CN110180220B - 气液两相流分配控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气液两相流分配控制装置及方法，装置包括中心管及安装在中心管内部的旋流叶片，还包括气液分流外管、第一阻力控制阀、第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀、第三阻力控制阀、相含率控制装置，所述相含率控制装置、第三阻力控制阀均设置在中心管内部，所述相含率控制装置位于旋流叶片的下方，所述第三阻力控制阀位于相含率控制装置的下方，所述气液分流外管套在中心管外部，且两者之间形成缓冲环空，该缓冲环空中安装第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀。本发明从根本上克服了各个分配支路阻力特性不相同对分配的影响，实现气液两相流体在不同流量下的均匀或不均匀相含率的分配。

Description

气液两相流分配控制装置及方法

技术领域

本发明涉及气液两相流体分配及控制装置，具体地说是气液两相流分配控制装置及方法。

背景技术

在石油、化工等许多工业领域广泛存在气液两相流，需要对气液两相流进行流量的分配。广泛的要求是在分配过程中，克服气液两相流体相分离现象，实现相同相含率的情况下的不同流量分配，目前国内外涉及此方面专利及方法很多，各有优缺点。但是在石油工业中，如热采井注汽开发过程中，需要实现不等相含率下不同流量的分配，克服气相超覆等现象的时候，将高气相含率的流体注入到下层，而将高液相含率的流体注入上层，提高热采开发效果。这种情况下，恰恰是放大了气液的相分离现象，并按照优化设计的结果在不等相含率的情况下，实现各层流量和相含率的精确分配，目前还没有见到成熟的应用。

研究表明，如果仅仅通过气液自身的密度差在有限空间内实现需要的不同的相含率差是做不到的，因此需要考虑分配器结构、分配器两相流动参数等情况。通过对国内外相关专利及文献的调研，均匀相含率是目前国内外学者主要研究对象，包括专利CN101839395A是一种旋流整形+临界分配方式来保证进入各个支路的气液具有相同的气液比例和流量。专利CN1560570提出了一种按给定的时间份额交替性地流向对应的支路的分配方法，增强分配的均匀性。另外专利US6250131、US5250104、101402004公开了全分离的分配方法，其“先分离、后分配”的方式。先将气液两相流分离成单相的气体与单相的液体，按比例分到分支管路，但是相对体积大，在有限空间内无法使用。

综上所述，两相流各相均匀分配到各支路的专利及方法比较多，各有特点及适用范围，能够实现均匀相含率情况下的不同流量的分配，但是涉及有限有空内的不同相含率不同流量的分配方法未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供气液两相流分配控制装置及方法，将中心管道内的气液两相流体按不同的流量和不同的相分率分配到下游不同支管，从根本上克服了各个分配支路阻力特性不相同对分配的影响，实现气液两相流体在不同流量下的均匀相含率的分配。分支流量和相含率无调节阀，无需人为干预，能进行自适应调节。整体装置体积小、结构简单紧凑，无运动部件，无需维护，具有良好的环境适应性。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，气液两相流分配控制装置，包括中心管及安装在中心管内部的旋流叶片，还包括气液分流外管、第一阻力控制阀、第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀、第三阻力控制阀、相含率控制装置，所述相含率控制装置、第三阻力控制阀均设置在中心管内部。所述相含率控制装置位于旋流叶片的下方，所述第三阻力控制阀位于相含率控制装置的下方，所述气液分流外管套在中心管外部，且两者之间形成缓冲环空，该缓冲环空中安装第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀，其中第二上阻力控制阀所处的位置高于相含率控制装置所处的位置，其中第二下阻力控制阀所处的位置低于相含率控制装置所处的位置，所述中心管开设径向孔，该径向孔中安装第一阻力控制阀，所述相含率控制装置在轴向方向连通第三阻力控制阀，相含率控制装置在径向方向通过第一阻力控制阀连通所述缓冲环空。所述相含率控制装置具有两个分路，分别为轴向出液通道和出液槽，出液槽底部封堵有底板，出液槽连通设置在中心管径向孔中的第一阻力控制阀。

所述第一阻力控制阀为节流式孔板结构。

所述第二上阻力控制阀包括一环状板，该环状板上开设的向喷嘴孔，所述第二下阻力控制阀与第二上阻力控制阀结构相同。

所述第三阻力控制阀为整体为管状结构，第三阻力控制阀内腔结构为从轴向两端口至中部逐渐缩径，即第三阻力控制阀内腔中部内径小于第三阻力控制阀两端口内径。

所述的旋流叶片由至少四片片结构相同的旋流叶片按照不同的夹角组成，旋流叶片为半椭圆形，旋流叶片外缘与管内壁重合，旋流叶片高度小于中心管入口段直径的0.5-0.7倍，旋流叶片没有中心轴，固定在中心管内。

所述中心管上端连接上接头，下端连接下接头。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，气液两相流分配控制方法，其步骤为，从上游进来的气液两相流流体进入上接头、中心管后，通过旋流叶片整流后，变成气相在中心、液膜贴壁的均匀环状流，气液两相均匀环状流流体进入相含率控制装置后，在均匀环状流的情况下，实现与中心管同心的内管内腔收集中心气核，外部出液槽通道收集液壁上的流体，而未收集的部分流向下游，同时其中出液槽的流量是通过第一阻力控制阀进行控制，所述出液槽的气液两相流通过第一阻力控制阀进入中心管与气液分流外管之间的缓冲环空，缓冲环空中的流量是通过第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀进行控制，其中内管的轴向出液通道的流量是通过第三阻力控制阀进行控制，所述相含率控制装置将旋流整形的均匀环状流，按相含率设计的高低比例数值进行相应的不同的分路流道切分，满足出液槽的相含率与轴向出液通道的相含率按预先设计方案进行分配，所述第一阻力控制阀或第二上阻力控制阀或第二下阻力控制阀或第三阻力控制阀对来流进行加速，消除压力波动造成的流量的影响，促使气液两相流形成恒定流动，从而实现不同流量下的等相含率或不等相含率分配的目标。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明借助旋流方式消除流型、参数范围对相含率和流量分配的不可控因素，保证分配装置按不同相含率不同流量情况下进行分配。为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，通过“旋流整形+相含率控制装置+阻力控制阀”来保证进入支路的气液两相流体按设计的不同相含率情况下，还能按设计的流量进行分配。“旋流整形”是在分配中心管内安装旋流叶片，将来流的分层流、波浪流、段塞流、环状流等流型整改成液膜厚度比较均匀的环状流型，为下部的管内相分隔提供条件。“相含率控制装置”将旋流整形的均匀环状流，按相含率设计的高低比例数值进行相应的不规则的流道切分，满足分支管的相含率与中心管的相含率按预先设计方案进行分配。“阻力控制阀”是在分配支管入口处安装调节流量控制阀，对来流进行加速，消除下游压力波动造成的流量的影响，促使气液两相流形成恒定流动；

从根本上克服了各个分配支路阻力特性不相同对分配的影响，实现气液两相流体在不同流量下的均匀相含率的分配；

整体装置体积小、结构简单紧凑，无运动部件，无需维护，具有良好的环境适应性。

附图说明

图1为本发明的气液两相流分配控制装置结构示意图；

图2a为均匀相含率控制装置处的剖面图；

图2b为非均匀相含率控制装置处的剖面图；

图3为中心管和气液分流外管的横截面图；

图4为第一阻力控制阀的结构图；

图5为第三阻力控制阀的结构图；

图6为旋流整形叶片结构图；

图7为旋流整形后流型结构图。

图中：1、上接头；2、中心管；3、旋流叶片；4、气液分流外管；5、第二上阻力控制阀；6、第一阻力控制阀；7、相含率控制装置；8、第二下阻力控制阀；9、第三阻力控制阀；10、下接头；11、轴对称的均匀环状流；12、出液槽；13缓冲环空；14、轴向出液通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1至7所示，气液两相流分配控制装置及方法，包括中心管2及安装在中心管内部的旋流叶片3，还包括气液分流外管4、第二上阻力控制阀5、第一阻力控制阀6、相含率控制装置7、第二下阻力控制阀8、第三阻力控制阀9，所述相含率控制装置7、第三阻力控制阀9均设置在中心管内部，所述相含率控制装置位于旋流叶片的下方，所述第三阻力控制阀位于相含率控制装置的下方，所述气液分流外管4套在中心管外部，且两者之间形成缓冲环空13，该缓冲环空中安装第二上阻力控制阀5、第二下阻力控制阀8，其中第二上阻力控制阀所处的位置高于相含率控制装置所处的位置，其中第二下阻力控制阀所处的位置低于相含率控制装置所处的位置，所述中心管开设径向孔，该径向孔中安装第一阻力控制阀6，所述相含率控制装置在轴向方向连通第三阻力控制阀9，相含率控制装置在径向方向通过第一阻力控制阀连通所述缓冲环空13。所述相含率控制装置具有两个分路，分别为轴向出液通道14和出液槽12，出液槽底部封堵有底板，出液槽连通设置在中心管径向孔中的第一阻力控制阀。

所述第一阻力控制阀为节流式孔板结构，节流式孔板属于现有常规技术，主要用于消除不同分支压力影响，匹配阻力损失。

所述第二上阻力控制阀5为一环状板上开设的轴向喷嘴孔的结构体，所述第二下阻力控制阀与第二上阻力控制阀结构相同。

所述第三阻力控制阀9为整体为管状结构，第三阻力控制阀内腔结构为从轴向两端口至中部逐渐缩径，即第三阻力控制阀内腔中部内径小于第三阻力控制阀两端口内径。

所述的旋流叶片3由至少四片片结构相同的旋流叶片按照不同的夹角组成，旋流叶片为半椭圆形，旋流叶片外缘与管内壁重合，旋流叶片高度小于中心管入口段直径的0.5-0.7倍，旋流叶片没有中心轴，固定在中心管内。

所述中心管2上端连接上接头，下端连接下接头。

本发明基本思想是：通过“旋流整形+相含率控制装置+第一、第二、第三阻力控制阀”来保证进入支路的气液两相流体按设计的不同相含率情况下，还能按设计的流量进行分配。“旋流整形”是在分配主管内安装旋流叶片，将来流的分层流、波浪流、段塞流、环状流等流型整改成液膜厚度比较均匀的环状流型，为下部的管内相分隔提供条件。“相含率控制装置”将旋流整形的均匀环状流，按相含率设计的高低比例数值进行相应的不规则的流道切分，满足分支管的相含率与主管的相含率按预先设计方案进行分配。“第一、第二、第三阻力控制阀”是在相含率控制装置出口位置的中心管径向孔处安装调节流量控制阀，对来流进行加速，消除下游压力波动造成的流量的影响，促使气液两相流形成恒定流动。

所述的旋流叶片由4-8片结构相同的旋流叶片按照不同的夹角组成，旋流叶片为半椭圆形，旋流叶片外缘与管内壁重合叶片高度小于中心管入口段直径的0.5-0.7倍，没有中心轴，固定在圆形管道内。旋流叶片将来自上游的分层流、波浪流、段塞流、环状流等流型整流成液膜厚度均匀的轴对称的均匀环状流。如图4所示，旋流叶片为半圆型结构，两叶片交叉布置在分配中心管内，交差角大小为45-60°，两旋流叶片外缘与管内壁轮廓线重合，由于叶片外缘与中心管壁之间无缝隙，使得气液两相流体被迫沿着叶片构成的方向产生旋转，在离心力作用下将液体抛向管壁，从而形成气核在中间、液膜贴管壁的环状流型。

所述第二上阻力控制阀和第二下阻力控制阀是一种控制上下游出口气液两相流量的装置，它采用临界喷嘴功能对气液两相流进行加速，促使在其喷嘴小径处形成临界流，消除下游参数波动对分配的影响。采用临界流喷嘴的结构，能够更好的解决各分支出口压力差别大，造成的流量和干度的偏差的问题。

所述相含率控制装置是指气液两相流体进入该装置后，在均匀环状流的情况下，通过计算设计气液不同相含率的划分。其相含率和流量的数值均可以通过计算控制，计算公式如下：

M_总＝(M_液+M_汽)＝ρ_混合·s_总·h (1)

M_液＝ρ_液·s_液·h (2)

M_汽＝ρ_汽·s_汽·h (3)

ρ_混合＝((1-x)·ρ_液+x·ρ_1汽) (4)

下面所说的分支1为相含率控制装置的轴向出液通道，分支2为相含率控制装置的出液槽；等干度即相含率；

根据图2a所示，(1)采用圆心角划分分支1、分支2的情况下，可以保证汽液等干度，称为均匀相含率控制装置；

此时根据公式(4)，可以知道此时分支1、分支2的混合密度是相等的，此时分支1、分支2的流量计算公式如下：

可以根据公式(8)知道，分支1、分支2的流量比就是面积比及圆心角的比，以此作为结构设计的依据。

根据图2b所示，(2)不采用圆心角划分分支1、分支2的情况下，可以保证汽液干度按切分面积进行配比，分支干度可以根据气相面积切分，称为非均匀相含率控制装置；

通过查表可以知道此时的ρ_液，ρ_汽，然后根据分割的扇形的面积公式(5)，面积公式(6)可以算出s_汽，s_汽，然后根据公式(2)、(3)计算出M_液，M_汽及其比例变化情况。

其中，M_总-总质量流量；M_液-液体质量流量M_汽-汽体质量流量(kg/s)；s_总-总流通面积；s_汽-汽体流通面积；s_液-液体流通面积(m²)；ρ_总-汽体流体密度；ρ_汽-汽体流体密度；ρ_液-液体流体密度(kg/m³)；h–单位长度m；R-管道半径；R_汽-汽体圆半径(m)；X-混合时平均干度；X₁-分支1的干度；X₂-分支2的干度(％)；n-圆心角的度数；n₁-分支1的圆心角的度数；n₂-分支2的圆心角的度数。

本发明有两种阻力控制阀，一种是节流式阻力控制阀，即第一阻力控制阀。另一种是临界流喷嘴式阻力控制阀，其中第二上、下阻力控制阀以及第三阻力控制阀，均属于这一种控制阀，气液流动过程中，中心管内采用临界流原理，在一定压差情况下，由于候口位置即内径最小处达到当地音速，从而实现流过此喷嘴的流量实现恒定。

所述轴对称的均匀环状流两相来流人为整流成沿中心轴对称的环状流型，即沿圆形壁面均匀分布的等厚度液膜环和集中在圆形管道中心的气柱核。

所述的第三阻力控制阀是用来平衡中心管的流动阻力与相含率控制装置的阻力，保证在中心管流动过程中气液混合物的压差与相含率控制装置的气液混合物的压差进行阻力匹配，从而保证中心管与相含率控制装置流路的稳定流动。第三阻力控制阀是用来平衡中心管的流动阻力与相含率控制装置处的阻力，及平衡上游分支反馈的压力与下游反馈的分支压力。

所述的中心管与气液分流外管间缓冲空间保证来自中心管内的相含率控制装置上的对称布置的多个第一阻力控制阀流出的气液两相混合物流出后进行缓冲混合后从两端对称布置的第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀流出。

所述相含率控制装置保证相含率控制装置的流动阻力与中心管的流动阻力实现一定范围内的动态平衡，保证了气相两相流向各分支的动能平衡。

如图1、图2、图3所示，从上游管道来的气液两相流通过上接头1和与之相连的中心管2进入安装有气液两相旋流叶片3的通道后，在旋流叶片3的旋流离心力的作用下，流型发生了转变，由传统的非对称流型转变为液膜贴壁分布的轴对称的均匀环状流11，并能够在下游中心管2内一段距离内能继续保持该流型，从而保证该流型流入相含率控制装置7时依然保持该流型，在相含率控制装置内，考虑液膜贴壁、气核在中心的情况下，在均匀环状流的情况下，通过计算设计气液不同相含率的划分。实现与中心管同心的圆管收集中心气核，出液槽通道收集液壁上的流体，形成一定的相含率和流量，而未收集的部分作为流向下游的相含率和流量，其相含率和流量的数值均可以通过计算控制。从相含率控制装置流出的气液两相流体流向两个方向，一部分继续沿着内管的轴向出液通道14流向下游在继续分配，流向下游的流体通过第三阻力控制阀9后通过下游的下接头流向另外一个分配装置，另一部分流向相含率控制装置的出液槽12的气液两相流体，通过安装在中心管2上的第一阻力控制阀6，然后进入中心管与气液分流外管之间的缓冲空间13中，并通过第二上阻力控制阀5、第二下阻力控制阀8流出。

图7为流型调整效果示意图，水平管路在重力作用下，管道内的气液相分布通常不对称，对于分层流和波浪流，液相主要在管底部流动，对于水平管环状流，管上壁液膜很薄，下部液膜较厚，经过旋流叶片3后上游的这种结构不对称流型，都被整改成液膜厚度沿周向均匀分布的环状流，经过整流器4后，液膜分布更加均匀，这样经过流型调整使得下游布置在管周不同位置处的各个临界喷嘴5的入口接触到的气液相的几率完全相等。

图4为第一阻力控制阀，采用孔板的方式，匹配阻力损失。

图5为临界流喷嘴式的第三阻力控制阀，是由于临界喷嘴喉部直径远小于中心管段直径，流过的气液两相流体在临界喷嘴喉部达到当地音速，形成临界流动，其后部扩展段为喷嘴流线型，匹配并减少阻力损失。

图6为旋流整形叶片结构，由4-8片结构相同、交差角大小为45-60°的旋流叶片组成，固定在圆形管道内。

图7为旋流整形后流型，旋流叶片将来自上游的分层流、波浪流、段塞流、环状流等流型整流成液膜厚度均匀的的环状流。

该装置通过旋流整形后，将两相流体整理成标准的环状流，此时通过相含率控制装置7的一部分流体，然后通过第一阻力控制阀和第二上、下阻力控制阀流出，并受相含率控制装置7内的上游分配份数和第一阻力控制阀和第二上、下阻力控制阀的控制，实现第一分支的干度、流量分配；通过相含率控制装置7的另一部分流体，通过第三阻力控制阀9流出，并受相含率控制装置7内的下游分配份数和第三阻力控制阀的控制，实现第二分支的干度、流量分配。干度又称相含率。第一分支分配流量和第二分支分配的流量、干度，首先取决于7相含率控制装置的上下游的分配份数，其次要通过第一阻力控制阀与第三阻力控制阀的匹配才能消除出口背压导致的流量、干度分配不均的问题。三者是一个整体，互相协调作用。

第一阻力控制阀、第二上、下阻力控制阀、第三阻力控制阀，三者的结构形式是多种多样的，只要是节流方式的结构就都能起到控制压力，匹配流量的目的。只是采用图4弹簧结构，能够自己根据压力的变化进行一定范围内的自调节功能，优于普通的喷嘴或者文丘里喷嘴结构。

总之，本发明的实施工艺为，从上游进来的气液两相流流体进入上接头、中心管后，通过旋流叶片整流后，变成气相在中心、液膜贴壁的均匀环状流，然后采用相含率控制装置，在均匀环状流的情况下，实现与中心管同心的内管内腔收集中心气核，外部出液槽通道收集液壁上的流体，而未收集的部分流向下游，同时其中出液槽的流量是通过第一阻力控制阀进行控制，所述出液槽的气液两相流通过第一阻力控制阀进入中心管与气液分流外管之间的缓冲环空，缓冲环空中的流量是通过第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀进行控制，其中内管的轴向出液通道的流量是相含率结构来进行控制，所述相含率控制装置将旋流整形的均匀环状流，按相含率设计的高低比例数值进行相应的不同的流道切分，满足出液槽的相含率与轴向出液通道的相含率按预先设计方案进行分配，所述第一阻力控制阀或第二上阻力控制阀或第二下阻力控制阀或第三阻力控制阀对来流进行加速，消除压力波动造成的流量的影响，促使气液两相流形成恒定流动，从而实现等相含率下的不同流量下分配或不等相含率下的不同流量下分配的目标。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.气液两相流分配控制方法，其特征在于，通过采用气液两相流分配控制装置来实现，该装置包括中心管及安装在中心管内部的旋流叶片，其特征在于，还包括气液分流外管、第一阻力控制阀、第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀、第三阻力控制阀、相含率控制装置，所述相含率控制装置、第三阻力控制阀均设置在中心管内部，所述相含率控制装置位于旋流叶片的下方，所述第三阻力控制阀位于相含率控制装置的下方，所述气液分流外管套在中心管外部，且两者之间形成缓冲环空，该缓冲环空中安装第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀，其中第二上阻力控制阀所处的位置高于相含率控制装置所处的位置，其中第二下阻力控制阀所处的位置低于相含率控制装置所处的位置，所述中心管开设径向孔，该径向孔中安装第一阻力控制阀，所述相含率控制装置在轴向方向连通第三阻力控制阀，相含率控制装置在径向方向通过第一阻力控制阀连通所述缓冲环空；所述相含率控制装置具有两个分路，分别为轴向出液通道和出液槽，出液槽底部封堵有底板，出液槽连通设置在中心管径向孔中的第一阻力控制阀；

所述的旋流叶片由至少四片片结构相同的旋流叶片按照不同的夹角组成，旋流叶片为半椭圆形，旋流叶片外缘与管内壁重合，旋流叶片高度小于中心管入口段直径的0.5-0.7倍，旋流叶片没有中心轴，固定在中心管内；

该控制方法包括，从上游进来的气液两相流流体进入上接头、中心管后，通过旋流叶片整流后，变成气相在中心、液膜贴壁的均匀环状流，气液两相均匀环状流流体进入相含率控制装置后，在均匀环状流的情况下，实现与中心管同心的内管内腔收集中心气核，外部出液槽通道收集液壁上的流体，而未收集的部分流向下游，同时其中出液槽的流量是通过第一阻力控制阀进行控制，所述出液槽的气液两相流通过第一阻力控制阀进入中心管与气液分流外管之间的缓冲环空，缓冲环空中的流量是通过第二上阻力控制阀、第二下阻力控制阀进行控制，其中内管的轴向出液通道的流量是通过第三阻力控制阀进行控制，所述相含率控制装置将旋流整形的均匀环状流，按相含率设计的高低比例数值进行相应的不同的分路流道切分，满足出液槽的相含率与轴向出液通道的相含率按预先设计方案进行分配，所述第一阻力控制阀或第二上阻力控制阀或第二下阻力控制阀或第三阻力控制阀对来流进行加速，消除压力波动造成的流量的影响，促使气液两相流形成恒定流动，从而实现气液两相流体在不同流量下的均匀或不均匀相含率的分配。

2.根据权利要求1所述的气液两相流分配控制方法，其特征在于，所述第一阻力控制阀为节流式孔板结构。

3.根据权利要求1或2所述的气液两相流分配控制方法，其特征在于，所述第二上阻力控制阀包括一环状板，该环状板上开设的向喷嘴孔，所述第二下阻力控制阀与第二上阻力控制阀结构相同。

4.根据权利要求1或2所述的气液两相流分配控制方法，其特征在于，所述第三阻力控制阀为整体为管状结构，管状结构的第三阻力控制阀内腔结构为从轴向两端口至中部逐渐缩径，即第三阻力控制阀内腔中部内径小于第三阻力控制阀两端口内径。

5.根据权利要求1或2所述的气液两相流分配控制方法，其特征在于，所述中心管上端连接上接头，下端连接下接头。