普光气田集气总站段塞流捕集装置研究与设计

张军

中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026

普光气田集气总站段塞流捕集装置研究与设计

张军

中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026

普光气田集气总站在批处理作业时存在大量段塞流，给净化厂的生产带来较大的影响，在集气总站合理选择和增设一套段塞流捕集装置，可确保集气总站和净化厂的安全运行。文章用OLGA软件模拟计算了管段正常生产和批处理工况下的段塞流量，在此基础上，结合集气总站目前的布局，合理选择与应用了段塞流捕集装置，较好地解决了工程问题。

普光气田；段塞流捕集装置；批处理；数值模拟；OLGA

1 普光气田集气总站运行中存在的问题

1.1 原设计情况

普光气田采用全湿气加热保温混输工艺，采出气集中输送到集气总站的生产分离器分水，分出的生产污水经污水缓冲罐和污水汽提塔汽提后送至污水站处理后回注，含饱和水蒸气的酸气送至净化厂。设计污水来源主要为凝析水和地层水，其中凝结水量为5 m3/100万m3天然气，中部井站地层水量为5 m3/100万m3天然气，边缘井站地层水量为40 m3/100万m3天然气，按照配产，边缘井站的地层水量总共98 m3/d，集气总站污水量共计约为500 m3/d。边缘井站设计了3套井口分水分离器，其他井站预留了井口分水分离器位置，根据井站出水情况以后可增设井口分水分离器。

集气总站共设置4台生产分离器，负责普光气田4条主干线送来的酸气的分离和计量，4条干线的酸气一对一进入4台生产分离器分离和计量，1#和2#干线酸气汇合为一路管汇到净化厂西区，3#和4#干线酸气汇合为一路管汇到净化厂东区，两路管汇之间由阀门连通。集气总站设计流程见图1。

图1 集气总站设计流程示意

1.2 生产状况

气井投产以来，部分气井已开始产出游离水，在正常生产情况下，集气总站生产分离器处理的气量和液量见表1。

表1 集气总站生产分离器正常生产数据

由表1可知，1#生产分离器的产液量最多，为170 m3/d，进入生产分离器的液量为0.12 m3/min，而生产分离器最大排液量为1.5 m3/min，生产分离器运行正常，不会出现原料气携液量短时间内急剧增加的现象，净化厂的两级分离器液位正常。

1.3 批处理时段塞流情况

当上游集气站定期进行清管作业（批处理）时，短时间会有大量积存的液相从上游被带过来，形成较大的段塞流。目前集气总站1#、2#、3#、4#生产分离器在批处理工况下的段塞流情况见表2。

由表2可知，2#干线在清管的78 min时，进入2#生产分离器的段塞流量为252 m3，生产分离器最大排量为1.5 m3/min，78 min内分离器的最大总排量为117 m3，也就是说有135 m3的液量无法排出而储存在分离器中，生产分离器设计的最大储量为20 m3，超出了生产分离器的处理能力。

表2 集气总站生产分离器批处理时段塞流情况

1.4 存在的问题

普光气田天然气净化厂和地面集输系统于2009年已投产，目前运行基本正常，但随着气田开发的不断深入，气井产液量不断增加，集气站未设置分离器分水，气体和液体随集输管网进入集气总站，上游集气站批处理过程中，生产分离器出现分液能力不足、分离效率下降等问题，原料气携液量短时间内急剧增加，原料气携带一定量含氯液体进入净化装置，超出装置内过滤器的过滤聚结能力，含液的酸气进入脱硫单元，进一步进入胺液系统，污染了胺液，给净化厂的生产造成较大的影响。

2 段塞流模拟与分析

2.1 段塞流模拟软件

OLGA 2000是当今世界领先的全动态多相流模拟计算软件，可以模拟处于油井、输油管道和油气处理设备中的油、气和水的运动状态。段塞流捕集装置的设计是OLGA 2000应用的一个方面。

2.2 段塞流模拟

运用OLGA 2000多相流瞬态模拟软件对正常工况和清管批处理阶段的混输管道进行段塞流跟踪模拟，由此获取管道运行的工况、最大的液塞量和持续的时间。以1#管道P102集气站至集气总站为例，管道长度6.8 km，规格为D 508 mm×22.2 mm，管道沿线高程见图2。

2.2.1 正常生产时的段塞流模拟

在正常生产情况下，经OLGA 2000软件模拟，1#管道出现的滞液量变化情况见图3，纵坐标表示管道内滞液量，横坐标表示时间。

从图3中可以看出，产生的段塞流量与管道内滞液量随时间变化的快慢有关系。一定时间内，管道内滞液量变化快，产生的段塞流量大。管道内部气液流动本身是多相流动，虽然没有形成段塞，但已经不是稳定的流动了，流动过程中开始出现周期性的变化。所有管道滞液量的变化总时间按照6 h计算，如果再往后计算，会出现类似的波动。图3中所示滞液量在48～51.5 m3之间变化，为周期变化中的最高值。正常工况下，模拟的相关数值见表3。

图2 P102至集气总站管段高程-里程图

图31 #管道正常生产时滞液量的变化曲线

表3 正常工况下的模拟数值

正常工况下，1#管道产生的最高液塞量为4.52m3，可见，在气液混输正常工况下，管道所产生的段塞流量较小，不会出现原料气携液量短时间内急剧增加的现象。

2.2.2 批处理工况下的段塞流模拟

批处理工况下1#管道出现的滞液量变化情况见图4。

从图4可以看出，当清管器从管道中出来时，管道内液体的滞液量发生突变，液塞量比正常工况下大很多，由软件模拟得到的数值见表4。从表4中可知，在1#管道批处理工况下，清管产生的最大液塞量为95.4 m3。

在清管作业中清管器推动气相和液相前进，当混合物继续向前流动时，压力降低，气体不断膨胀，含气率增加，小气泡相互碰撞形成大气泡，其直径接近于管径，快速运动的段塞流超越其前面缓慢移动的液膜，形成不稳定的压力波向前传递，最终导致段塞流成股的出现。由软件模拟可知，当1#管道进行批处理作业时，清管产生的最大液塞量为95.4 m3，与生产数据对照，最大液塞量在120 m3左右，倘若不在天然气输送至净化厂之前消除掉，将对管道下游的设备，特别是处理厂原料气的携液量、压力波动产生严重影响。

图4 1#管道批处理工况下滞液量的变化曲线

表4 批处理工况下的模拟数值

3 段塞流捕集装置选型与设计

3.1 段塞流捕集装置简介

段塞流捕集装置能够有效捕集和分离管道输送气相中的液体，消除对后续处理设备的冲击，保证后续设备的平稳运行，此外，在最大液塞到达时，可作为带压液体的临时储存器，平衡来流和去流，连续向下游供气。段塞流捕集装置可分为传统容器式、指式和容积式等。

欧阳修致力于收集古金石拓本，积至千卷，又将其为拓本所作题跋汇集，编为《集古录》(亦称《集古录跋尾》)一书，其子欧阳棐又编次其目，成《集古录目》。从内容上讲，这两本书显然各有不同，一则近于文章评论与史学考证，一则为专门目录；但从文献形态而言，二者皆以书籍的面目出现并传世。对朱熹来说，这些“古金石”的吸引力不仅来自其作为古物的一面，更是来自其作为文本或文献的一面，他更看重的是其“古金石文字”的属性。他将欧、赵二书进行比较，指出《金石录》“铨序益条理，考证益精博”，也着眼于其书籍与文献的属性，而无关于古物的收藏。从这一段话中也可以看出，在朱子看来，金石学与书籍及文献都有密切的关系。

3.1.1 传统容器式段塞流捕集装置

容器式捕集器的基本结构与卧式分离器类似[1]，由卧式容器及相应的段塞流入口、气体和液体排出口组成。容器内一般设有除雾器，以提高液滴的分离效果。在液相排出口，一般设有防涡器，以避免气相混在液体中排出。

3.1.2 指式段塞流捕集装置

指式段塞流捕集装置包括入口分离段和贮存段两部分[2-3]。入口分离段用于气液分离；贮存段是一组微下倾的平行管段，用于贮存液体，常用标准直径的管段制造。

3.1.3 容积式段塞流捕集器

容积式段塞流捕集装置是在传统容器式段塞流捕集装置的基础上改进而来。它主要包括段塞流缓冲器、段塞流储液器、收集器、控制系统等。段塞流缓冲器的作用是减缓段塞的冲击能量，将不稳定的气液两相流转化成稳定的两相流，气相通向缓冲器的气相出口，液相进入储液器。储液器不承担气液分离任务，仅用于液体的缓冲与储存，这样可以增大储液器的容积系数，见图5。

图5 容积式段塞流捕集器结构

3.2 段塞流捕集装置的比选与应用

相同处理能力的指式与容积式段塞流捕集装置对比见表5。

表5 指式与容积式段塞流捕集装置的对比

由表5可知，指式段塞流捕集装置太长，不适应普光集气总站目前总体布局要求。

3.2.2 传统容器式与容积式段塞流捕集装置的比较（见表6）

由表6可知，容积式段塞流捕集装置与传统容器式段塞流捕集装置相比，容积率大，最低液位低，同样的处理能力，容积式尺寸小，占地面积小。

表6 传统容器式与容积式段塞流捕集装置对比

容积式段塞流捕集装置满足普光集气总站总体布局要求。该段塞流捕集装置由缓冲器和储液器组成，缓冲器主要是消除段塞流，使气、液两相分离；而储存器的作用是储存段塞流的液体。二者相辅相成，共同将批处理产生的段塞流消除。

通过为集气总站增设段塞流捕集器，解决了管道批处理工况下生产分离器分离能力不足，原料气携液量短时间内急剧增加的问题，保障了净化厂的安全生产。

[1]梁金强，赵晓梅，苏红莉，等.段塞流捕集器[J].油气田地面工程，2012，（9）：99.

[2]冯叔初，郭揆常，王学敏.油气集输[M].东营：石油大学出版社，1988：75-90.

[3]李玉星，刘红波，姜昊，等.管式液塞捕集器设计及性能测试研究[J].天然气工业，2009，29（12）：71-74.

Research and Design of Slug Catcher at Gas Gathering General Station in Puguang Gas Field

Zhang J un
Sinopec Petroleum Engineering DesignCo.，Ltd.，Dongying 257026，China

There is a large amount of slug flow in batch operation at Gas Gathering General Station in Puguang Gas Field，which affects normal operation of the Purification Plant.To solve this problem，a set of slug catcher should be selected and installed at Gas Gathering General Station.The slug flow rates in a pipeline section under normal production and batch operation are calculated respectively by using OLGA software.Based on the calculation results and the layout of Gas Gathering General Station at present，a set of slug catcher is rationally selected，installed and applied，and the slug flow problem is bettersolved.

Puguang Gas Field；slug catcher；batchoperation；numericalsimulation；OLGA

图片报道：普光气田集气总站全景

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.014

张军（1983-），男，湖北南漳人，工程师，2005年毕业于中国石油大学（华东）化学工程与工艺专业，现主要从事油气加工与储运工作。

2015-01-06