1气液分离器.doc

气液分离器设计气液分离器设计 结构工程师 査国权 结构工程师 査国权 1212 目录目录 1 1气液分离器结构方案气液分离器结构方案 1 1 11 1结构结构 1 1 21 2 分气原理介绍分气原理介绍 1 2 2 气液分离器的结构设计计算气液分离器的结构设计计算 2 2 1 重力式部分计算重力式部分计算 3 气液分离器设计数据要求 气液分离器设计数据要求 3 2 1 1 计算气锚外壳内径 D1 和吸入管外径 D2 3 2 1 2 计算气锚分离室长度 4 2 1 3 确定进液孔尺寸 4 2 22 2 离心式部分计算离心式部分计算 5 2 2 1 单气泡在螺旋中的运动规律单气泡在螺旋中的运动规律 5 2 2 22 2 2 液气混合物在螺旋内的流量液气混合物在螺旋内的流量 6 2 2 32 2 3 分离器储气部分长度以及直径计算分离器储气部分长度以及直径计算 8 3 3 排气阀部分的计算排气阀部分的计算 8 3 13 1 排气阀直径的选择排气阀直径的选择 8 3 23 2 阀座口结构阀座口结构 9 3 2 1阀座锥角选择阀座锥角选择 9 3 2 2阀座研合宽度阀座研合宽度 9 3 2 33 2 3 阀座外形结构的选择阀座外形结构的选择 9 3 33 3 球阀结构设计计算球阀结构设计计算 10 3 3 13 3 1 研合深度研合深度 10 3 3 23 3 2 阀座孔径阀座孔径 10 3 3 33 3 3 阀口大径阀口大径 10 3 3 43 3 4 阀座端面大径阀座端面大径 10 3 3 53 3 5 心座距心座距 10 3 3 63 3 6 球室高度球室高度 11 3 3 73 3 7 阀座厚度阀座厚度 11 3 43 4 排气阀开启问题分析排气阀开启问题分析 11 4 4 排气导管密封装置的选择排气导管密封装置的选择 12 5 各部分接头的设计各部分接头的设计 12 参考文献参考文献 16 前言前言 现有的气液分离器大多是利用重力作用式和离心作用式 但是由于诸多原因 现在的分离器只能在一定程度上尽量减少气体的进入量 即使气体进入量很小 其对泵效的影响也是不容小觑的 因此设计出效果更好的气锚 仍然是很有必 要的 本设计中的气锚是利用了重力作用式与离心作用式相结合的高效气锚 将重 力分离部未能完全分离的气体在离心分离部分分离出去 以保证高效的抽油效 率 该新型气液分离器适用于气液比较高的油井 在此分离器内设置了单独的 气 液流道 更加有利于气液的分离 该分离器是在泵上冲程抽汲时实现分离 而在泵下冲程时将气体排入油套环空 1 1气液分离器结构方案气液分离器结构方案 1 11 1结构结构 1 21 2 分气原理介绍分气原理介绍 分气过程分为四个阶段 第一阶段是气泡在套管与气锚环形空间进行分离 当气泡随原油流向气锚 时 由于液流方向的改变 在油气密度差的作用下 部分气泡直接上浮到油套 环形空间 第二阶段是进入锚筒的气泡在气锚孔眼部分进行分离 当气液混合物刚进 入锚筒时 液流为水平方向 而气泡有向上的垂直分速 因此在这一区域内 将有部分气泡上浮到锚筒顶部 经过锚筒孔眼排到油套环形空间 第三阶段是锚筒内被液流带至孔眼以下的气泡在锚筒环形空间分离 在锚 筒环形空间的气泡 其中部分直径较大的气泡 因有一定的上浮速度 并不完 全以与液流相同的速度向下流动进入内中心管 必然滞留在锚筒环形空间 活 塞下冲程时 由于液体速度为零 这部分气泡便上浮到锚筒环形空间顶部经过 孔眼进入油套环形空间 图图 3 33 3 第四阶段是被液流携带入中心管的小气泡在螺旋气锚内分离 进入螺旋气 锚的气液混合物 通过螺旋器产生的旋转流动 由于油气密度不同 产生的离 心力使得原油沿螺旋外侧流动 气泡沿螺旋内侧流动 并形成大气泡上升到螺 旋器顶部进入气罩 然后通过单向阀排入油套环形空间 这种气锚将重力型气锚与离心型气锚有机地结合在一起 吸收了两者之长 克服了两者单独使用的不足 2 2 气液分离器的结构设计计算气液分离器的结构设计计算 气液分离器的计算包括 重力分离部分和离心分离部分 重力式部分按照 简单气锚的设计计算来计算 2 1 重力式部分计算重力式部分计算 气液分离器设计数据要求 气液分离器设计数据要求 压力 4Mpa 温度 125 高度 1800cm 直径 1400cm 2 1 1 计算气锚外壳内径 D1 和吸入管外径 D2 如前所述 欲使气锚分气效率最高 一般是取气锚环行空间液流速度 vf等 于需要分离的最小气泡的上浮速度 vd 也就是 vg 0 如果忽略气体密度取 g 0 则公式可改写为 2 0 1 8 d d g v 4 1 式中 0 原油的运动粘度 cm2 s 气锚环形空间流速为 2 22 120 4 60 4 p f D Sn v DD 2 22 12060 P D Sn DD 4 2 式中 vf 气锚环形空间液流流速 cm s Dp 抽油泵活塞直径 cm S 光杆冲程 cm n 冲数 min 1 泵效 D1 气锚外壳内径 cm D2 吸入管外径 cm 0 气锚体积利用系数 其中 0 一般取 0 6 一般也取 0 6 则上面的公式可简化为 2 22 12 60 p f D Sn v DD 4 3 由设计原则 df vv 4 4 将 2 4 带入 5 式得 2 02 12 2 0 03 p D Sn DD d g 4 5 2 1 2 计算气锚分离室长度 为了保证在上冲程泵吸入过程中使分离室内气泡在这一级的分离效率要达 到 90 分离室体积至少要等于泵的一个冲程吸入体积的 90 所以 2 2min 22 012 0 9 p D S l DD 4 6 式中 2min l 气锚分离室最小长度 cm 将上面的已知参数带入上式得 2min l 6700mm 气锚分离室的最大长度 应保证泵在每个排油时间内将需要分离的最小气泡上 浮到气帽内由公式 0 2max 30 d K v l n 4 7 式中 2max l 气锚分离室最大长度 cm 0 K 滑脱经验常数 0 K 取 1 2 公式 4 7 就可以简化为 2 2max 0 20d g l n 4 8 2 1 3 确定进液孔尺寸 进液孔的面积应大于或者等于固定阀座内孔面积的 4 倍 根据原始参数抽 油泵的泵径为 44mm 所以查得 抽油泵阀座孔的内径为 22 5mm 所以 其面积 为 2 2 D S 所以进液孔的面积就应为 4S 明显地 4SS 过 4SS 过 的 所以这样选取也是合理的 2 22 2 离心式部分计算离心式部分计算 离心式气锚分气原理前面已经说到过了 它主要是利用油气以较高速度旋 转流动而产生的紊流及离心力作用将油气分开 为了简化计算程序 特作如下 假设 1 气泡在液体内是均匀分布的 2 气泡在螺旋槽内移动时只考虑离心力场的作用 而忽略重力场的作用 3 液体密度是一致的 4 气液混合物以同一速度在螺旋槽内作旋转运动 因此 在螺旋部分设计中 除应用前面重力式的部分计算外重点要解决以 下几个问题 2 2 1 单气泡在螺旋中的运动规律单气泡在螺旋中的运动规律 根据气泡所受液体的离心力与气泡径向运动的阻力 可得出气泡在螺旋中 的运动微分方程为 2 18dr d dr 4 9 式中 d 气泡在螺旋中的角位移增量 rad r d 气泡在螺旋中的径向位移增量 cm r 气泡旋转半径 即气泡到出口处至气锚中心的径向距离 cm 液体运动粘度 cm2 s 气泡旋转角速度 rad s d 气泡直径 cm 积分公式 4 9 得 2 18 lnr d 4 10 式中 气泡 或液流 从螺旋入口到出口时所走过的角位移 rad 由 的定义可知 2 L b 4 11 式中 L 螺旋长度 cm b 螺距 cm 因为 油气在螺旋中流量油气从进口到出口角位移 角速度 流动截面积油气从进口到出口位移 所以 6 21 21 2 10 2 2 m L q b rrb rrL b 6 22 21 210 m q b rr 4 12 式中 m q 油气混合物在螺旋中的流量 m3 s 1 r 螺旋内半径 cm 2 r 螺旋外半径 cm 将式 4 11 4 12 代入式 4 10 得 2 rr e 4 13 62 222 21 0 7 10 m Ld q rrb 4 14 设计和选择气锚时 应保证 1 rr 才能使气体从液体中分出 进入螺旋芯管 由式 4 14 可以看出 气泡直径愈大 得到的r 愈小 增加螺旋圈数 即增加L和减少b亦可得到小的r 而且减少b更加敏 感 2 r小 得到的r 也小 m q越大 则r 越小 2 2 22 2 2 液气混合物在螺旋内的流量液气混合物在螺旋内的流量 考虑在吸入口压力下 部分气溶解在原油中 并且只有上行程吸入过程气 锚中油气才流动 液气混合物在螺旋内的流量 m3 s 可以用以下式子表达 0 1 43200 OS mOW a QRRp qQQ p 4 15 式中 O Q 日产油量 m3 d W Q 日产水量 m3 d R 气油比 3 3 m m S R 溶解气油比 3 3 m m 0 p 标准大气压 a MP 取 0 1 a MP a p 吸入口压力 绝对 a MP 先计算出 m q 在次要先计算出 O Q W Q 也即是要先算出混合物在螺旋内 的实际流量Q 由于前面已经说到了关于泵的一些参数次处直接引用 所以有 QQ 理 0 6Q 理 按照油井液含油率 5 计算则有 O Q Q 5 W Q O Q Q 计算溶解汽油比 S R 经查阅 油层物理 有公式 0S Rp 式中 0 溶解系数 p 压力 将Q O Q W Q S R代入式 4 15 得 m q 2 2 32 2 3 分离器储气部分长度以及直径计算分离器储气部分长度以及直径计算 计算抽油泵每一冲程抽油量为 2 3 44 4 8 100 6 2 Q 4 4 10 3 3 m 根据前面设定的重力式气锚已经分离出了 90 的气体 所以现在仅剩下 10 的气 体 而气液比 500 3 3 m m 在井下 3 a MP 时就为 16 7 3 3 m m 所以实际剩下的 气体比例为 16 7 10 1 67 3 3 m m 所以在第二级分离中最多能分离出的气体体积为 4 4 10 3 1 67 7 38 10 3 3 m 取储气管内径为 40mm 则其长度为 39 12 7 38 1010 40 2 L 5876mm 由于气体的产出量不是一个稳定值 为了防止气体量有时的突然增加 造成储 气溶剂不够 所以 将 1 L取为 6000mm 3 3 排气阀部分的计算排气阀部分的计算 现已定下储气管的内径 可以按照泵阀的选取原则选取排气阀 选取材料 为 ZAlSi9Mg 铸造铝合金 3 13 1 排气阀直径的选择排气阀直径的选择 阀球直径的大小对阀打开的灵活性和结构布置的合理性有较大影响 有推 荐 阀球直径计算方法 直径为 0 73 6 Q DD 5 1 式中 Q D 阀球直径 mm D 储气管内径 mm 根据计算结果在阀球的直径规格中选取直径最接近的阀球 选择直径为 19 05mm 的阀球 3 23 2 阀座口结构阀座口结构 根据阀座结构形式的不同可分为三类 带护锥式 不完全研合式和圆倒角 式 带护锥式是常用的一种结构 适用于大部分材料制造的阀座 所以此处选 择带护锥式阀座 3 2 1 阀座锥角选择阀座锥角选择 阀座锥角的大小是否适当 往往直接影响抽油泵泵效的好坏 常用阀座锥 角2 取值范围为 45 90 从阀座孔过流面积的大小 密封性能的优劣 泵阀启闭的灵活程度 密封稳定性的好坏和始启瞬间过流面积的大小等角度综 合考虑 2 的理想取值范围为 65 75 推荐2 70 此处选取 2 70 3 2 2 阀座研合宽度阀座研合宽度 阀座研合宽度 a 的大小不但直接影响阀座密封性能和结构 而且会影响阀 座加工难度和生产效率 应合理选择 对于带护锥式的有推荐值 0 4 Q aD 5 2 3 2 33 2 3 阀座外形结构的选择阀座外形结构的选择 根据阀座外形可分为平型 环槽型和台肩型三种 而平型是最常用的一种 而且已经标准化了 所以此处选择平型阀座 图图 5 1 3 33 3 球阀结构设计计算球阀结构设计计算 3 3 13 3 1 研合深度研合深度 有推荐值 0 04 现在只需要计算阀座孔径 阀口大径 阀座端面大径 心座距 球室高度 阀 座厚度 3 3 23 3 2 阀座孔径阀座孔径 有公式 0 cossin Q dDa 5 3 3 3 33 3 3 阀口大径阀口大径 有公式 1 cossin Q dDa 5 4 3 3 43 3 4 阀座端面大径阀座端面大径 有公式 21 0 4ddtg 1 0 28d 5 5 3 3 53 3 5 心座距心座距 有公式 0 5sincos0 4sin30 Q hDa 5 6 3 3 63 3 6 球室高度球室高度 有公式 1Q hhD 5 7 3 3 73 3 7 阀座厚度阀座厚度 根据推荐值选取 当 Q D 50 时 H 12 7mm 3 43 4 排气阀开启问题分析排气阀开启问题分析 本设计中的气体是在泵下冲程时排出的 而有总装图我们可以看到排气阀 阀座内孔端面以上受到的压力和端面以下受到的是有一个差值的 但是在泵上 冲程时 由于泵的抽汲作用 分离室内处于低压状态所以阀座内孔端面以上的 压力就会比其下面小 所以气体在上冲程是不能自动顶开阀球而排出储器管的 当泵下冲程时 泵的抽汲作用就没有了 而此时油层的流体仍然会在上面 300m 液柱的压力下进入分离器 也就在这个过程中 储气管内的压力也会逐渐 升高 最后达到 300m 液柱的压力 而我们知道要顶开阀球 只有阀座内孔端面上 下的压力差在端面面积上 产生的力大于阀球自身的重力 下面计算相关参数 由于阀球选取的材料上铸造铝合金 ZAlSi9Mg 在网上查得密度大概在 33 2 65 10 kg m 左右 取 33 2 65 10 kg m 而前面已经选好阀球的规格为 球径 19 05 mm 所以球的重力为 GVg 5 8 式中 G 为阀球重力 N 为阀球材料的密度 3 kg m g 为重力加速度 2 m s 而根据本设计中的分离器结构 阀座内孔端面上 下的压力差值相当于 7m 高的液柱 储气管长度 螺旋分离室长度 各部分的接头长度 所以它将 在阀座内孔端面上产生的力为 FpA 5 9 式中 F 为气体对阀座内孔端面下部的压力 N P 阀座内孔端面上下的压力差 Pa A 阀座内孔端面面积 3 m 和前面计算结果比较 我们会发现 当泵下冲程 储气管的压力很快就 能回升到能够顶开阀球 所以阀球在泵下冲程时打开是没有问题的 4 4 排气导管密封装置的选择排气导管密封装置的选择 由于本设计中的部件都是固定件无运动件 所以此处的密封也属于静态密封 在选择和设计静态密封连接时 对设计人员来说可供选择的密封元件很多 密封 元件对一种产品或一台设备的质量和使用寿命有着决定性的影响 同时 设计 人员根据选择的种类来确定大部分的设备成本和装配成本 因此 密封件的正确 选择和从属的工艺技术的优化组合体现了产品在多方面达到要求 每一个选择过 程的出发点是使用的可能性和选择方案的合理 根据装配关系 排气导管设计内径为 10mm 而外径为 20mm 所以此处选择 O 型相交圈密封 见下图 6 1 和 6 2 其内径 d1 14mm d2 1 8mm h 1 38mm b 2 4mm 图图 6 16 1 图图 6 26 2 5 各部分接头的设计各部分接头的设计 根据各个部分接头要达到的效果选择了如下四个接头 图图 7 1 上接头 该上接头 根据油管尺寸选择了 7 2 8 油管螺纹 而且根据流体的流向要 求设置了一个交叉流道 在轴向挖的一个幺孔 而在径向做了一个通气孔以便 气体排出 图图 7 2 中间接头 1 这个中间接头要连接外部锚筒同时还要连接内部的螺旋分离装置和储气管 所以外部连接也选择 7 2 8 油管螺纹 而内部的则选择30 1 5M 的普通螺纹连 接 同时这个接头也在轴向的外部做了一个幺孔以便液流通过进入上部的泵吸 入口 图图 7 3 中间接头 2 该接头要求要连接外部油管和下锚筒同时还要连接下部的内中心管 而且 只要求中心管中的液流继续向上流动 而将这部分分离出的气体堵住从进液孔 排出 所以 结构如上图 而外部选择 7 2 8 油管螺纹 而内部则选择 42 1 5M 的普通螺纹 图图 7 4 下接头 这个接头的要求是要连接上部的下锚筒和连接下部的堵头 或者要接的沉 砂管 所以两处都选择 7 2 8 油管螺纹 一个是母锥一个公锥 1 5 6h M42 50 3 0 5 45 1 45 M44 4 56h 3 2 B 0 5 45 0 02 B 50 57 6730 45 A 43 0 02 A 1 6 30 3 2 0 5 45 A