趙思奇

中國(guó)石油大學(xué)（北京）

|推薦單位|

北京熱物理與能源工程學(xué)會(huì)

1965年，毛澤東主席再一次登上井岡山時(shí)寫(xiě)下《水調(diào)歌頭·重上井岡山》一詞。當(dāng)時(shí)，井岡山風(fēng)景如畫(huà)，國(guó)內(nèi)革命形勢(shì)大好，一句“可上九天攬?jiān)?，可下五洋捉鱉”豪情滿懷，表達(dá)了毛主席對(duì)中華人民共和國(guó)未來(lái)的堅(jiān)定信心。

如今，在中國(guó)共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下，中華民族早已舊貌變新顏。嫦娥五號(hào)探月成功，攜帶月球樣本高速返回地球;神舟十三號(hào)再探蒼穹，3位航天員入住太空。奮斗者號(hào)下潛深度突破萬(wàn)米，創(chuàng)造了中國(guó)載人深潛的紀(jì)錄;海牛二號(hào)在2000米深的海底成功打穿了深達(dá)231米的鉆孔，不僅創(chuàng)造了世界紀(jì)錄，也意味著中國(guó)掌握了深海海底礦產(chǎn)開(kāi)采技術(shù);深海一號(hào)輕叩海洋強(qiáng)國(guó)之門(mén)，中國(guó)油氣開(kāi)發(fā)邁入超深水時(shí)代。這一項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)突破，使得“上九天攬?jiān)?、下五洋捉鱉”不再是一句豪言壯語(yǔ)，而是對(duì)中國(guó)科技發(fā)展的寫(xiě)實(shí)。我們實(shí)驗(yàn)室所致力的氣液分離器，是深海油氣開(kāi)發(fā)的重要一環(huán)，希望盡微薄之力為“下五洋捉鱉”點(diǎn)亮一方黑暗。

深海油氣開(kāi)發(fā)環(huán)境極為嚴(yán)苛，面臨的困難和挑戰(zhàn)頗多，比如，油氣混合物在輸送時(shí)氣液兩相存在能量交換和損失，不僅會(huì)造成較大的壓力降，還會(huì)影響輸送安全，所以要用氣液分離器將油氣分離。傳統(tǒng)使用的重力沉降分離器體積龐大、承壓性差、分離效率低，已經(jīng)不能滿足深海油氣開(kāi)發(fā)的要求。所以，近年來(lái)，一種緊湊型分離器——管柱式氣液分離器，逐漸取代了重力分離器。

管柱式氣液分離器結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率高。在同等處理量下，它的直徑為臥式分離器的1/4，重量是臥式分離器的1/64。它主要由傾斜入口管、豎直筒體、氣相出口管和液相出口管組成。分離時(shí)，混合流體進(jìn)入傾斜入口管，在重力的作用下氣體和液體會(huì)分層，這就達(dá)到了預(yù)分離效果;隨后混合流沿內(nèi)壁切向進(jìn)入豎直筒體，在豎直筒體的上部和下部分別形成氣相、液相兩股旋流，在離心力和重力的共同作用下，液相被甩到邊壁并從底部的液相出口流出，而氣相則邊旋轉(zhuǎn)邊向中心軸線處聚集，最終從頂部的氣相出口排出。

傳統(tǒng)的臥式分離器僅靠重力實(shí)現(xiàn)分離，而這種離心力和重力相互耦合的分離機(jī)制顯然更加高效。但是，從上部出口管溢出的氣相中，常常會(huì)發(fā)生裹挾液滴、液膜的情況，這是影響管柱式氣液分離器的液相分離效率的最主要因素，所以我們把研究重點(diǎn)鎖定在了減少液體隨氣相溢出、提高分離效率上。

前人在提高管柱式氣液分離器的分離效率方面做了很多研究，較常見(jiàn)的是對(duì)分離器作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，然而，前人并沒(méi)有對(duì)新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)及性能原因作機(jī)理解釋;因此，我們課題組開(kāi)展了以分離器內(nèi)部流型為切入點(diǎn)、揭示流型特性和分離機(jī)理并以此指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究工作。

我們用高速攝像機(jī)對(duì)入口傾斜管和筒體的流型進(jìn)行了拍攝，并對(duì)視頻逐幀分析后發(fā)現(xiàn)，入口傾斜管內(nèi)的流體主要會(huì)呈現(xiàn)出波狀分層流、彈狀流和環(huán)狀流3種流型。豎直筒體上部則主要有緞帶流、旋環(huán)流和攪混流3種流型。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和觀察測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)，液相分離效率與入口管和筒體內(nèi)的流型密切相關(guān)，當(dāng)傾斜入口管內(nèi)流體為波狀分層流、豎直筒體內(nèi)流型為旋環(huán)流時(shí)，分離效果最好，這為后續(xù)優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)提供了直接依據(jù)。

我們提出了一種向下分支的雙入口結(jié)構(gòu)，使來(lái)流流經(jīng)分支口時(shí)，在氣液兩相密度差的作用下，大部分液相從下分支管流入筒體。如此一來(lái)，上分支管中由于氣液兩相表觀速度的減小，更容易形成分層流，并且由于上分支管的流體在進(jìn)入筒體時(shí)，存在向下的軸向速度分量，所以還會(huì)有效地抑制液體上行溢出。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，那么新結(jié)構(gòu)的分離效果如何呢？我們從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面對(duì)單、雙入口分離器進(jìn)行了對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同工況下，雙入口的下分支管中的流型總是分層流，分離效率明顯提高。數(shù)值模擬的結(jié)果同樣顯示，由于下分支管的分流作用，進(jìn)入上部筒體的液量大為減少，液膜厚度也更薄，這顯然達(dá)到了抑制液體溢出的作用。新結(jié)構(gòu)的提出，顯著提高了分離效率，為管柱式氣液分離器的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用再添一份力量，為我國(guó)深海油氣開(kāi)發(fā)之路再鋪一塊磚石;這是走向深海的一小步，但像我們一樣千千萬(wàn)萬(wàn)人的一小步，就是邁向我國(guó)深海油氣開(kāi)發(fā)之路的一大步。

中國(guó)石油人將用逢山開(kāi)路、遇水架橋的闖勁，將創(chuàng)新奮斗進(jìn)行到底，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)貢獻(xiàn)更大的石油力量。