CN1511626A - 油气水多相流体缓冲均混器 - Google Patents

Abstract

一种油气水多相流体缓冲均混器，它至少包括缓冲罐，罐壳体的壳壁上分别设有入口和出口，均混器为设有一个以上开孔的分离管，该管垂直设置在缓冲罐中，并与缓冲罐体固接，均混器的下端部与出口接近，实现油气水多相流体的缓冲均混。本发明将有效改变和调整多相泵进口处油气水多相流的流型，避免干运转和断塞流对多相泵输送性能的影响，使油气水多相混输泵能够工作在最佳的运行工况下，保证最佳的工作效率，同时使油气水多相泵的运行更加稳定可靠；实现了缓冲和均混一体化设计，体积紧凑、结构合理，无能耗、效率高、混合均匀度高、适应流型范围广，安全可靠。

Description

油气水多相流体缓冲均混器

技术领域：

本发明涉及一种均混器，尤其是一种油气水多相流体缓冲均混器，主要用于海洋石油、陆上油田、石油化工，特别是深水边际油田、沙漠油田油气集输，属于机械制造静态混合器和油气水多相流混合输送技术领域。

背景技术：

在多相流混合输送装置中，缓冲器和静态混合器是管路中必备的特殊装置，其主要作用是对管道中的流体进行缓冲和均混，消除管路流体的不稳定和不均匀状态，改善流动性能。缓冲罐主要是进行缓冲，减缓流体压力、流量的变化；静态混合器是使两种或两种以上的液体流过时发生转向和掺混，在静态混合器中没有运动叶片等构件，是靠流体自身的动力进行工作的。

自从1970年第一种静态混合器问世以来，目前世界上以有上百种静态混合器，其中大约有一半类型的静态混合器实现了商业化。但按结构类型来分，基本三十来种。美国开采尼尔公司的新型Kenics静态混合器能利用很小的压降工作，而不受尺寸限制。我国静态混合器自70年代末进行开发应用以来，在化工过程和其他工业工艺过程中得到推广，越来越多的企业和科技人员已经或正在认识和开发这种新设备，以求取得更好的经济效益。但是，由于我国科技力量不足，没有进行过系统的基础研究，只是引进和改造了一些，现在开发生产的静态混合器基本分为五大类。其型号及该型号静态混合器的主要用途和技术性能参见表一：

               表一  五类静态混合器

型号	用途及技术性能
		SV型	适用于粘度≤102Pa s的液-液、气-液、气-气的乳化、反应、吸收萃取、强化传热过程。最高分散度为1-2um。

SX型	适用于粘度≤102Pa s的中高粘度液-液反应、混合、吸收过程或生产高聚物流体的混合反应过程。
		SL型	适用于粘度≤102Pa s的或伴有高聚物介质的液-液、液-固、的混合
SH型	适用于精细加工、塑料等部门的混合、乳化、传热等过程。最高分散度为1-2um。
		SK型	适用于化工、石油、制药过程中的混合、乳化、传热等过程。

近几年来，随着油田采油技术和多相流增压方式的不断发展，静态混合器在这些领域的应用要求也越来越突出，而目前使用的一些静态混合器大多数是从化工行业移植过来的，而不是针对高粘度和多相流体的特殊要求进行专门设计研究的，因此在油田采油的应用中存在很多问题。

缓冲罐也是一种常见的压力容器，在各种流体管路上都有应用，设计方法也比较成熟。其生产方法也比较简单，只要满足压力、容积和材料等要求就可以了。现有技术中缓冲器一般只是将体积放大，起到缓冲作用；静态混和器一般采用与管径一致的直管，直管内有螺旋弯槽或布置有丝网，他们都是分体设计的，现有技术的主要存在混合不均、混合阻力大、缓冲与均混分开进行、设备体积大等缺点，同时现有设备大多属于单一的均混设备，缺乏配套的自动控制系统，特别是与多相增压系统变工况条件相适应的系统功能。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种油气水多相流体缓冲均混器，使油气水的混合输送更加稳定可靠，多相井流或其它多相气-液混合流体经过此均混器后能够均匀混合，而且能对不稳定的流体进行缓冲，避免干运转和断塞流对多相泵运行的影响，让入口液流完全满足油气混输泵的最佳运行工况，使其能正常工作。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种油气水多相流体缓冲均混装置，它至少包括缓冲罐，罐壳体的壳壁上分别设有入口和出口，均混器为设有一个以上开孔的分离管，该管垂直设置在缓冲罐中，并与缓冲罐体固接，均混器的下端部与出口接近，实现油气水多相流体的缓冲均混。

缓冲均混器还设有液位控制装置，该装置包括自动液位测试装置和液体补偿装置；自动液位测试装置固设在缓冲罐内壁上，通过连接线路与液体补偿装置相连，液体补偿装置设有回路与缓冲罐连接，当自动液位测试装置测试到缓冲罐内液体容量不足时，可通过液体补偿装置对其进行补充。

分离管上部、下部分别通过固定装置与罐体的上、下罐壁固接，分离管设置在罐体的中央。

开孔在分离管的一个以上横截面的圆周上径向开设，开孔的轴线方向与分离管的轴线方向垂直或者不垂直。

相邻两个横截面圆周上开孔的轴线方向互不相同，便于油气水多相流体的吸入。

在分离管上部的开孔孔径大于其下部的开孔孔径，孔径小于或等于分离管直径的1/4。

开孔的总面积之和大于或等于分离管的通流面积。开孔的孔间距为分离管直径的1/3。

入口设置一与罐体内壁固接的挡板，用以阻挡自入口进入的流体直接冲击分离管，并分离气团。该挡板为扇形或半圆形的弧形挡板，且挡板的面积大于罐体入口的通流面积。

分离管的底端与出口设有一间隙，该间隙用于补充液体，避免液位下降后纯气流对设备的损坏。

间隙的长度由间隙与缓冲均混器存液界面之间的压差决定，其数值不小于170mm。

缓冲罐上开设有油气水多相流体缓冲均混器液位观察窗，该观测窗的位置开设在缓冲罐自罐体底部向上1/4到1/3处，其外部安装有耐压透明示窗。

综上所述，本发明的优点在于：

1、使油气水的混合输送更加稳定可靠，多相流井液或其它多相气-液混合流体经过此均混器后能够均匀混合，而且能对不稳定的流体进行缓冲，避免干运转和断塞流对多相泵性能的影响，让入口液流满足油气混输泵的最佳运行条件，在保证其能正常工作的同时，提高效率。

2、能够进行多相流体混合，尤其能进行油气水的均匀混合，使多相流体形成一种均匀密度的连续流体，为多相增压装置提供必须的工作条件。

3、实现了缓冲和均混一体化设计，体积紧凑、结构合理，并减小了气液接触混合的面积从而使压力损失减小。

4、与一般的均混器相比，在对高粘度的原油或高聚合物的均匀混合有特别的工作能力，能够适应各种多相流型。

5、消除进入多相增压装置的段塞流和纯气流，把不稳定的、压力变化多相来流变成稳定均匀的流体，为多相增压设备的安全工作提供了保证。

6、具有液位自动控制系统，保证各种复杂来流工况下的稳定运行。

7、本发明无能耗、效率高、混合均匀度高、安全可靠。

附图说明：

图1为本发明油气水多相流体缓冲均混器的结构示意图；

图2为本发明油气水多相流体缓冲均混器和其他过流部件的连接示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细地说明。

如图1所示，为本发明油气水多相流体缓冲均混器的结构示意图。由图中可知，该油气水多相流体缓冲均混器，它至少包括缓冲罐1、均混器2、液位控制系统，罐壳体的壳壁上分别设有入口3和出口4，所述的均混器设在缓冲罐体内，均混器为带有一个以上气孔5的分离管6，该管垂直设置在缓冲罐1中与缓冲罐体固接，分离管6的下端部与出口4接近；所述的液位控制系统安装在缓冲罐上，液位控制系统为一套带有自动液位测试装置和液体补偿系统在内的智能控制系统，自动液位测试仪12安装在缓冲管内，液体自动补充系统13与罐体液体补充口9相连。

分离管6上部、下部通过固定装置7和8与罐体固接，分离管6设置在罐体的中央。分离管6的底端与出口间有一间隙，该间隙为环型间隙9。

所述的气孔5的开孔总面积之和大于或等于分离管6的通流面积，气孔5的孔间距为分离管6直径的1/3，孔径为分离管直径的1/4。

入口3设置一与罐体固接的挡板10，用以阻挡自入口3进入的流体直接冲击分离管6，并分离较大气团；该挡板10为扇形或半圆形的弧形挡板；挡板10的面积大于罐体入口3的通流面积。

为了维持罐体内液面的稳定，避免长时间断塞流工况造成罐内液体不足或纯气工况的出现，罐体上安装有液位控制系统，液位控制系统为一套带有自动液位测试装置12和液体补偿系统13在内的智能控制系统，同时开设有油气水多相流体缓冲均混器液位观察窗11。

油气水多相流体缓冲均混器的设计是将分离器、混合器以及压力容器的设计融合在一起。其作用原理是：含气油流沿切向进入缓冲罐，利用半圆柱折流和重力沉降方法进行初级分离，目的是将其中混带的大气团分离，以便于利用均化器实现更好的混合。气流上升到罐上部，根据压力和含气量，缓冲罐的液体在其中某一位置达到平衡。这样使得多相流不直接进入多相泵，而在罐内实现压力平衡、实现缓冲。缓冲罐的容积根据体积流量和流速的大小而确定，如果它们大则容积要大一些，小则容积小一些。

罐内分离后的气体和液体分别从中心分离管上部和侧面流入分离管，由于它们的流动方向是相互垂直的，因而气体和就液体就在碰撞中被分割破碎，然后在分离管的下部进一步的均匀混合，在这一流道中由于流速很大，故气体和液体能够混合得很均匀。分离管的侧面开孔是按照一定含气率而设计的，所开小孔的面积大小是下部的孔小，上面的稍微大一些。根据泵的工作情况来确定最低小孔的位置。因为此均混器是对相态差别很大的流体进行混合，故应该尽量避免整个流体旋转而发生相态分离。在此均混器中，小孔开口方向是对中心的，能够避免液体流旋转。

该装置利用半圆柱折流和重力沉降先将多相流体中混带的大气团进行缓冲并使其与其液体成分分离，随气流上升，根据压力和含气量变化，缓冲罐中多相流气液界面相对稳定，逐步达到平衡，分离后的气态流体再与液体进行充分混合。

下面结合附图1来说明其工作过程：多相来流从入口3出进入缓冲罐1，入流方向与分离管6相切，而与弧形挡板10上缘相切，弧形挡板10使流体绕分离管6低速旋转，从而分离大的气团。这样缓冲罐1的上部就是气体，下部是液体，中间是含有小气泡的混合液体。在压力和出口4处多相泵吸力的作用下，气体从分离管6的上面开口和上部小孔5流入，液体从中部小孔5流入。它们在分离管6的下部因流动碰撞而混合，形成均匀流体从出口4流出。在分离管6末端和缓冲罐1底部有一个环形间隙9，从那里也可以补充部分的液体，特别当进气量很大的时候，液位下降到最低小孔后，液位控制系统12、13会自动实现液体的及时补充，这样液体就能从那里9对增压泵进行液体补充，从而在一定时间上避免了干运转对增压设备的损坏，即保证了多相泵增压的工作条件。

当气体从分离管6上端进入，液体从分离管6的开孔5中进入与气体混合。所以就要求分离管6的开孔5要满足一定的条件，使液体能够均匀地流入分离管混合。

按照压缩机的多孔消振器开孔原则：分离管6开孔的截面积之和要大于或等于进口管的通流截面积；孔间距为1/3的分离管直径；孔径为带孔管直径的1/4。

均混器要完成均匀混合的目的，使液体沿径向6个角度进入分离管6。

管径为80mm，孔径确定：d＝80/4*0.5＝10mm

开孔间距：1＝80/3＝26.7mm取整1＝30mm

开孔的径向角度相临两个截面要错开。开孔24排，其中上段12排大孔，孔径为10mm，下段12排小孔，孔径为8mm。因为上段混合管内压力较高，内外压差小，液量不容易混入，所以开孔直径较大；相反，由于液柱自身重力作用，下段罐内压力较高，混合管内由于接近泵入口而压力较低，所以液量容易进入混合管。如果采用同样直径则可能达不到良好的混合效果。

开孔的总通流截面积A1：

$(\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{0.01}^2+\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{0.008}^2)\×6\×12={0.00927m}^2$

而泵入口管通流截面积A2：

$\frac{\mathrm{\π}}{4}\×{0.1}^2={0.007854m}^2$

二者截面积之比为：

A1/A2＝1.18

多相泵入口混合管与进口环形间隙及长度的确定

环形间隙与均混器存液界面之间的压差为0.665米，因为在液相进入环形间隙的流动过程中，液面不断下降，取压差为0.3325米。由伯努利方程：

$\frac{P_{\mathrm{jh}}}{{\mathrm{\ρ}}_L}+\mathrm{gH}=\frac{P_s}{{\mathrm{\ρ}}_L}+\frac{V^2}{2}+\mathrm{\Σh}$

ρ_L为液相密度，Kg/m³

∑h为环形间隙与均混器存液界面之间的水力损失。

P_jh为液面上的静压，Pa根据收缩截面的压力损失， $\mathrm{\Σh}=\mathrm{\ξ}\·\frac{v^2}{2g}$ 由于环形间隙的截面积很小，收缩比A1/A2近似为0。则ξ取0.50。

P_s为环形间隙入口的压力，Pa，则液相通过环形间隙的速度为：

$V=\sqrt{2\mathrm{gH}/(1+\mathrm{\ξ})}=2.084m/s$

由此得出均混器环形间隙处直径：

$D=\sqrt{\frac{4Q}{3600\mathrm{\πV}}+0.089^2}=\sqrt{\frac{4\×70\×0.05}{3600\mathrm{\π}2.084}+0.089^2}=0.0923m$

取D＝92.5mm

由流体力学知，流体通过无偏心的环形缝隙时，其流量、几何参数和环形缝隙两端压差之间的关系为：

$Q=\frac{{\mathrm{\πD\δ}}^3}{12\mathrm{\μL}}\mathrm{\ΔP}$

式中，D为环形缝隙的孔径；D＝0.0925m

δ为缝隙量， $\mathrm{\δ}=\frac{d-d_0}{2}=0.00175,$ d₀为环形缝隙的内径；

L为缝隙长度；待定

ΔP为环形缝隙两端压差(根据泵对气体介质的吸入能力确定：在这种工况下，多相泵的吸入能力很弱，多相泵进口压力与罐内压力基本一致)，取ΔP＝0.02Mpa

μ为原油的动力粘度；对于中等原油在20℃时，运动粘度ν＝18.5Cst原油的相对密度ρ_r＝860/1000＝0.86

则μ＝ρ_rν＝15.91Cp＝0.01591Pa.s

环形缝隙长度：

$L=\frac{{\mathrm{\πd\δ}}^3}{12\mathrm{\μQ}}\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{\π}0.0925\×0.00175^3}{12\×0.01591\×70\×0.05/3600}\×0.02\×{10}^6=0.167\left(m\right)$

取L＝170mm

通过上述可知，本发明均混器带有分离缓冲和气液混合多种功能，气液混合器的结构不同于现有技术中的静态混合器，主要是克服前一种静态混合器的混和不均匀及后一种静态混合器的阻力很大的缺点。

如图2所示，为本发明油气水多相流体缓冲均混器和其他过流部件的连接示意图。从图中可知，多相来流经缓冲均混器1的入口3进入，进行充分的缓冲和均混之后，经均混器出口4进入多相泵20，增压后输出。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1、一种油气水多相流体缓冲均混器，它至少包括缓冲罐，罐壳体的壳壁上分别设有入口和出口，其特征在于：均混器为设有一个以上开孔的分离管，该管垂直设置在缓冲罐中，并与缓冲罐体固接，均混器的下端部与出口接近，实现油气水多相流体的缓冲均混。

2、根据权利要求1所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的缓冲均混器还设有液位控制装置，该装置包括自动液位测试装置和液体补偿装置；其中，自动液位测试装置固设在缓冲罐内壁上，并通过连接线路与液体补偿装置相连，液体补偿装置设有回路与缓冲罐连接，当自动液位测试装置测试到缓冲罐内液体容量不足时，可通过液体补偿装置对其进行补充。

3、根据权利要求2所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的分离管上部、下部分别通过固定装置与罐体的上、下罐壁固接，分离管设置在罐体的中央。

4、根据权利要求1所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的开孔在分离管的一个以上横截面的圆周上径向开设，开孔的轴线方向与分离管的轴线方向垂直或者不垂直。

5、根据权利要求4所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的相邻两个横截面圆周上开孔的轴线方向互不相同，便于油气水多相流体的吸入。

6、根据权利要求4或5所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：在分离管上部的开孔孔径大于其下部的开孔孔径，孔径小于或等于分离管直径的1/4。

7、根据权利要求6所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的开孔的总面积之和大于或等于分离管的通流面积。

8、根据权利要求6所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的开孔的孔间距为分离管直径的1/3。

9、根据权利要求1所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的入口设置一与罐体内壁固接的挡板，用以阻挡自入口进入的流体直接冲击分离管，并分离气团。

10、根据权利要求9所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的挡板为扇形或半圆形的弧形挡板。

11、根据权利要求9或10所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的挡板的面积大于罐体入口的通流面积。

12、根据权利要求1所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的分离管的底端与出口设有一间隙，该间隙用于补充液体，避免液位下降后纯气流对设备的损坏。

13、根据权利要求12所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的间隙的长度由间隙与缓冲均混器存液界面之间的压差决定，其数值不小于170mm。

14、根据权利要求1所述的油气水多相流体缓冲均混器，其特征在于：所述的缓冲罐上开设有油气水多相流体缓冲均混器液位观察窗，该观测窗的位置开设在缓冲罐自罐体底部向上1/4到1/3处，其外部安装有耐压透明示窗。

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