走向深海，為國加油

趙思奇

中國石油大學（北京）

|推薦單位|

北京熱物理與能源工程學會

1965年，毛澤東主席再一次登上井岡山時寫下《水調歌頭·重上井岡山》一詞。當時，井岡山風景如畫，國內革命形勢大好，一句“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”豪情滿懷，表達了毛主席對中華人民共和國未來的堅定信心。

如今，在中國共產黨的領導下，中華民族早已舊貌變新顏。嫦娥五號探月成功，攜帶月球樣本高速返回地球;神舟十三號再探蒼穹，3位航天員入住太空。奮斗者號下潛深度突破萬米，創造了中國載人深潛的紀錄;海牛二號在2000米深的海底成功打穿了深達231米的鉆孔，不僅創造了世界紀錄，也意味著中國掌握了深海海底礦產開采技術;深海一號輕叩海洋強國之門，中國油氣開發邁入超深水時代。這一項項技術突破，使得“上九天攬月、下五洋捉鱉”不再是一句豪言壯語，而是對中國科技發展的寫實。我們實驗室所致力的氣液分離器，是深海油氣開發的重要一環，希望盡微薄之力為“下五洋捉鱉”點亮一方黑暗。

深海油氣開發環境極為嚴苛，面臨的困難和挑戰頗多，比如，油氣混合物在輸送時氣液兩相存在能量交換和損失，不僅會造成較大的壓力降，還會影響輸送安全，所以要用氣液分離器將油氣分離。傳統使用的重力沉降分離器體積龐大、承壓性差、分離效率低，已經不能滿足深海油氣開發的要求。所以，近年來，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構緊湊、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，混合流體進入傾斜入口管，在重力的作用下氣體和液體會分層，這就達到了預分離效果;隨后混合流沿內壁切向進入豎直筒體，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，而氣相則邊旋轉邊向中心軸線處聚集，最終從頂部的氣相出口排出。

傳統的臥式分離器僅靠重力實現分離，而這種離心力和重力相互耦合的分離機制顯然更加高效。但是，從上部出口管溢出的氣相中，常常會發生裹挾液滴、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，較常見的是對分離器作相應的結構改進，然而，前人并沒有對新結構的設計依據及性能原因作機理解釋;因此，我們課題組開展了以分離器內部流型為切入點、揭示流型特性和分離機理并以此指導結構優化的研究工作。

我們用高速攝像機對入口傾斜管和筒體的流型進行了拍攝，并對視頻逐幀分析后發現，入口傾斜管內的流體主要會呈現出波狀分層流、彈狀流和環狀流3種流型。豎直筒體上部則主要有緞帶流、旋環流和攪混流3種流型。通過大量的實驗對比和觀察測量，我們發現，液相分離效率與入口管和筒體內的流型密切相關，當傾斜入口管內流體為波狀分層流、豎直筒體內流型為旋環流時，分離效果最好，這為后續優化分離器結構提供了直接依據。

我們提出了一種向下分支的雙入口結構，使來流流經分支口時，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，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入筒體時，存在向下的軸向速度分量，所以還會有效地抑制液體上行溢出。

實踐是檢驗真理的唯一標準，那么新結構的分離效果如何呢？我們從實驗觀測和數值模擬兩個方面對單、雙入口分離器進行了對比研究。實驗對比發現，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。數值模擬的結果同樣顯示，由于下分支管的分流作用，進入上部筒體的液量大為減少，液膜厚度也更薄，這顯然達到了抑制液體溢出的作用。新結構的提出，顯著提高了分離效率，為管柱式氣液分離器的進一步廣泛應用再添一份力量，為我國深海油氣開發之路再鋪一塊磚石;這是走向深海的一小步，但像我們一樣千千萬萬人的一小步，就是邁向我國深海油氣開發之路的一大步。

中國石油人將用逢山開路、遇水架橋的闖勁，將創新奮斗進行到底，為實現中華民族偉大復興的中國夢貢獻更大的石油力量。