CN113694567A - 两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，应用于气液两相流的高效分离，实现远程自动控制两级气液均匀混合和气液两相高效快速分离，第一级均混器依据外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管实施第一级气液破碎均匀混合作业并将气液两相流中的大气泡破碎为小气泡，第二级均混器依据均混齿轮实施第二级气液破碎均匀混合作业并形成微小气泡均匀分布的气液均混流，造旋集气器依据变螺距造旋叶片和双层锥罩将两级气液均匀混合后的气液均混流调整为空芯式高速两相螺旋流，锥形脱气器实施高速锥形螺旋场气液高效分离作业，两级均混控制系统和气液分离控制系统自动调控气液两相流、气液均混流以及脱气后气流与液流的流量和流压。

Description

两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统
技术领域
本发明涉及一种油气开采领域高效脱气装置及其方法，特别是涉及一种两级气液均匀混合、U型管网、锥形螺旋场动态气液分离装置及其在线控制系统。
背景技术
目前，一种紧凑型气液分离器，即管柱式气液分离器，具备含气井液停留时间短、处理量大、脱气率高、工作压力高、成本低等特点，在油气开采领域，尤其是海洋油气开发领域逐步取代传统重力式气液分离器。
传统重力式气液分离器的分离原理为重力沉降分离，分离效率通常较低，分离精度通常仅为70～100μm，而管柱式气液分离器为高速旋流沉降分离，分离效率非常高，设置捕雾网后的分离精度可以达到10μm，且同等含气井液处理量时，管柱式气液分离器的单体直径仅为常规卧式分离器的1/4，成撬设备的操作重量仅为常规卧式分离器的1/64，同时易于成撬、集成度高并易于移动。
管柱式气液分离器的工程应用受到上部管腔液流带出现象的影响，其脱气效率依然较为有限，对此当前采用两种解决方法：一种解决方法为限定管柱式气液分离器单体的气液处理量，防止发生上部管腔液流带出现象；另一种解决方法为将上部管体的管壁液流膜导出，防止溢出大量的液流。然而这两种解决方法都只是暂时缓解了上部管腔液流带出现象，在气液处理量增大以及存在大幅波动的情况下，便会超出安全工况范围，此外上部管体加装液流膜导出部件也会增加新的结构应力和结构强度，并提升潜在的维修成本。最后需要指出的是，目前国内对紧凑、高效和智能控制气液分离技术的研究尚处于试验阶段。
发明内容
为了克服现有重力式气液沉降分离方法和管柱式气液分离液流膜导出方法存在的缺陷和不足，并改善国内紧凑、高效和智能控制气液分离技术尚处于试验阶段的研究现状，本发明的目的是提供一种适合油气开采领域气液两相流进行高效快速分离用的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统。该两级气液混合锥形螺旋场分离装置依据两级气液破碎均匀混合和锥形螺旋场动态气液分离工艺及其在线控制系统，能够适应不同含气量的气液两相流，实现远程自动控制两级气液均匀混合和气液两相高效快速分离，并自动调控气液两相流、气液均混流以及脱气后气流与液流的流量和流压。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，主要由第一级均混器、第二级均混器、造旋集气器、锥形脱气器、两级均混控制系统和气液分离控制系统组成。第一级均混器、第二级均混器和锥形脱气器沿垂向布置，且第二级均混器和锥形脱气器通过造旋集气器相连而使得整个分离装置组合成倒置的U型管网，第一级均混器和第二级均混器通过法兰连接并实现不同含气量气液两相流的两级均匀混合，两级均混控制系统和气液分离控制系统分别实现远程自动控制第一级气液破碎均匀混合作业、第二级气液破碎均匀混合作业和高速锥形螺旋场气液高效分离作业流程。
第一级均混器依据外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管实施第一级气液破碎均匀混合作业，并将气液两相流中的大气泡破碎为小气泡，它包括一级混合管及其内的外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管以及由上而下布置的上隔板、下挡板、进液缓冲管和两相进液管。
两相进液管用于输送气液两相流并由进液水平管段和进液垂向管段组成，进液水平管段水平布置并通过弯头与进液垂向管段相连，进液垂向管段与进液缓冲管和一级混合管自下而上同轴心布置。
一级混合管采用粗长管且其两端通过法兰将二级混合管和上隔板以及下挡板和进液缓冲管连为一体，进液缓冲管采用粗短管并实现气液两相流的缓冲，进液缓冲管的底端设置下进液法兰进行封闭，下进液法兰的中央部位钻有圆孔并与进液垂向管段之间通过圆周焊的方式将两相进液管与进液缓冲管连为一体。
外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管的轴向长度相等且沿径向由外至内同轴心分层排列，内微孔瓷管的柱形管腔通过下挡板的导流圆孔与进液缓冲管保持联通，中微孔瓷管和内微孔瓷管之间的环形空腔通过上隔板的内隔板导流孔与二级混合管保持联通，外微孔瓷管和中微孔瓷管之间的环形空腔通过下挡板的挡板导流孔与进液缓冲管保持联通，一级混合管和外微孔瓷管之间的环形空腔通过上隔板的外隔板导流孔与二级混合管保持联通。
外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管的管壁均设有沿轴向等间距分层排列的破碎微孔，各层上的破碎微孔均沿周向均匀分布，每个破碎微孔由大锥微孔道、柱形微孔道和小锥微孔道组成，破碎微孔的大锥微孔道的孔壁所在锥面的锥度大于其小锥微孔道的孔壁所在锥面的锥度，且大锥微孔道的孔壁所在锥面的锥高、柱形微孔道的孔壁所在柱面的轴向长度和小锥微孔道的孔壁所在锥面的锥高依次增大。外微孔瓷管和内微孔瓷管的小锥微孔道布置于沿径向的内层，中微孔瓷管的小锥微孔道布置于沿径向的外层。外微孔瓷管和内微孔瓷管的两端设有环形卡环，中微孔瓷管的两端设有环形卡箍，外微孔瓷管的环形卡环与上隔板和下挡板沿径向位于外层的环形卡槽相配合、中微孔瓷管的环形卡箍与上隔板和下挡板沿径向位于中间层的环形卡槽相配合同时内微孔瓷管的环形卡环与上隔板和下挡板位于内层的环形卡槽相配合，由此实现外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管的轴向固定以及上下双向限位。
上隔板和下挡板均采用圆形钢板，上隔板的下端面和下挡板的上端面分别铣有沿径向同轴心分三层排列的环形卡槽且环形卡槽的剖面呈直角梯形。上隔板沿径向位于内层的环形卡槽和中间层的环形卡槽之间设有沿周向均匀分布的内隔板导流孔，上隔板沿径向位于外层环形卡槽的外缘设有沿周向均匀分布的外隔板导流孔，上隔板的内隔板导流孔和外隔板导流孔实现一级混合管和二级混合管的联通。下挡板的中央部位钻有导流圆孔，下挡板沿径向位于外层的环形卡槽和中间层的环形卡槽之间设有沿周向均匀分布的挡板导流孔，下挡板的导流圆孔和挡板导流孔实现进液缓冲管和一级混合管的联通。挡板导流孔、内隔板导流孔和外隔板导流孔沿径向的外侧孔壁和内侧孔壁均采用圆拱面且沿周向的两侧孔壁均采用半圆柱面。
第二级均混器依据均混齿轮实施第二级气液破碎均匀混合作业，并形成微小气泡均匀分布的气液均混流，它包括二级混合管及其内的均混齿轮和叶轮基管以及位于顶端且对称布置的泄压管和均混流管。
二级混合管采用粗长管且其顶端设置上均混法兰进行封闭，上均混法兰的外缘部位钻有两个圆孔并通过圆周焊的方式将泄压管和均混流管与二级混合管连为一体。
均混齿轮采用三级均混齿，三级均混齿的内齿面通过圆周焊的方式固定于叶轮基管的外环面，同时三级均混齿的外齿面所在柱面与二级混合管的内壁之间采用过盈配合而将均混齿轮和叶轮基管固定于二级混合管内。均混齿轮的各级均混齿均由两层均混齿组成，每层均混齿倾斜布置且各层均混齿层间的倾斜方向相反，各个均混齿的齿线采用组合曲线，各个均混齿的齿线上半部分采用内凹的弧线且其下半部分采用外凸的弧线，同时各个均混齿垂直于齿线的截面面积由零逐渐增大而后不断减小并缩减至零。由此，第一级气液破碎均匀混合作业后的气液两相流不断剪切破碎使得气泡粒径逐渐变小，且小气泡进一步破碎为微小气泡，同时气液两相流不断换向而形成微小气泡均匀分布的气液均混流。
叶轮基管采用上端封闭的倒置碗形管体，叶轮基管的外环面与二级混合管的内壁形成环形空腔并配置均混齿轮，叶轮基管的顶端设有锥形凸台并与上均混法兰贴合而实现均混齿轮和叶轮基管的轴向定位。
均混流管和泄压管均与二级混合管的管腔保持联通，均混流管采用粗管并由均混水平管段和均混垂向管段组成，泄压管采用细管并由泄压水平管段和泄压垂向管段组成，均混水平管段和泄压水平管段水平布置，且均混水平管段通过弯头与均混垂向管段相连，泄压水平管段通过弯头与泄压垂向管段相连。
造旋集气器依据变螺距造旋叶片和上导流锥罩将两级气液均匀混合后的气液均混流调整为空芯式高速两相螺旋流，并通过下集气锥罩汇集脱气后的气流，它包括集气管及其下部的造旋进液管、变螺距造旋叶片和双层锥罩。
造旋进液管采用细长管且倾斜布置，造旋进液管和均混流管的管径相等并通过法兰进行连接，造旋进液管的出口处切有楔形进液坡口。
变螺距造旋叶片采用一体式叶片且其内侧叶面通过圆周焊的方式固定于集气管的外环面，同时变螺距造旋叶片的外侧叶面所在柱面与旋流形成管段的内壁之间采用过盈配合而将变螺距造旋叶片固定于锥形分离管内。变螺距造旋叶片的外轮廓线采用变螺距的螺旋线且其外轮廓线的螺距由上而下逐渐减小，变螺距造旋叶片的外轮廓线上部起始点的切线与水平面间的夹角等于造旋进液管的轴线与水平面间的夹角，同时变螺距造旋叶片的外轮廓线下部终止点的切线与锥形分离管轴线间的夹角等于上导流锥罩的外环面所在锥面的锥度。由此，气液均混流经造旋进液管顺利切入变螺距造旋叶片并形成高速旋转的螺旋流，而后高速旋转的螺旋流顺利切入上导流锥罩并形成空芯式高速两相螺旋流，最终导流至旋流分离管段。
双层锥罩采用上下两层布置的锥形壳体并由上导流锥罩和下集气锥罩组成，上导流锥罩的内外环面所在锥面的锥度大于下集气锥罩的内外环面所在锥面的锥度，上导流锥罩通过圆周焊固定于集气垂向管段的下部且其锥罩的顶部与变螺距造旋叶片的最下部相互衔接，下集气锥罩通过圆周焊固定于集气垂向管段的底端且整体布置于旋流分离管段的管腔上部。
集气管用于输送脱气后的气流并由集气垂向管段和集气水平管段组成，集气水平管段水平布置并通过弯头与集气垂向管段相连，集气管的集气垂向管段与锥形分离管、出液缓冲管和出液管的出液垂向管段由上而下同轴心布置，集气垂向管段的下部通过圆周焊将集气管与双层锥罩连为一体。
锥形脱气器实施高速锥形螺旋场气液高效分离作业，它包括锥形分离管及其内的稳流叶轮以及位于下部的出液缓冲管和出液管。
锥形分离管沿轴向由上而下依次由旋流形成管段、旋流分离管段和轴流集液管段组成，旋流形成管段内置变螺距造旋叶片且其内壁采用圆柱面，旋流形成管段的管壁上设有楔形分离坡口并通过圆周焊实现锥形分离管与造旋进液管间的固定，且楔形分离坡口与楔形进液坡口相配合而实现锥形分离管与造旋进液管间的联通；旋流分离管段和轴流集液管段的内壁分别采用倒锥面和圆柱面，轴流集液管段的中下部内置稳流叶轮，旋流分离管段的流道截面迅速收缩且角动量增大，空芯式高速两相螺旋流的旋转速度进一步提升并形成高速锥形螺旋场，液相逐渐甩向旋流分离管段的管壁并朝下旋转流动至轴流集液管段，同时高速锥形螺旋场中气相不断运移至旋流分离管段的中央部位并反向上升而汇集成细长倒锥状的气流。
锥形分离管的顶端设置上分离法兰进行封闭，上分离法兰的中央部位钻有圆孔并与集气垂向管段之间通过圆周焊的方式将集气管与锥形分离管连为一体，锥形分离管的底端通过法兰与出液缓冲管相连。
稳流叶轮由稳流叶片和防涡导杆组成并将脱气后的液流调整为轴向稳定流动的液流，防涡导杆采用细短杆并用于防止生成涡流，稳流叶片采用沿周向均匀分布的直板钢片，稳流叶片的内侧叶面通过圆周焊的方式固定于防涡导杆的外环面，同时稳流叶片的外侧叶面所在柱面与轴流集液管段的内壁之间采用过盈配合而将稳流叶轮固定于锥形分离管内。
出液缓冲管采用粗短管并实现脱气后液流的缓冲，出液缓冲管的底端设置下分离法兰进行封闭，下进液法兰、上均混法兰、上分离法兰和下分离法兰均采用盲端法兰盘，下分离法兰的中央部位钻有圆孔并与出液垂向管段之间通过圆周焊的方式将出液管与出液缓冲管连为一体。出液管用于输送脱气后的液流并由出液水平管段和出液垂向管段组成，出液水平管段水平布置并通过弯头与出液垂向管段相连。
两级均混控制系统和气液分离控制系统自动调控气液两相流、气液均混流以及脱气后气流与液流的流量和流压。泄压管和锥形分离管的管壁均设有压力泄放阀，自动释放超压工况时各管腔内的压力。
两级均混控制系统中，两相进液管汇依次设有电磁流量计、紧急关断阀和压力气动控制阀，电磁流量计经其流量变送器将测量到的气液两相流的总流量信号传送至累积流量显示仪表，实现气液两相流的精确计量。紧急关断阀处于常开状态并在出现超高压信号以及系统发生故障时，自动关闭并停止气液两相流的供给。
两级均混控制系统中，一级混合管和均混流管各设置一套压力变送器，两套压力变送器分别监测一级混合管和均混流管的压力状况，并依次经压力指示控制器和压力转换器完成压力信号与电信号间的转换和数据处理，最后由两相进液管汇的压力气动控制阀自动调控气液两相流的流量。
气液分离控制系统中，出液管汇分别设有液位气动控制阀和超声波液体流量计，超声波液体流量计经其流量变送器将测量到的脱气后液流的流量信号传送至瞬时流量显示仪表和累积流量显示仪表，实现脱气后液流的精确计量。轴流集液管段设置液位变送器，液位变送器监测锥形分离管内的液位状况，并经液位转换器完成液位信号与电信号间的转换和数据处理，最后由出液管汇的液位气动控制阀自动调控脱气后液流的流量。
气液分离控制系统中，输气管汇分别设有压差气动控制阀和超声波气体流量计，超声波气体流量计分别经其流量变送器、压力变送器和温度变送器将测量到的脱气后气流的流量、压力以及温度信号传送至瞬时流量显示仪表和累积流量显示仪表，实现脱气后气流的精确计量。出液管汇和集气管分别设有压力变送器，且造旋进液管设置两套压差变送器，两套压力变送器和两套压差变送器同时监测集气管和造旋进液管以及出液管和造旋进液管间的压差状况，并依次经压差指示控制器和压差式气电转换器完成压差信号与气信号间的转换和数据处理，自动控制输气管汇上压差气动控制阀的气动量，进而自动调整脱气后气流的流量。
本发明所能达到的技术效果是，两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统实现远程自动控制两级气液均匀混合和气液两相高效快速分离，第一级均混器依据外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管实施第一级气液破碎均匀混合作业并将气液两相流中的大气泡破碎为小气泡，第二级均混器依据均混齿轮实施第二级气液破碎均匀混合作业并形成气液均混流，造旋集气器依据变螺距造旋叶片和双层锥罩将两级气液均匀混合后的气液均混流调整为空芯式高速两相螺旋流，锥形脱气器实施高速锥形螺旋场气液高效分离作业，两级均混控制系统和气液分离控制系统自动调控气液两相流、气液均混流以及脱气后气流与液流的流量和流压。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。
图1是根据本发明所提出的两级气液混合锥形螺旋场分离装置的典型结构简图以及两级气液混合锥形螺旋场分离在线控制系统的典型工艺流程图。
图2是两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统的第一级均混器的结构简图。
图3是第一级均混器的外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管的结构简图。
图4是图3的A—A剖视图。
图5是第一级均混器的上隔板的仰视图。
图6是第一级均混器的下挡板的俯视图。
图7是两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统的第二级均混器的结构简图。
图8是第二级均混器的均混齿轮和叶轮基管的结构简图。
图9是两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统的造旋集气器的结构简图。
图10是两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统的锥形脱气器的结构简图。
图11是锥形脱气器的稳流叶轮的结构简图。
图12是两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统的两级均混控制系统的管线和仪表控制图。
图13是两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统的气液分离控制系统的管线和仪表控制图。
图中1－第一级均混器，2－第二级均混器，3－造旋集气器，4－锥形脱气器，5－气液分离控制系统，6－两级均混控制系统，7－上隔板，8－内微孔瓷管，9－中微孔瓷管，10－外微孔瓷管，11－一级混合管，12－下挡板，13－进液缓冲管，14－两相进液管，15－环形卡环，16－环形卡箍，17－小锥微孔道，18－柱形微孔道，19－大锥微孔道，20－破碎微孔，21－外隔板导流孔，22－环形卡槽，23－内隔板导流孔，24－挡板导流孔，25－导流圆孔，26－叶轮基管，27－均混齿轮，28－二级混合管，29－均混流管，30－泄压管，31－三级均混齿，32－均混齿，33－锥形凸台，34－集气管，35－造旋进液管，36－变螺距造旋叶片，37－双层锥罩，38－下集气锥罩，39－上导流锥罩，40－楔形进液坡口，41－锥形分离管，42－稳流叶轮，43－出液缓冲管，44－出液管，45－稳流叶片，46－防涡导杆，47－轴流集液管段，48－旋流分离管段，49－旋流形成管段，50－楔形分离坡口，51－电磁流量计，52－紧急关断阀，53－压力气动控制阀，54－两相进液管汇，55－压力泄放阀，56－液位气动控制阀，57－出液管汇，58－超声波液体流量计，59－压差气动控制阀，60－输气管汇，61－超声波气体流量计。
具体实施方式
在图1中，两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统包括第一级均混器1、第二级均混器2、造旋集气器3、锥形脱气器4、气液分离控制系统5和两级均混控制系统6，依据两级气液破碎均匀混合和锥形螺旋场动态气液分离工艺及其在线控制系统，能够适应不同含气量的气液两相流，实现远程自动控制两级气液均匀混合和气液两相高效快速分离。
在图1中，第一级均混器1、第二级均混器2和锥形脱气器4沿垂向布置，且第二级均混器2和锥形脱气器4通过造旋集气器3相连而使得整个分离装置组合成倒置的U型管网，第一级均混器1和第二级均混器2通过法兰连接并实现不同含气量气液两相流的两级均匀混合，两级均混控制系统6和气液分离控制系统5分别实现远程自动控制第一级气液破碎均匀混合作业、第二级气液破碎均匀混合作业和高速锥形螺旋场气液高效分离作业流程。
在图2～图6中，两相进液管14通过下进液法兰与进液垂向管段间的圆周焊与进液缓冲管13连为一体，一级混合管11和进液缓冲管13的管腔容积以及破碎微孔20的层数、总数量和大小设计均需考虑气液两相流的流量、含气量、粘度等因素，一级混合管11的两端通过法兰将二级混合管和上隔板7以及下挡板12和进液缓冲管13连为一体，各环形卡环15和环形卡箍16与环形卡槽22相互配合而实现内微孔瓷管8、中微孔瓷管9和外微孔瓷管10的轴向固定以及上下双向限位，一级混合管11、进液缓冲管13和二级混合管依据上隔板7的外隔板导流孔21和内隔板导流孔23以及下挡板12的挡板导流孔24和导流圆孔25保持联通。
在图2～图6中，第一级均混器1依据内微孔瓷管8、中微孔瓷管9和外微孔瓷管10实施第一级气液破碎均匀混合作业，其流程为，气液两相流经两相进液管14进入进液缓冲管13内进行缓冲，而后由下挡板12的导流圆孔25和挡板导流孔24分别进入内微孔瓷管8的柱形管腔以及中微孔瓷管9和外微孔瓷管10间的环形空腔，气液两相流依次通过大锥微孔道19、柱形微孔道18和小锥微孔道17后，大气泡破碎为小气泡并分别流入内微孔瓷管8和中微孔瓷管9间的环形空腔以及一级混合管11和外微孔瓷管10间的环形空腔，最后气液两相流经由上隔板7的外隔板导流孔21和内隔板导流孔23进入第二级均混器2。
在图7和图8中，均混流管29和泄压管30通过圆周焊与二级混合管28连为一体，三级均混齿31通过圆周焊固定于叶轮基管26上并依据过盈配合将叶轮基管26和均混齿轮27固定于二级混合管28内，锥形凸台33实现叶轮基管26和均混齿轮27的轴向定位，二级混合管28的管腔容积以及均混齿32的数量和大小设计均需考虑气液两相流的流量、含气量、粘度等因素。
在图7和图8中，第二级均混器2依据均混齿轮27实施第二级气液破碎均匀混合作业，其流程为，第一级气液破碎均匀混合作业后的气液两相流经由叶轮基管26与二级混合管28之间环形空腔内的三级均混齿31过程中，各均混齿32的截面面积由零逐渐增大而后不断减小并缩减至零，气液两相流被不断剪切破碎而使得气泡粒径逐渐变小，且小气泡进一步破碎为微小气泡，同时流道截面面积先是逐渐减小而后不断增大，且气液两相流不断换向，由此最终形成微小气泡均匀分布的气液均混流。
在图9中，造旋集气器3通过下集气锥罩38汇集脱气后的气流，造旋进液管35的出口处切有楔形进液坡口40并通过法兰与均混流管29相连，变螺距造旋叶片36和双层锥罩37通过圆周焊固定于集气管34的集气垂向管段上，且变螺距造旋叶片36依据过盈配合固定于锥形脱气器4的锥形分离管内，变螺距造旋叶片36外轮廓线的螺距及其总长度需考虑气液均混流的流量、含气量、粘度等因素，集气管34的管径设计需考虑脱气后气流的流量、流压等因素，造旋进液管35的管径与两相进液管14和均混流管29的管径保持一致。
在图9中，造旋集气器3依据变螺距造旋叶片36和上导流锥罩39将气液均混流调整为空芯式高速两相螺旋流，其流程为，两级气液均匀混合后的气液均混流经均混流管29和造旋进液管35并由楔形进液坡口40顺利切入变螺距造旋叶片36，变螺距造旋叶片36外轮廓线的螺距由上而下逐渐减小，由此形成高速旋转的螺旋流，而后高速旋转的螺旋流顺利切入上导流锥罩39并形成空芯式高速两相螺旋流，最终导流至锥形分离管的旋流分离管段。
在图10和图11中，锥形分离管41通过法兰与出液缓冲管43相连并依据上分离法兰与集气垂向管段间的圆周焊与集气管34连为一体，造旋进液管35通过圆周焊固定于旋流形成管段49上，楔形分离坡口50与楔形进液坡口40相配合并实现锥形分离管41与造旋进液管35间的联通，稳流叶片45通过圆周焊固定于防涡导杆46上，且稳流叶轮42依据过盈配合固定于轴流集液管段47内，依据下分离法兰与出液垂向管段间的圆周焊将出液缓冲管43和出液管44连为一体，锥形分离管41的管腔容积以及旋流分离管段48内壁所在倒锥面的锥度设计均需考虑气液均混流的流量、含气量、粘度等因素，出液管44的管径设计需考虑脱气后液流的流量、流压等因素。
在图10和图11中，锥形脱气器4实施高速锥形螺旋场气液高效分离作业，其流程为，空芯式高速两相螺旋流经上导流锥罩39进入旋流分离管段48，旋流分离管段48的流道截面迅速收缩且角动量增大，空芯式高速两相螺旋流的旋转速度进一步提升并形成高速锥形螺旋场，液相逐渐甩向旋流分离管段48的管壁并朝下旋转流动至轴流集液管段47，而后脱气后的液流通过稳流叶片45和防涡导杆46调整为轴向稳定流动的液流，再流入出液缓冲管43进行缓冲后经由出液管44排出；与此同时，高速锥形螺旋场中气相不断运移至旋流分离管段48的中央部位并反向上升而汇集成细长倒锥状的气流，而后脱气后的气流经下集气锥罩38汇集并由集气管34排出。
在图12中，两级均混控制系统6的管线和仪表控制方法为，两相进液管汇54的流量变送器(FIT)将电磁流量计51测量到的气液两相流的总流量信号传送至累积流量显示仪表(FQI)，出现超高压信号以及系统发生故障时，紧急关断阀52自动关闭并停止气液两相流的供给，泄压管30上的压力泄放阀55自动释放超压工况时一级混合管11和二级混合管28管腔内的压力。两套压力变送器(PIT)分别监测一级混合管11和均混流管29的压力状况，并依次经压力指示控制器(PIC)和压力转换器(PY)完成压力信号与电信号间的转换和数据处理，最后由两相进液管汇54的压力气动控制阀53自动调控气液两相流的流量。
在图13中，气液分离控制系统5的管线和仪表控制方法为，出液管汇57的流量变送器(FIT)将超声波液体流量计58测量到的脱气后液流的流量信号传送至瞬时流量显示仪表(FI)和累积流量显示仪表(FQI)；输气管汇60的流量变送器(FIT)、压力变送器(PIT)和温度变送器(TIT)将测量到的脱气后气流的流量、压力以及温度信号传送至瞬时流量显示仪表(FI)和累积流量显示仪表(FQI)，压力泄放阀55自动释放超压工况时锥形分离管41管腔内的压力。轴流集液管段47的液位变送器(LIT)监测锥形分离管41内的液位状况，并经液位转换器(LY)完成液位信号与电信号间的转换和数据处理，最后由出液管汇57的液位气动控制阀56自动调控脱气后液流的流量。两套压力变送器(PIT)和两套压差变送器(PDIT)同时监测集气管34和造旋进液管35以及出液管44和造旋进液管35间的压差状况，并依次经压差指示控制器(PDIC)和压差式气电转换器(PDY)完成压差信号与气信号的转换和数据处理，自动控制输气管汇60压差气动控制阀59的气动量，进而自动调整脱气后气流的流量。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式、在线控制方法等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明保护范围之外。

Claims (10)

1.一种两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，第二级均混器和锥形脱气器通过造旋集气器相连而使得整个分离装置组合成倒置的U型管网，两级均混控制系统和气液分离控制系统分别实现远程自动控制第一级气液破碎均匀混合作业、第二级气液破碎均匀混合作业和高速锥形螺旋场气液高效分离作业流程，其特征在于：
第一级均混器；所述第一级均混器包括一级混合管及其内的外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管以及由上而下布置的上隔板、下挡板、进液缓冲管和两相进液管，一级混合管的两端通过法兰将二级混合管和上隔板及下挡板和进液缓冲管连为一体，下进液法兰与进液垂向管段通过圆周焊将两相进液管与进液缓冲管连为一体；上隔板下端面和下挡板上端面分别铣有沿径向同轴心分三层排列的环形卡槽，上隔板的内隔板导流孔和外隔板导流孔实现一级混合管和二级混合管的联通，下挡板的导流圆孔和挡板导流孔实现进液缓冲管和一级混合管的联通；外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管沿径向由外至内同轴心分层排列且其管壁上均设有沿轴向等间距分层排列的破碎微孔，破碎微孔由大锥微孔道、柱形微孔道和小锥微孔道组成，外微孔瓷管和内微孔瓷管的两端设有环形卡环，中微孔瓷管的两端设有环形卡箍；
第二级均混器；所述第二级均混器包括二级混合管及其内的均混齿轮和叶轮基管以及位于顶端且对称布置的泄压管和均混流管，上均混法兰通过圆周焊将泄压管和均混流管与二级混合管连为一体；均混齿轮采用三级均混齿，依据三级均混齿与二级混合管间的过盈配合将均混齿轮和叶轮基管固定于二级混合管内，均混齿轮的各级均混齿均由两层均混齿组成，各层均混齿层间的倾斜方向相反，各个均混齿的齿线采用组合曲线；叶轮基管与二级混合管间的环形空腔配置均混齿轮，叶轮基管的锥形凸台实现均混齿轮和叶轮基管的轴向定位；
造旋集气器；所述造旋集气器依据变螺距造旋叶片和上导流锥罩将两级气液均匀混合后的气液均混流调整为空芯式高速两相螺旋流，它包括集气管及其下部的造旋进液管、变螺距造旋叶片和双层锥罩；造旋进液管的出口处切有楔形进液坡口并通过法兰与均混流管进行连接，依据过盈配合将变螺距造旋叶片固定于锥形分离管内，变螺距造旋叶片的外轮廓线采用变螺距的螺旋线且其外轮廓线的螺距由上而下逐渐减小；双层锥罩采用上下两层布置的锥形壳体，上导流锥罩和下集气锥罩通过圆周焊分别固定于集气垂向管段的下部和底端，集气管用于输送脱气后的气流，集气水平管段通过弯头与集气垂向管段相连；
锥形脱气器；所述锥形脱气器包括锥形分离管及其内的稳流叶轮以及位于下部的出液缓冲管和出液管，锥形分离管沿轴向由上而下依次由旋流形成管段、旋流分离管段和轴流集液管段组成，旋流形成管段的楔形分离坡口与楔形进液坡口相配合而实现锥形分离管与造旋进液管间的联通，轴流集液管段内形成高速锥形螺旋场且其中下部内置稳流叶轮，上分离法兰与集气垂向管段间通过圆周焊将集气管与锥形分离管连为一体，锥形分离管的底端通过法兰与出液缓冲管相连；稳流叶轮由稳流叶片和防涡导杆组成并将脱气后的液流调整为轴向稳定流动的液流，稳流叶片采用沿周向均匀分布的直板钢片，依据过盈配合将稳流叶轮固定于锥形分离管内，下分离法兰与出液垂向管段间通过圆周焊将出液管与出液缓冲管连为一体；
两级均混控制系统；所述两级均混控制系统的两相进液管汇依次设有电磁流量计、紧急关断阀和压力气动控制阀，一级混合管和均混流管各设置一套压力变送器；
气液分离控制系统；所述气液分离控制系统的出液管汇分别设有液位气动控制阀和超声波液体流量计，轴流集液管段设置液位变送器，输气管汇分别设有压差气动控制阀和超声波气体流量计，出液管汇和集气管分别设有压力变送器，且造旋进液管设置两套压差变送器。
2.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述第一级均混器、第二级均混器和锥形脱气器沿垂向布置，第一级均混器和第二级均混器通过法兰连接并实现不同含气量气液两相流的两级均匀混合；两级均混控制系统和气液分离控制系统自动调控气液两相流、气液均混流以及脱气后气流与液流的流量和流压。
3.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述第一级均混器依据外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管实施第一级气液破碎均匀混合作业，并将气液两相流中的大气泡破碎为小气泡；一级混合管采用粗长管，进液缓冲管采用粗短管且其底端设置下进液法兰进行封闭，下进液法兰的中央部位钻有圆孔；
所述上隔板和下挡板均采用圆形钢板，上隔板和下挡板的环形卡槽的剖面呈直角梯形，上隔板沿径向位于内层的环形卡槽和中间层的环形卡槽之间设有沿周向均匀分布的内隔板导流孔，上隔板沿径向位于外层环形卡槽的外缘设有沿周向均匀分布的外隔板导流孔；下挡板的中央部位钻有导流圆孔，下挡板沿径向位于外层的环形卡槽和中间层的环形卡槽之间设有沿周向均匀分布的挡板导流孔，挡板导流孔、内隔板导流孔和外隔板导流孔沿径向的外侧孔壁和内侧孔壁均采用圆拱面且沿周向的两侧孔壁均采用半圆柱面。
4.根据权利要求1或3所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述第一级均混器的外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管的轴向长度相等，内微孔瓷管的柱形管腔通过下挡板的导流圆孔与进液缓冲管保持联通，中微孔瓷管和内微孔瓷管之间的环形空腔通过上隔板的内隔板导流孔与二级混合管保持联通，外微孔瓷管和中微孔瓷管之间的环形空腔通过下挡板的挡板导流孔与进液缓冲管保持联通，一级混合管和外微孔瓷管之间的环形空腔通过上隔板的外隔板导流孔与二级混合管保持联通；每个破碎微孔的大锥微孔道的孔壁所在锥面的锥度大于其小锥微孔道的孔壁所在锥面的锥度，且大锥微孔道的孔壁所在锥面的锥高、柱形微孔道的孔壁所在柱面的轴向长度和小锥微孔道的孔壁所在锥面的锥高依次增大；外微孔瓷管和内微孔瓷管的小锥微孔道布置于沿径向的内层，而中微孔瓷管的小锥微孔道布置于沿径向的外层；外微孔瓷管的环形卡环与上隔板和下挡板沿径向位于外层的环形卡槽相配合、中微孔瓷管的环形卡箍与上隔板和下挡板沿径向位于中间层的环形卡槽相配合同时内微孔瓷管的环形卡环与上隔板和下挡板沿径向位于内层的环形卡槽相配合，由此实现外微孔瓷管、中微孔瓷管和内微孔瓷管的轴向固定以及上下双向限位。
5.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述第二级均混器依据均混齿轮实施第二级气液破碎均匀混合作业，二级混合管采用粗长管且其顶端设置上均混法兰进行封闭，上均混法兰的外缘部位钻有两个圆孔，均混流管和泄压管均与二级混合管的管腔保持联通，均混流管采用粗管，泄压管采用细管；
所述均混齿轮的三级均混齿的内齿面通过圆周焊的方式固定于叶轮基管的外环面，三级均混齿的外齿面所在柱面与二级混合管的内壁之间采用过盈配合；均混齿轮的每层均混齿倾斜布置，各个均混齿的齿线上半部分采用内凹的弧线且其下半部分采用外凸的弧线，同时各个均混齿垂直于齿线的截面面积由零逐渐增大而后不断减小并缩减至零；由此，第一级气液破碎均匀混合作业后的气液两相流不断剪切破碎使得气泡粒径逐渐变小，且小气泡进一步破碎为微小气泡，同时气液两相流不断换向而形成微小气泡均匀分布的气液均混流；
所述叶轮基管采用上端封闭的倒置碗形管体，叶轮基管的外环面与二级混合管的内壁形成环形空腔，叶轮基管的顶端设有锥形凸台并与上均混法兰贴合。
6.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述造旋集气器通过下集气锥罩汇集脱气后的气流，造旋进液管采用细长管且倾斜布置，造旋进液管和均混流管的管径相等；集气管的集气水平管段水平布置，集气管的集气垂向管段与锥形分离管、出液缓冲管和出液管的出液垂向管段由上而下同轴心布置，集气垂向管段的下部通过圆周焊将集气管与双层锥罩连为一体；
所述变螺距造旋叶片采用一体式叶片且其内侧叶面通过圆周焊固定于集气管的外环面，变螺距造旋叶片的外侧叶面所在柱面与旋流形成管段的内壁之间采用过盈配合；变螺距造旋叶片的外轮廓线上部起始点的切线与水平面间的夹角等于造旋进液管的轴线与水平面间的夹角，变螺距造旋叶片的外轮廓线下部终止点的切线与锥形分离管轴线间的夹角等于上导流锥罩的外环面所在锥面的锥度；气液均混流经造旋进液管顺利切入变螺距造旋叶片并形成高速旋转的螺旋流，而后高速旋转的螺旋流顺利切入上导流锥罩并形成空芯式高速两相螺旋流；
所述双层锥罩由上导流锥罩和下集气锥罩组成，上导流锥罩的内外环面所在锥面的锥度大于下集气锥罩的内外环面所在锥面的锥度，上导流锥罩的锥罩顶部与变螺距造旋叶片的最下部相互衔接，下集气锥罩整体布置于旋流分离管段的管腔上部。
7.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述锥形脱气器实施高速锥形螺旋场气液高效分离作业，锥形分离管的旋流形成管段内置变螺距造旋叶片，旋流形成管段的管壁上设有楔形分离坡口并通过圆周焊实现锥形分离管与造旋进液管间的固定；旋流分离管段和轴流集液管段的内壁分别采用倒锥面和圆柱面，旋流分离管段的流道截面迅速收缩且角动量增大，空芯式高速两相螺旋流的旋转速度进一步提升，高速锥形螺旋场中液相逐渐甩向旋流分离管段的管壁并朝下旋转流动至轴流集液管段，同时气相不断运移至旋流分离管段的中央部位并反向上升而汇集成细长倒锥状的气流。
8.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述锥形分离管的顶端设置上分离法兰进行封闭，上分离法兰的中央部位钻有圆孔；出液管用于输送脱气后的液流，出液缓冲管采用粗短管并实现脱气后液流的缓冲，出液缓冲管的底端设置下分离法兰进行封闭，下分离法兰的中央部位钻有圆孔；
所述稳流叶轮的防涡导杆采用细短杆，稳流叶片的内侧叶面通过圆周焊的方式固定于防涡导杆的外环面，稳流叶片的外侧叶面所在柱面与轴流集液管段的内壁之间采用过盈配合。
9.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述两级均混控制系统中，电磁流量计经其流量变送器将测量到的气液两相流的总流量信号传送至累积流量显示仪表，实现气液两相流的精确计量；两套压力变送器分别监测一级混合管和均混流管的压力状况，并依次经压力指示控制器和压力转换器完成压力信号与电信号间的转换和数据处理，最后由两相进液管汇的压力气动控制阀自动调控气液两相流的流量。
10.根据权利要求1所述的两级气液混合锥形螺旋场分离装置及在线控制系统，其特征在于：所述气液分离控制系统中，超声波液体流量计经其流量变送器将测量到的脱气后液流的流量信号传送至瞬时流量显示仪表和累积流量显示仪表，实现脱气后液流的精确计量；超声波气体流量计分别经其流量变送器、压力变送器和温度变送器将测量到的脱气后气流的流量、压力以及温度信号传送至瞬时流量显示仪表和累积流量显示仪表，实现脱气后气流的精确计量；液位变送器监测锥形分离管内的液位状况，并经液位转换器完成液位信号与电信号间的转换和数据处理，最后由出液管汇的液位气动控制阀自动调控脱气后液流的流量；两套压力变送器和两套压差变送器同时监测集气管和造旋进液管以及出液管和造旋进液管间的压差状况，并依次经压差指示控制器和压差式气电转换器完成压差信号与气信号间的转换和数据处理，自动控制输气管汇上压差气动控制阀的气动量，进而自动调整脱气后气流的流量。
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