术中存在的这些和其它限制，所述设备包括分离器管，所述分离器管包括：流体入口，多相流体通过所述流体入口进入设备；重相出口，重相通过所述重相出口离开设备；和内径表面，所述内径表面限定了流动孔，所述流动孔在流体入口和重相出口之间延伸；涡旋元件，所述涡旋元件定位在流体入口下游处的流动孔中，并且致使多相流体旋转并使重相与轻相分离，所述轻相形成细长的芯部，所述细长的芯部在重相的径向内侧从涡旋元件近侧朝向重相出口轴向延伸通过流动孔；排放通道，轻相通过所述排放通道离开设备，所述排放通道流体连接到流动孔的径向内区域；和芯部稳定器，所述芯部稳定器定位在涡旋元件和重相出口之间的流动孔中并且所述芯部稳定器结合轻相芯部的远端，从而阻止轻相通过重相出口离开设备。
根据本发明的一个实施例，芯部稳定器包括圆筒形本体，所述圆筒形本体同轴地定位在分离器管内并且包括腔室，所述腔室包括上游开口、下游端部和内表面，所述内表面从上游开口至下游端部径向向内收缩。内表面可以从上游开口至下游端部大体线性地收缩。例如，内表面可以以介于约15°和约45°之间的角度收缩。更加优选地，内表面可以以约25°和约35°之间的角度收缩。
在本发明的这个实施例中，本体可以包括介于分离器管的内径的约65%和约85%之间的外径。另外，上游开口可以包括介于分离器管的内径的约50%和约70%之间的直径。而且，腔室可以包括从上游开口至下游端部的轴向长度，所述轴向长度介于上游开口的直径的约100%和约150%之间。而且，涡旋元件的下游端部和腔室的上游开口之间的轴向距离介于分离器管的内径的约4倍和约5倍之间。
根据本发明的另一个实施例，可以通过支撑环将本体支撑在分离器管中，所述支撑环包括多个轴向孔，重相流动通过所述轴向孔。可替代地，多个径向翅片可以将本体支撑在分离器管中，所述径向翅片在本体和分离器管之间延伸。
根据本发明的又一个实施例，排放通道可以轴向延伸通过涡旋元件，并且包括位于涡旋元件的下游端部中的排放口。
根据本发明的替代性实施例，设备包括排放体，所述排放体同轴地定位在分离器管中，并且包括：圆筒形部分；圆锥形部分，所述圆锥形部分包括基部，所述基部附接到圆筒形部分的上游端部或者与所述上游端部成一整体；和径向肩部，所述径向肩部形成在圆锥形部分和圆筒形部分之间，其中，芯部稳定器包括径向肩部。
在本发明的这个实施例中，圆筒形部分可以包括介于分离器管的内径的约70%和约90%之间的外径。另外，径向肩部可以包括介于圆筒形部分的外径的约6%和约18%之间的半径。而且，径向肩部可以包括介于圆锥形部分的基部的外径的约10%和约22%之间的半径。此外，涡旋元件的下游端部和径向肩部之间的轴向距离可以介于分离器管的内径的约4倍和约5倍之间。
根据本发明的再一个实施例，排放通道轴向延伸通过排放体并且包括位于圆锥形部分的上游端部中的排放口。在这个实施例中，涡旋元件的下游端部和排放口之间的轴向距离可以介于分离器管的内径的约2倍和约3倍之间。另外，圆锥形部分的轴向长度可以介于分离器管的内径的约2倍和约3倍之间。
因此，本发明提供了一种芯部稳定器，所述芯部稳定器结合轻相芯部的远端，并且阻止轻相通过重相出口离开分离器管，即使在流动通过流体入口的多相流体发生波动的情况下也是如此。结果，大大提高了分相器的分离效率。
参照附图，从以下详细描述中本发明的这些和其它目的和优势将变得显而易见。在附图中，相同的附图标记可以用于表示多种实施例中相似的部件。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的分相器的剖视图；
图1A是图1的分相器的一部分的放大视图，其更为清晰地示出了本发明的这个实施例的芯部稳定器部件；
图2是通过对图1中示出的分相器进行计算流体动力学仿真所获得的图解；
图3是通过对与图1的分相器相似但不包括本发明的芯部稳定器部件的分相器进行计算流体动力学仿真获得的图解；
图4是根据本发明的另一个实施例的分相器的剖视图；
图4A是图4的分相器的一部分的放大视图，其更为清晰地示出了本发明的这个实施例的芯部稳定器部件；
图5是通过对图4中示出的分相器进行计算流体动力学仿真获得的图解；
图6是通过对与图4的分相器类似但没有包括本发明的芯部稳定器部件的分相器进行计算流体动力学仿真获得的图解。
具体实施方式
本发明涉及一种用于从多相流体分离出单相流体的分相器。在烃生产工业中，例如，采自地下井的流体可以包括例如天然气的相对轻相和例如石油的相对重相的混合物。在这种情况下，通常目标是将天然气从石油中分离出来，以便可以单独运送和处理这些分离相。尽管本发明能够与多种多相流体一起使用并且应用在多种工业中，但是为了简化的目的，在此将在用于从石油中分离天然气的装置的背景下描述本发明。
参照图1，示出了一种根据本发明的分相器的实施例，所述分相器整体用附图标记10表示，所述分相器包括细长的分离器管12，所述分离器管12包括第一或上游端部14、第二或下游端部16和内径表面18，所述内径表面18限定了流动孔20，所述流动孔20在第一和第二端部之间延伸。在使用过程中，第一和第二端部14、16可以连接到管道的对应段，所述管道连接到例如烃生产设施。
在本发明的这个实施例中，多相流体（用箭头A表示）通过位于第一端部14中的流体入口22进入到分离器管12，相对重相（用箭头B表示）通过位于第二端部16中的重相出口24离开分离器管，并且相对轻相（用箭头C表示）通过排放通道26离开分离器管，所述排放通道26在本发明的这个说明性实施例中延伸通过排放管道28。如图1所示，排放管道28包括轴向延伸通过流动孔20的第一段30和横向延伸通过分离器管12的第二段32。排放管道28可以由压紧螺母34支撑在分离器管12中，所述压紧螺母34旋拧到卡箍36中，所述卡箍36通过诸如焊接的方式附接到分离器管。
分相器10还包括涡旋元件38，所述涡旋元件38定位在流体入口22的下游处的流动孔20中。在图1示出的本发明的实施例中，涡旋元件38安装在流管12中并且连接到排放管道28的上游端部。正如本领域众所周知的那样，涡旋元件38使多相流体旋转并且所产生的作用在多相流体上的离心力致使重相运动至流动孔20的径向外部区域，而轻相运动至流动孔的径向内部区域。轻相由此将形成细长的芯部40，所述芯部40在重相的径向内侧从涡旋元件38的近侧朝向重相出口24轴向延伸通过流动孔。轻相通过排放通道26离开流动孔20，所述排放通道26在本发明的这个实施例中轴向延伸通过涡旋元件38至位于涡旋元件的下游端部中的排放口42。
在先前技术的分相器中，流动通过流体入口22的多相流体中的波动可以导致轻相芯部变得不稳定。这种不稳定在轻相芯部的远端（即，轻相芯部的最靠近重相出口24的端部）附近尤为严重，并且可能会导致不期望的大量轻相通过重相出口24离开分离器管。
根据本发明，分相器10包括芯部稳定器，用于稳定轻相芯部40。芯部稳定器定位在涡旋元件38和重相出口24之间的流动孔20中，下面将描述所述芯部稳定器的两个示例性实施例。在分相器10的操作过程中，芯部稳定器结合轻相芯部的远端，并且阻止轻相通过重相出口24离开分离器管12，即使在流动通过流体入口22的多相流体流中的波动的影响下也是如此。结果，极大提高了分相器的分离效率。
在图1和图1A中示出的本发明的实施例中，示出了整体用附图标记44表示的芯部稳定器，其包括圆筒形稳定器本体46，所述稳定器本体46同轴地定位在分离器管12内，并且包括腔室48，所述腔室48部分延伸穿过所述稳定器本体46。腔室48包括上游开口50、下游端部52和内表面54，所述内表面54从上游开口至下游端部径向向内收缩。在图1和图1A中示出的芯部稳定器44的实施例中，内表面54从上游开口至下游端部大体直线收缩。例如，内表面54可以以介于约15°和约45°之间的角度α收缩。更加优选地，内表面54可以以介于约25°和约35°之间的角度α收缩。可替代地，内表面54可以非线性地收缩，以使腔室48具有其它形状，例如尤其是半球状或者抛物线状。
腔室48的尺寸和稳定器本体46与涡旋元件38相距的距离取决于进入分相器10的多相流体的流量和多相流体中轻相的近似百分比。尽管对于给定的分离应用而言，可以根据经验确定腔室48的理想尺寸和稳定器本体46与涡旋元件38相距的理想距离，但是本发明人发现，对于大多数应用而言，可以使用以下关系确定所述理想尺寸和所述理想距离。分离器管12的内径Dt很大程度上取决于进入分相器12的多相流体的流量。一旦确定了分离器管12的内尺寸Dt，则稳定器本体46的外径Db可以选择为介于内径Dt的约65%和约85%之间，腔室48的上游开口50的直径Dc可以选择为介于内径Dt的约50%和约70%之间，并且腔室的从上游开口至下游端部52的轴向长度Lc可以选择为介于上游开口的直径Dc的约100%和150%之间。另外，涡旋元件38的下游端部和腔室48的上游开口50之间的轴向距离L可以选择为介于分离器管的内径Dt的约4倍和约5倍之间。
稳定器本体46可以由任何适当的装置支撑在分离器管12中。在图1和图1A中示出的本发明的实施例中，例如，稳定器本体46由支撑环56支撑在分离器管12中，所述支撑环56包括多个轴向孔58，重相可以流动通过所述轴向孔58。可替代地，稳定器本体46可以通过多个径向翅片支撑在分离器管12中，所述径向翅片在本体和分离器管之间延伸。
通过比较图2和图3，可以看出芯部稳定器44对轻相芯部40的作用。图2是通过分相器10的计算流体动力学（“CFD”）仿真获得的图解。如图2所示，芯部稳定器44结合轻相芯部40的远端并且防止轻相通过重相出口24离开分离器管12。相比之下，图3是通过类似于分相器10但没有芯部稳定器44的分相器的计算流体动力学仿真获得的图解。正如从图3显而易见的那样，轻相芯部40的远端不受阻止。结果，允许较大百分比的轻相通过重相出口离开分离器管。
在图4和图4A中示出了根据本发明的分相器的另一个实施例。本发明的这个实施例的整体用100表示的分相器与上述分相器10的相似之处在于，所述分相器100包括细长的分离器管12，所述分离器管12包括第一或上游端部14、第二或下游端部16和内径表面18，所述内径表面18限定了流动孔20，所述流动孔20在第一和第二端部之间延伸。
在这个实施例中，多相流体（用箭头A表示）通过位于第一端部14中的流体入口22进入分离器管12，相对重相（用箭头B表示）通过位于第二端部16中的重相出口24离开分离器管，并且相对轻相（用箭头C表示）通过延伸通过排放体102的排放通道26离开分离器管。排放体102同轴地定位在分离器管中并且包括：圆筒形部分104；圆锥形部分106，所述圆锥形部分106包括基部，所述基部附接到圆筒形部分的上游端部或者与所述上游端部成一整体；和出口部分108，所述出口部分108从圆筒形部分的下游端部横向延伸通过分离器管12。排放体102可以由压紧螺母110支撑在分离器管12中，所述压紧螺母110旋拧到卡箍112中，所述卡箍112例如通过焊接的方式附接到分离器管。
分相器100还包括涡旋元件38，所述涡旋元件38定位在流体入口22下游的流动孔20中。如在先前实施例中那样，涡旋元件38使多相流体旋转，并且所产生的作用在多相流体上的离心力致使重相运动到流动孔20的径向外区域而轻相运动到流动孔的径向内区域。由此，轻相形成细长的芯部40，所述芯部40在重相的径向内侧从涡旋元件38的近侧朝向重相出口24轴向延伸通过流动孔。轻相通过排放通道26离开流动孔20，所述排放通道26在本发明的这个实施例中包括位于圆锥形部分106的上游端部中的排放口114。
在本发明的这个实施例中，排放体102的圆筒形部分104包括直径D1，排放体的圆锥形部分106的基部包括直径D2，所述直径D2小于直径D1，并且芯部稳定器包括径向肩部116，所述径向肩部116形成在圆筒形部分和圆锥形部分的基部之间。
正如先前实施例那样，芯部稳定器116的尺寸和芯部稳定器及流动体102的其它部件与涡旋元件38之间的轴向间隔取决于进入分相器100的多相流体的流量和多相流体中的轻相的近似百分比。尽管对于给定的分离应用而言可以根据经验确定这些尺寸，但是本发明人发现，对于大多数应用而言，圆筒形部分104可以包括介于分离器管12的内径Dt的约70%和约90%之间的直径D1，并且芯部稳定器116可以包括介于圆筒形部分的直径D1的约6%和约18%之间的半径R。另外，芯部稳定器116的半径R可以介于圆锥形部分106的基部的外径D2的约10%和约22%之间。
另外，涡旋元件38的下游端部和芯部稳定器116之间的轴向距离L1可以介于分离器管的内径的约4倍和约5倍之间，涡旋元件的下游端部和排放口114之间的轴向距离L2可以介于分离器管12的内径的2倍和3倍之间，并且圆锥形部分106的轴向长度L3可以介于分离器管的内径的约2倍和约3倍之间。
通过比较图5和图6，可以看出本发明的这个实施例的芯部稳定器对轻相芯部40的作用。图5是通过分相器100的计算流体动力学仿真获得的图解。如图5所示，芯部稳定器116结合轻相芯部40的远端，并且防止轻相通过重相出口24离开分离器管12。相比之下，图6是由类似于分相器100但没有芯部稳定器116的分相器的计算流体动力学仿真获得的图解。正如从图6显而易见的那样，轻相芯部40的远端不受限制。结果，允许较大百分比的轻相通过重相出口离开分离器管12。
应当认识到的是，尽管已经根据本发明的优选的实施例描述了本发明，但是本领域中的那些技术人员可以在不背离本发明的原理的前提下开发出多种结构和操作细节。因此，随附权利要求应解释为涵盖所有落在本发明的真实范围和精神内的所有等效物。
Claims (20)
1.一种用于将多相流体分离成相对轻相和相对重相的设备，所述设备包括：
分离器管，所述分离器管包括：流体入口，所述多相流体通过所述流体入口进入所述设备；重相出口，所述重相通过所述重相出口离开所述设备；和内径表面，所述内径表面限定了在所述流体入口和所述重相出口之间延伸的流动孔；
涡旋元件，所述涡旋元件定位在流动孔中且位于所述流体入口的下游，并且所述涡旋元件致使所述多相流体旋转并分离所述重相与所述轻相，所述轻相形成细长的芯部，所述芯部在所述重相径向内侧从所述涡旋元件的近侧朝向所述重相出口轴向延伸通过所述流动孔；
排放通道，所述轻相通过所述排放通道离开所述设备，所述排放通道流体连接到所述流动孔的径向内区域；和
芯部稳定器，所述芯部稳定器定位在所述流动孔中且位于所述涡旋元件和所述重相出口之间，并且所述芯部稳定器结合所述轻相的芯部的远端，从而阻止所述轻相通过所述重相出口离开所述设备。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯部稳定器包括圆筒形本体，所述圆筒形本体共轴地定位在所述分离器管内，所述本体包括腔室，所述腔室包括上游开口、下游端部和内表面，所述内表面从所述上游开口至所述下游端部径向向内收缩。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述内表面从所述上游开口至所述下游端部大体直线地收缩。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述内表面以介于约15°和约45°之间的角度收缩。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述内表面以介于约25°和约35°之间的角度收缩。
6.根据权利要求2所述的设备，其中，所述本体包括外径，所述外径介于所述分离器管的所述内径的约65%和约85%之间。
7.根据权利要求2所述的设备，其中，所述上游开口包括介于所述分离器管的所述内径的约50%和约70%之间的直径。
8.根据权利要求2所述的设备，其中，所述腔室包括从所述上游开口至所述下游端部的轴向长度，所述轴向长度介于所述上游开口的直径的约100%和约150%之间。
9.根据权利要求2所述的设备，其中，所述涡旋元件的所述下游端部和所述腔室的所述上游开口之间的轴向距离介于所述分离器管的所述内径的约4倍和约5倍之间。
10.根据权利要求2所述的设备，其中，所述本体由支撑环支撑在所述分离器管中，所述支撑环包括多个轴向孔，所述重相流动通过所述轴向孔。
11.根据权利要求2所述的设备，其中，所述本体被多个径向翅片支撑在所述分离器管中，所述径向翅片在所述本体和所述分离器管之间延伸。
12.根据权利要求2所述的设备，其中，所述排放通道轴向延伸通过所述涡旋元件，并且包括位于所述涡旋元件的下游端部中的排放口。
13.根据权利要求2所述的设备，所述设备还包括排放体，所述排放体共轴地定位在所述分离器管内，并且包括：圆筒形部分；圆锥形部分，所述圆锥形部分包括基部，所述基部附接到所述圆筒形部分的上游端部或者与所述上游端部成一整体；和径向肩部，所述径向肩部形成在所述圆锥形部分和所述圆筒形部分之间，其中，所述芯部稳定器包括所述径向肩部。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述圆筒形部分包括介于所述分离器管的所述内径的约70%和约90%之间的外径。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述径向肩部包括介于所述圆筒形部分的所述外径的约6%和约18%之间的半径。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述径向肩部包括介于所述圆锥形部分的所述基部的所述外径的约10%和约22%之间的半径。
17.根据权利要求13所述的设备，其中，所述涡旋元件的所述下游端部和所述径向肩部之间的轴向距离介于所述分离器管的所述内径的约4倍和约5倍之间。
18.根据权利要求13所述的设备，其中，所述排放通道轴向延伸通过所述排放体，并且包括位于所述圆锥形部分的所述上游端部中的排放口。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述涡旋元件的所述下游端部和所述排放口之间的轴向距离介于所述分离器管的所述内径的约2倍和约3倍之间。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述圆锥形部分的所述轴向长度介于所述分离器管的所述内径的约2倍和约3倍之间。
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