管式段塞流捕集器构造及其优化设计

李施放，贾逸群，罗晓坤，唐 琪

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中石油新疆油田公司，新疆 834000；3.中石油塔里木油田公司，新疆 841000）

管式段塞流捕集器相比于容器式的优势在于其处理量大。目前我国珠海高栏终端超大型管式段塞流捕集器处理量达到7000 m3，这也导致了其耗资巨大，其耗资主要体现在占地面积以及设备的建造费用和维护费用，因此深入研究其构造及工作机理来提高经济性是很有必要的。

1 管式段塞流捕集器的构造

管式段塞流捕集器又因其平行管段像手指一样而得名指状（指式）段塞流捕集器，它的主要结构是入口、分配器、降液段、分离段、气体出口和储液段。图1便是指状段塞流捕集器的构造。由于设计不同，指状段塞流捕集器其实也是有分类的，但是图1比较具有代表性，本文便不再对其他种类的捕集器进行赘述。

图1 管式段塞流捕集器基本构造

分配器的作用就在于能够均分来流，最初的段塞流捕集器是没有设置分配器的，这导致了很大程度上的偏流，其主要表现在中间几根平行管路流量大于两侧的管路，因此中间管路承受了较多的来流，由于分离段的平行管路均采用相同口径，从而导致了中间部分的气体出口携带较多液滴，同时两侧的管路没有充分利用。降液段是分离段之前的一段斜率较大的平行管，由于重力作用液相会迅速与气相分离后进入分离段，分离段的斜率及长度要充分考虑气相中的液滴能够沉降到液相中去避免被气相携出气体出口，而储液段则是要充分容纳上游来的液相，避免液相从气体出口排出，从而给下游设备造成影响。

2 应用及研究现状

1959年，科罗拉多洲际天然气管道公司建立了世界上第一台管式段塞流捕集器，该捕集器是由两根275 m，内径0.86 m的管线并联组成，其容积为320 m3，有了这个开端以后管式段塞流捕集器开始被广泛应用于各混输管路终端。1996年挪威国家石油公司在一处理平台设置了分别由四根各长175.26 m、内径1.22 m的平行管束并联而成的两台管式段塞流捕集器，两台捕集器的处理量均可达820 m3；2012年挪威国家石油公司在某油田海管终端设置了两台处理量可达1500 m3的管式段塞流捕集器。

我国在这一领域的研究起步较晚，而且很多技术依赖国外，但是也有很多自主研发的成果，而且在上文提及的荔湾气田，其终点珠海高栏于2013年配备了一台处理量高达7000 m3的管式段塞流捕集器，在这之前，我国的平湖-上海凝析气田混输管路终端、东方1-1路上终端工程以及南海PY30-1海底混输管路终端分别设置了容积不等的管式段塞流捕集器。

由上述可见，随着时代的发展，各国各石油公司采用的管式段塞流捕集器都趋于大型化，因此对其进行合理的设计是很有必要的。

3 主要结构的设计

平行管道数量N：平行管道数量N的确定影响到后续分离段及储液段的负荷，同时N也是确定流速的一个重要参数，一般来说N会被设置成2的指数倍，这是由于分配器的存在而造成的结果，设计之前需要根据实际情况对N进行几种预估，然后将几种设计结果进行适应性和经济性评价，最终确定最优方案。

降液段参数确定：降液管的作用主要是促进气液分离，有些设备由于其实际情况不需要降液段，但増设降液段能有效地加速气液分离，从而减小分离段和储液段的负荷，因此在整体设计上可以减小后续部件的长度，由于降液段通常倾角大而形成的不利因素就是设备高度会因此而提高，在一些实际生产中会带来操作等困难，因此降液段倾角一般以45°为宜，避免造成不切实际的设备高度。降液段还应符合承担的流量应小于40%入口汇管中流量且其内径不宜超过平行管内径的2/3，推荐降液管长度不要少于5倍内径。

分离段参数确定：在计算之前之前需要做一个假设，就是分配器均分来流。要确定其流型转变的临界流速需要用到Taitel和Dukler的研究成果，即段塞流向分层流的临界状态下气体的流速来计算。其长度则是从分配器终点（或降液段终点）到第一根排气立管（气体出口）的距离，要根据之前确定的平行管路数量N和内径D来确定其长度L，分离段的倾角一般取在1%～2%之间，倾角越大分离效果越好，占地面积也小，但要注意避免造成过高的设备高度。

储液段参数确定：储液段的作用就是用来储存大量液体的部分，其容积应当能接受设备运行过程中形成的最大的段塞，否则会导致液体窜入气体出口，给下游设备带来隐患，甚至是全线的停产。一般来说该部分的内径和倾角与分离段相同，但是由于该部分很长，因此在确定倾角的时候应当考虑设备高度，如果设备高度超过允许的范围则应当适当地改变倾角。确定了最大的段塞量和储液段的内径以后就可以根据几何关系来确定储液段的长度。

4 结语

现阶段管式段塞流捕集器是一个比较成熟的设备，但是很多设计仍为了保障安全过度的降低了经济性，这都是归因于技术仍需提高，因此在整个设计的优化方面还是有很多工作值得做的。总的来说，权衡好平行管路的数量，调整好降液段的内径和倾角，将分离段和储液段的倾斜角度和长度优化，精准确定流型转变时的临界流速，这些都可以通过更多的实验和模拟来实现，而且都有助于保障设备安全的同时改善整套设备的经济性。