CN103758502B - 一种紧凑型glcc分离增压装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型GLCC分离增压装置及其制造方法，特点是该装置包括GLCC旋流分离器，包括斜切管和垂直管，垂直管的上端设置有气体出口且其下端设置有液体出口，气体出口与增压缓冲罐的上部连通，液体出口与增压缓冲罐的下部连通，增压缓冲罐的上端开口设置有井口装置，增压缓冲罐的下端密封设置，增压缓冲罐的内部设置有用于增压的电潜泵，其制造过程先采用ANSYS软件进行外压强度分析计算，然后根据分析获得的图纸进行整体制造，优点是在海底完成气液分离，分离后的气体、液体分别输出到海上平台或油气处理站，不会产生段塞流，结构简单而紧凑，成本低，该制造方法使其具备一定的抗外压能力，可处于2000米水深深海中工作。

Description

一种紧凑型GLCC分离增压装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种紧凑型GLCC分离增压装置及其制造方法。

背景技术

“2000米水深水下紧凑型分离器关键技术和样机”是国家863重大项目“深水油气资源勘探开发技术与装备”的课题之一。宁波威瑞泰默赛多相流仪器设备有限公司承担的课题任务是：开发制造一套适用于2000米深海水下紧凑型分离-增压系统工程样机。

目前深海石油开采技术方案主要是:海底开采出的气液混合物一起通过提升泵装置输送到海上平台或油气处理站，然后再进行气液分离处理，这样的技术方案的缺点是：（1）气液混合提升输送时，在管道内会出现一段气体，一段液体，即段塞流，发生段塞流时，气体和液体交替在管道中流动，充满整个管道面积的液塞会被气团分割，气团下方沿管道流动的是分层液膜。当管道内呈现段塞流时，管道的压力、气液的瞬时流量都有很大的波动，会造成管路压降急剧增大，对设备急管道冲击很大，容易造成设备及管道损坏。（2）提升泵装置体积大，在海底难以吊装及安装，安装维护费用昂贵，而且消耗功率大，对海底输送电设备及电缆有较高要求，投入费用大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在海底完成气液分离，分离后的气体、液体分别输出到海上平台或油气处理站，不会产生段塞流，结构简单而紧凑，成本低的一种紧凑型GLCC分离增压装置及其制造方法，该制造方法使其具备一定的抗外压能力，可处于2000米水深深海中工作。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

1、一种紧凑型GLCC分离增压装置，包括GLCC旋流分离器，所述的GLCC旋流分离器包括斜切管和垂直管，所述的斜切管切向固定在所述的垂直管上，所述的垂直管的上端设置有气体出口且其下端设置有液体出口，还包括一个立式增压缓冲罐，所述的气体出口与所述的增压缓冲罐的上部连通，所述的液体出口与所述的增压缓冲罐的下部连通，所述的增压缓冲罐的上端开口设置有井口装置，所述的增压缓冲罐的下端密封设置，所述的增压缓冲罐的内部设置有用于增压的电潜泵。

所述的气体出口与所述的增压缓冲罐之间通过管道焊接连接或法兰连接，所述的液体出口与所述的增压缓冲罐的之间通过管道焊接连接或法兰连接。

所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平连线与所述的斜切管在水平面上呈60°且所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平距离与所述的斜切管的水平投影距离相同。垂直管、斜切管和增压缓冲罐三者在水平面上呈正三角形分布，具有很好的稳定性。

所述的斜切管的中心线与所述的垂直管呈63°。所述的气液混合物由切向入口进入垂直管，在该角度下具有更好的离心力，气液分离效果更佳。

所述的斜切管的入口处设置有进料管，所述的进料管、所述的垂直管和所述的增压缓冲罐的底部均设置有支座。

2、一种上述紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，具体包括以下步骤：

（1）设计紧凑型GLCC分离增压装置的工艺尺寸大小，包括斜切管、垂直管和增压缓冲罐的直径，并预设斜接管、垂直管及增压缓冲罐的壁厚t；

（2）建模与分析

a.利用三维建模软件创建步骤（1）设计的紧凑型GLCC分离增压装置的三维模型，然后将三维模型导入ANSYS有限元分析软件中，或者直接在ANSYS有限元分析软件中创建步骤（1）设计的紧凑型GLCC分离增压装置的三维模型；

b.在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置，单元类型选择带有中间节点六面体单元；由于该单元每个节点有三个自由度，即X、Y、Z方向上的位移；该单元带有中间节点，单元容易变形，可处理大变形和大应变问题，能较好的反映加载过程中的塑性变形；该单元亦是节点数可变曲面块单元，若采用一致缩减积分，可极大减少非线性分析求解时间，单元输出结果主要包括单元（或节点）应力、应变、位移等；

c.在ANSYS有限元分析软件中进行材料相关参数的设置，设置的主要参数有材料的弹性模量及材料的泊松比；

d.利用ANSYS有限元分析软件进行有限元网格划分，即根据三维模型的大小及求解精度的要求，在ANSYS有限元分析软件中进行网格大小的设置，设置完成以后，三维模型自动进行网格划分；

e.利用ANSYS有限元分析软件对三维模型的端面压力进行求解，求解过程具体为：对三维模型进行施加压力及约束，约束为将三维模型下端面设置为固定，根据公式T=p*d/(4*t)，计算获得施加在垂直管或斜切管或者增压缓冲罐的端面压力，其中p为施加压力，若t为垂直管的壁厚且d为垂直管的直径，则T相应为垂直管的端面压力，若t为斜切管的壁厚且d为斜切管的直径，则T相应为斜切管的端面压力，若t为增压缓冲罐的壁厚且d为增压缓冲罐的直径，则T相应为增压缓冲罐的端面压力，从而获得垂直管整体受到的压力，即垂直管的端面压力T和施加压力p之和、斜切管整体受到的压力，即斜切管的端面压力T和施加压力p之和，以及增压缓冲罐整体受到的压力，即增压缓冲罐的端面压力T和施加压力p之和；

f.根据上述步骤获得的垂直管整体受到的压力、斜切管整体受到的压力和增压缓冲罐整体受到的压力，利用ANSYS有限元分析软件中的结构静力学模块进行应力分析，计算获得三维模型的等效应力的分析结果，采用钢制压力容器-分析设计标准（JB/T4732-2005）对三维模型等效应力进行评定，若三维模型的垂直管、斜切管和增压缓冲罐的等效应力均小于或等于标准所规定的应力值，则垂直管、斜切管和增压缓冲罐的壁厚为所满足相应压力下的壁厚，若三维模型的垂直管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的垂直管的壁厚，或者/和斜切管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的斜切管的壁厚，或者/和增压缓冲罐的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的增压缓冲罐的壁厚，重新按照a-e步骤进行分析计算，直至三维模型的垂直管、斜切管和增压缓冲罐的等效应力值均小于或等于标准所规定的应力值，即分析完成，最后垂直管、斜切管和增压缓冲罐的壁厚为所满足相应压力下的所需壁厚；

（3）根据步骤（2）分析得到的三维模型的垂直管、斜切管和增压缓冲罐的壁厚及三维模型的材质，并根据紧凑型GLCC分离增压装置所处海底的深度，及海上平台或油气处理站的位置，确定紧凑型GLCC分离增压装置的高度，完成凑型GLCC分离增压装置的图纸设计，通过焊接或锻造方式完成凑型GLCC分离增压装置整体制造；

（4）将电潜泵安装到增压缓冲罐内部，井口装置安装到增压缓冲罐的上端开口处，将增压缓冲罐的下端密封，即获得凑型GLCC分离增压装置。

所述的垂直管的上端设置有气体出口且其下端设置有液体出口，所述的气体出口与所述的增压缓冲罐的上部通过管道焊接或法兰连通，所述的液体出口与所述的增压缓冲罐的下部通过管道焊接或法兰连通。

所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平连线与所述的斜切管在水平面上呈60°且所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平距离与所述的斜切管的水平投影距离相同。垂直管、斜切管和增压缓冲罐三者在水平面上呈正三角形分布，具有很好的稳定性。

所述的斜切管的中心线与所述的垂直管呈63°。所述的气液混合物由切向入口进入垂直管，在该角度下具有更好的离心力，气液分离效果更佳。

所述的斜切管的入口处设置有进料管，所述的进料管、所述的垂直管和所述的增压缓冲罐的底部均设置有支座。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了一种紧凑型GLCC分离增压装置及其制造方法，该装置采用GLCC旋流分离器和增压缓冲罐两部，增压缓冲罐主体为一个能承受内外压的立式容器，其上端装有井口装置，下端封闭，内部装有电潜泵，实现增压功能。气液分离在GLCC旋流分离器中完成分离，分离的液相从垂直管的液体出口进入到增压缓冲罐下部，分离的气相从垂直管的气体出口进入到增压缓冲罐上部，分离后的气体、液体分别输出到海上平台或油气处理站，该装置制造过程中采用有限元分析软件ANSYS进行外压强度，使其具备一定的抗外压能力，可处于2000米水深深海中工作。其优点如下：

1、结构简单，由GLCC分离器和增压缓冲罐组成，容易制造，常年不用维修；

2、结构紧凑，占地面积小，同时实现了分离和增压的两个功能；

3、该结构垂直管、斜切管和增压缓冲罐三者在水平面上呈正三角形分布，具有很好的稳定性；

4、在海底完成气液分离，分离后的气体、液体分别输出到海上平台或油气处理站，由于气跟液分开，不会像气液混合物输送时，管道内一段气，一段液，避免段塞流现象的产生；

5、投资费比传统的提升泵装置小，由于气液分开，气体可靠自身的压力可以向上流动，只要对液采用提升泵装置进行提升，由于输送量的减小，提升装置设备型号也减小，制造费，海底吊装及安装费用也减少，总的投资费用比传统装置投资少许多。

附图说明

图1为本发明紧凑型GLCC分离增压装置的结构示意图。

图2为本发明紧凑型GLCC分离增压装置的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例一

一种紧凑型GLCC分离增压装置，如图1所示，包括GLCC旋流分离器，该GLCC旋流分离器包括斜切管1和垂直管2，斜切管1切向固定在垂直管2上，垂直管2的上端设置有气体出口3且其下端设置有液体出口4，该装置还包括一个立式增压缓冲罐5，气体出口3与增压缓冲罐5的上部连通，液体出口4与增压缓冲罐5的下部连通，增压缓冲罐5的上端开口设置有井口装置6，增压缓冲罐5的下端密封设置，增压缓冲罐5的内部设置有用于增压的电潜泵（图中未显示）。

在此具体实施例中，气体出口3与增压缓冲罐5之间通过管道7焊接连接（也可通过法兰连接），液体出口4与增压缓冲罐5的之间通过管道7焊接连接（也可通过法兰连接）。

在此具体实施例中，如图2所示，垂直管2和增压缓冲罐5两者之间的水平连线与斜切管1在水平面上呈60°且垂直管2和增压缓冲罐5两者之间的水平距离与斜切管1的水平投影距离相同。斜切管1的中心线与垂直管2呈63°。斜切管1的入口处设置有进料管8，进料管8、垂直管2和增压缓冲罐5的底部均设置有支座9。

具体实施例二

一种紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，具体包括以下步骤：

（1）根据上述具体实施例一中的紧凑型GLCC分离增压装置的整体结构设计紧凑型GLCC分离增压装置的工艺尺寸大小，如图1所示及，包括斜切管1、垂直管2和增压缓冲罐5的直径，并预设斜接管1、垂直管2及增压缓冲罐5的壁厚t；

（2）建模与分析

a.利用三维建模软件创建步骤（1）设计的紧凑型GLCC分离增压装置的三维模型，然后将三维模型导入ANSYS有限元分析软件中，或者直接在ANSYS有限元分析软件中创建步骤（1）设计的紧凑型GLCC分离增压装置的三维模型；

b.在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置，单元类型选择带有中间节点六面体单元；由于该单元每个节点有三个自由度，即X、Y、Z方向上的位移；该单元带有中间节点，单元容易变形，可处理大变形和大应变问题，能较好的反映加载过程中的塑性变形；该单元亦是节点数可变曲面块单元，若采用一致缩减积分，可极大减少非线性分析求解时间，单元输出结果主要包括单元（或节点）应力、应变、位移等；

c.在ANSYS有限元分析软件中进行材料相关参数的设置，设置的主要参数有材料的弹性模量及材料的泊松比；

d.利用ANSYS有限元分析软件进行有限元网格划分，即根据三维模型的大小及求解精度的要求，在ANSYS有限元分析软件中进行网格大小的设置，设置完成以后，三维模型自动进行网格划分；

e.利用ANSYS有限元分析软件对三维模型的端面压力进行求解，求解过程具体为：对三维模型进行施加压力及约束，约束为将三维模型下端面设置为固定，根据公式T=p*d/(4*t)，计算获得施加在垂直管2或斜切管1或者增压缓冲罐5的端面压力，其中p为施加压力，若t为垂直管2的壁厚且d为垂直管2的直径，则T相应为垂直管2的端面压力，若t为斜切管1的壁厚且d为斜切管1的直径，则T相应为斜切管1的端面压力，若t为增压缓冲罐5的壁厚且d为增压缓冲罐5的直径，则T相应为增压缓冲罐5的端面压力，从而获得垂直管2整体受到的压力，即垂直管2的端面压力T和施加压力p之和、斜切管1整体受到的压力，即斜切管1的端面压力T和施加压力p之和，以及增压缓冲罐5整体受到的压力，即增压缓冲罐5的端面压力T和施加压力p之和；

f.根据上述步骤获得的垂直管2整体受到的压力、斜切管1整体受到的压力和增压缓冲罐5整体受到的压力，利用ANSYS有限元分析软件中的结构静力学模块进行应力分析，计算获得三维模型的等效应力的分析结果，采用钢制压力容器-分析设计标准（JB/T4732-2005）对三维模型等效应力进行评定，若三维模型的垂直管2、斜切管1和增压缓冲罐5的等效应力均小于或等于标准所规定的应力值，则垂直管2、斜切管1和增压缓冲罐5的壁厚为所满足相应压力下的壁厚，若三维模型的垂直管2的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的垂直管2的壁厚，或者/和斜切管1的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的斜切管1的壁厚，或者/和增压缓冲罐5的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的增压缓冲罐5的壁厚，重新按照a-e步骤进行分析计算，直至三维模型的垂直管2、斜切管1和增压缓冲罐5的等效应力值均小于或等于标准所规定的应力值，即分析完成，最后垂直管2、斜切管1和增压缓冲罐5的壁厚为所满足相应压力下的所需壁厚；

（3）根据步骤（2）分析得到的三维模型的垂直管2、斜切管1和增压缓冲罐5的壁厚及三维模型的材质，并根据紧凑型GLCC分离增压装置所处海底的深度，及海上平台或油气处理站的位置，确定紧凑型GLCC分离增压装置的高度，完成凑型GLCC分离增压装置的图纸设计，通过焊接或锻造方式完成凑型GLCC分离增压装置整体制造；

（4）将电潜泵安装到增压缓冲罐5内部，井口装置6安装到增压缓冲罐5的上端开口处，将增压缓冲罐5的下端密封，即获得凑型GLCC分离增压装置。

在此具体实施例中，垂直管2的上端设置有气体出口3且其下端设置有液体出口4，气体出口3与增压缓冲罐5的上部之间通过管道7焊接连通（也可通过法兰连接），液体出口4与增压缓冲罐5的的下部之间通过管道7焊接连接（也可通过法兰连接）。

在此具体实施例中，如图2所示，垂直管2和增压缓冲罐5两者之间的水平连线与斜切管1在水平面上呈60°且垂直管2和增压缓冲罐5两者之间的水平距离与斜切管1的水平投影距离相同。斜切管1的中心线与垂直管2呈63°。斜切管1的入口处设置有进料管8，进料管8、垂直管2和增压缓冲罐5的底部均设置有支座9。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种紧凑型GLCC分离增压装置，包括GLCC旋流分离器，所述的GLCC旋流分离器包括斜切管和垂直管，所述的斜切管切向固定在所述的垂直管上，所述的垂直管的上端设置有气体出口且其下端设置有液体出口，其特征在于：还包括一个立式增压缓冲罐，所述的气体出口与所述的增压缓冲罐的上部连通，所述的液体出口与所述的增压缓冲罐的下部连通，所述的增压缓冲罐的上端开口设置有井口装置，所述的增压缓冲罐的下端密封设置，所述的增压缓冲罐的内部设置有用于增压的电潜泵，所述的气体出口与所述的增压缓冲罐之间通过管道焊接连接或法兰连接，所述的液体出口与所述的增压缓冲罐的之间通过管道焊接连接或法兰连接，所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平连线与所述的斜切管在水平面上呈60°且所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平距离与所述的斜切管的水平投影距离相同，所述的斜切管的中心线与所述的垂直管呈63°。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型GLCC分离增压装置，其特征在于：所述的斜切管的入口处设置有进料管，所述的进料管、所述的垂直管和所述的增压缓冲罐的底部均设置有支座。

3.一种根据权利要求1所述的紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)设计紧凑型GLCC分离增压装置的工艺尺寸大小，包括斜切管、垂直管和增压缓冲罐的直径，并预设斜接管、垂直管及增压缓冲罐的壁厚t；

(2)建模与分析

a.利用三维建模软件创建步骤(1)设计的紧凑型GLCC分离增压装置的三维模型，然后将三维模型导入ANSYS有限元分析软件中，或者直接在ANSYS有限元分析软件中创建步骤(1)设计的紧凑型GLCC分离增压装置的三维模型；

b.在ANSYS有限元分析软件中进行单元类型选择及设置，单元类型选择带有中间节点六面体单元；

c.在ANSYS有限元分析软件中进行材料相关参数的设置，设置的主要参数有材料的弹性模量及材料的泊松比；

d.利用ANSYS有限元分析软件进行有限元网格划分，即根据三维模型的大小及求解精度的要求，在ANSYS有限元分析软件中进行网格大小的设置，设置完成以后，三维模型自动进行网格划分；

e.利用ANSYS有限元分析软件对三维模型的端面压力进行求解，求解过程具体为：对三维模型进行施加压力及约束，约束为将三维模型下端面设置为固定，根据公式T＝p*d/(4*t)，计算获得施加在垂直管或斜切管或者增压缓冲罐的端面压力，其中p为施加压力，若t为垂直管的壁厚且d为垂直管的直径，则T相应为垂直管的端面压力，若t为斜切管的壁厚且d为斜切管的直径，则T相应为斜切管的端面压力，若t为增压缓冲罐的壁厚且d为增压缓冲罐的直径，则T相应为增压缓冲罐的端面压力，从而获得垂直管整体受到的压力，即垂直管的端面压力T和施加压力p之和、斜切管整体受到的压力，即斜切管的端面压力T和施加压力p之和，以及增压缓冲罐整体受到的压力，即增压缓冲罐的端面压力T和施加压力p之和；

f.根据上述步骤获得的垂直管整体受到的压力、斜切管整体受到的压力和增压缓冲罐整体受到的压力，利用ANSYS有限元分析软件中的结构静力学模块进行应力分析，计算获得三维模型的等效应力的分析结果，采用钢制压力容器-分析设计标准对三维模型等效应力进行评定，若三维模型的垂直管、斜切管和增压缓冲罐的等效应力均小于或等于标准所规定的应力值，则垂直管、斜切管和增压缓冲罐的壁厚为所满足相应压力下的壁厚，若三维模型的垂直管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的垂直管的壁厚，或者/和斜切管的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的斜切管的壁厚，或者/和增压缓冲罐的等效应力值大于标准所规定的应力值则增加三维模型的增压缓冲罐的壁厚，重新按照a-e步骤进行分析计算，直至三维模型的垂直管、斜切管和增压缓冲罐的等效应力值均小于或等于标准所规定的应力值，即分析完成，最后垂直管、斜切管和增压缓冲罐的壁厚为所满足相应压力下的所需壁厚；

(3)根据步骤(2)分析得到的三维模型的垂直管、斜切管和增压缓冲罐的壁厚及三维模型的材质，并根据紧凑型GLCC分离增压装置所处海底的深度，及海上平台或油气处理站的位置，确定紧凑型GLCC分离增压装置的高度，完成紧凑型GLCC分离增压装置的图纸设计，通过焊接或锻造方式完成紧凑型GLCC分离增压装置整体制造；

(4)将电潜泵安装到增压缓冲罐内部，将井口装置安装到增压缓冲罐的上端开口处，将增压缓冲罐的下端密封，即获得凑型GLCC分离增压装置。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，其特征在于：所述的垂直管的上端设置有气体出口且其下端设置有液体出口，所述的气体出口与所述的增压缓冲罐的上部通过管道焊接或法兰连通，所述的液体出口与所述的增压缓冲罐的下部通过管道焊接或法兰连通。

5.根据权利要求3所述的一种紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，其特征在于：所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平连线与所述的斜切管在水平面上呈60°且所述的垂直管和所述的增压缓冲罐两者之间的水平距离与所述的斜切管的水平投影距离相同。

6.根据权利要求3所述的一种紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，其特征在于：所述的斜切管的中心线与所述的垂直管呈63°。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的一种紧凑型GLCC分离增压装置的制造方法，其特征在于：所述的斜切管的入口处设置有进料管，所述的进料管、所述的垂直管和所述的增压缓冲罐的底部均设置有支座。