走向深海，为国加油

赵思奇

中国石油大学（北京）

|推荐单位|

北京热物理与能源工程学会

1965年，毛泽东主席再一次登上井冈山时写下《水调歌头·重上井冈山》一词。当时，井冈山风景如画，国内革命形势大好，一句“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”豪情满怀，表达了毛主席对中华人民共和国未来的坚定信心。

如今，在中国共产党的领导下，中华民族早已旧貌变新颜。嫦娥五号探月成功，携带月球样本高速返回地球;神舟十三号再探苍穹，3位航天员入住太空。奋斗者号下潜深度突破万米，创造了中国载人深潜的纪录;海牛二号在2000米深的海底成功打穿了深达231米的钻孔，不仅创造了世界纪录，也意味着中国掌握了深海海底矿產开采技术;深海一号轻叩海洋强国之门，中国油气开发迈入超深水时代。这一项项技术突破，使得“上九天揽月、下五洋捉鳖”不再是一句豪言壮语，而是对中国科技发展的写实。我们实验室所致力的气液分离器，是深海油气开发的重要一环，希望尽微薄之力为“下五洋捉鳖”点亮一方黑暗。

深海油气开发环境极为严苛，面临的困难和挑战颇多，比如，油气混合物在输送时气液两相存在能量交换和损失，不仅会造成较大的压力降，还会影响输送安全，所以要用气液分离器将油气分离。传统使用的重力沉降分离器体积庞大、承压性差、分离效率低，已经不能满足深海油气开发的要求。所以，近年来，一种紧凑型分离器——管柱式气液分离器，逐渐取代了重力分离器。

管柱式气液分离器结构紧凑、分离效率高。在同等处理量下，它的直径为卧式分离器的1/4，重量是卧式分离器的1/64。它主要由倾斜入口管、竖直筒体、气相出口管和液相出口管组成。分离时，混合流体进入倾斜入口管，在重力的作用下气体和液体会分层，这就达到了预分离效果;随后混合流沿内壁切向进入竖直筒体，在竖直筒体的上部和下部分别形成气相、液相两股旋流，在离心力和重力的共同作用下，液相被甩到边壁并从底部的液相出口流出，而气相则边旋转边向中心轴线处聚集，最终从顶部的气相出口排出。

传统的卧式分离器仅靠重力实现分离，而这种离心力和重力相互耦合的分离机制显然更加高效。但是，从上部出口管溢出的气相中，常常会发生裹挟液滴、液膜的情况，这是影响管柱式气液分离器的液相分离效率的最主要因素，所以我们把研究重点锁定在了减少液体随气相溢出、提高分离效率上。

前人在提高管柱式气液分离器的分离效率方面做了很多研究，较常见的是对分离器作相应的结构改进，然而，前人并没有对新结构的设计依据及性能原因作机理解释;因此，我们课题组开展了以分离器内部流型为切入点、揭示流型特性和分离机理并以此指导结构优化的研究工作。

我们用高速摄像机对入口倾斜管和筒体的流型进行了拍摄，并对视频逐帧分析后发现，入口倾斜管内的流体主要会呈现出波状分层流、弹状流和环状流3种流型。竖直筒体上部则主要有缎带流、旋环流和搅混流3种流型。通过大量的实验对比和观察测量，我们发现，液相分离效率与入口管和筒体内的流型密切相关，当倾斜入口管内流体为波状分层流、竖直筒体内流型为旋环流时，分离效果最好，这为后续优化分离器结构提供了直接依据。

我们提出了一种向下分支的双入口结构，使来流流经分支口时，在气液两相密度差的作用下，大部分液相从下分支管流入筒体。如此一来，上分支管中由于气液两相表观速度的减小，更容易形成分层流，并且由于上分支管的流体在进入筒体时，存在向下的轴向速度分量，所以还会有效地抑制液体上行溢出。

实践是检验真理的唯一标准，那么新结构的分离效果如何呢？我们从实验观测和数值模拟两个方面对单、双入口分离器进行了对比研究。实验对比发现，在相同工况下，双入口的下分支管中的流型总是分层流，分离效率明显提高。数值模拟的结果同样显示，由于下分支管的分流作用，进入上部筒体的液量大为减少，液膜厚度也更薄，这显然达到了抑制液体溢出的作用。新结构的提出，显著提高了分离效率，为管柱式气液分离器的进一步广泛应用再添一份力量，为我国深海油气开发之路再铺一块砖石;这是走向深海的一小步，但像我们一样千千万万人的一小步，就是迈向我国深海油气开发之路的一大步。

中国石油人将用逢山开路、遇水架桥的闯劲，将创新奋斗进行到底，为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献更大的石油力量。

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