一种基于数字孪生的气液分离系统及分流比实时调控方法与流程

本发明涉及气液分离，特别涉及一种基于数字孪生的气液分离系统及分流比实时调控方法。

背景技术：

1、数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

2、在深海油田开采过程中，电潜泵是最常用的油田采出液的举升设备之一。据统计，全球有超过20万多口井采用电潜泵进行开采。电潜泵的性能直接影响着油田的开采量。随着油田深入开采，高含气井将不断增加。井液中气体浓度过高会使潜油电泵的工作性能(潜油电泵的排量、扬程和效率)降低。严重时还会造成气锁。为保证电潜泵的正常运行，需将井液流入潜油电泵前进行脱气处理。将其含气率降低至满足潜油电泵高效工作范畴。预先增设气液分离装置，将气液两相混合流分离，确保只有液相进入潜油电泵中，这将尤为重要。

3、流液中的脱气处理是气液分离过程，目前气液分离的方法有：重力沉降分离、过滤分离、惯性分离和旋流离心分离，其中最常见的是旋流离心分离，旋流离心分离技术是一种利用液体或气体在旋转流场中离心分离的过程。一般情况下，采用静态分离装置很难实现高效的气液分离。由于装置产生的离心力受黏度影响较大，采用旋转式气液分离装置能够很好地规避这一缺点，能够实现高效的气液分离。此外，在实际采用工况中，由于泵的失效、地壳震动等都会造成流液呈现脉动流情况。为呈现更加真实工况环境，研究入口流液为脉动流更为必要。并且分流比对不同含气率流液的分离性能有显著性的影响，分流比是指气相出口和液相出口的流量之比；例如：入口20％含气率，气相出口与液相出口的分流比为0.2:0.8；入口30％含气率，气相出口与液相出口的分流比为0.3:0.7，这种分流比条件下的分离效率达到最佳。但是目前，针对气液分离研究主要集中在入口恒定流条件下，忽略了实际工况的变化，并且没有考虑不同含气率与分流比匹配问题。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种基于数字孪生的气液分离系统及分流比实时调控方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、本发明的一种基于数字孪生的气液分离系统，包括进气模块、进液模块、气液混合罐、气液分离装置和控制模块，所述进气模块和进液模块分别向气液混合罐输送气体流和脉动的液体流，气液混合罐的出口与气液分离装置的入口连接，气液分离装置的气相出口外连接有出气阀，气液分离装置的液相出口外连接有出液阀，所述进液模块包括第一液体流量计和第一压力表，所述进气模块包括第一气体流量计和第二压力表，所述控制模块根据第一液体流量计、第一压力表、第一气体流量计和第二压力表监测的数据得出气液分离装置入口处的含气率，所述控制模块分别与出气阀和出液阀通讯连接，所述控制模块通过含气率控制出气阀和出液阀的开度。

4、进一步地，所述进液模块包括依次连接的液箱、泵、第一阀门、第一液体流量计和第一压力表，信号发生器与泵的泵电控箱通讯连接，信号发生器用于产生脉动信号。

5、进一步地，所述进气模块包括依次连接的空气压缩机、干燥机、第一缓冲罐、第二阀门、第一气体流量计和第二压力表，所述气液混合罐和气液分离装置之间设有第三压力表。

6、进一步地，所述气液分离装置包括固定管、旋转轴和电机，所述电机带动旋转轴在固定管内转动，所述旋转轴上由入口向出口方向依次设有螺旋诱导叶片、过渡叶片、分离叶片和气相出口管，所述螺旋诱导叶片呈沿旋转轴轴向设置的单螺旋状，多个所述过渡叶片和分离叶片分别沿旋转轴的周向均匀分布，所述螺旋诱导叶片、过渡叶片和分离叶片的外壁与固定管的内壁分别设有间隔，所述气相出口管的内壁与旋转轴的外壁设有间隔。

7、进一步地，所述过渡叶片呈螺旋状，所述分离叶片对应各个相邻的过渡叶片的中间设置，所述分离叶片呈直线板状。

8、进一步地，所述分离叶片的一端伸入相邻的过渡叶片围成的空间内。

9、进一步地，所述出液阀的下游与所述液箱连接，所述液箱的上部设有气体通道，所述气体通道上设有第二气体流量计，所述出液阀与液箱之间设有第四压力表。

10、进一步地，所述出气阀的下游与第二缓冲罐连接，所述第二缓冲罐的下部设有液体通道，所述液体通道回流至所述液箱，所述液体通道上设有第二液体流量计，所述出气阀与第二缓冲罐之间设有第五压力表。

11、本发明的一种如前所述的基于数字孪生的气液分离系统的分流比实时调控方法，包括以下步骤：

12、基于第一气体流量计与第一液体流量计监测的气液两相的流量，基于第一压力表与第二压力表实时监测的气液两相的压力，控制模块计算气液分离装置入口处的含气率，计算公式为：

13、

14、其中，pb1为经空气压缩机压缩后的气相压力，qb1为经空气压缩机压缩后的气相流量，po2为液相流经气液混合罐后的压力，qo2为流经气液混合罐后的液相流量；

15、对比含气率的计算值与含气率的预设目标值，当含气率的计算值偏离预设目标值时，控制模块将对比结果实时反馈到出气阀和出液阀的阀门电控箱，通过阀门电控箱电动调节出气阀和出液阀的开度以调节气相出口和液相出口的分流比。

16、进一步地，若含气率的预设目标值为a，则气相出口与液相出口的分流比的目标数值为a:1-a。

17、综上，本发明的技术效果和优点：

18、本申请采用旋转式气液分离装置为研究对象，从入口为脉动流态以及不同含气率工况下进行研究分析，提出的气液分离系统不仅能实现气液分离装置的入口为脉动流，更加贴合实际工况下的流液流态，还能通过实时监测入口含气率自动调整分流比，实现气液两相的高效分离，实现更高质量的气体和液体分离，减少不纯度。

技术特征：

1.一种基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，包括进气模块、进液模块、气液混合罐、气液分离装置和控制模块，所述进气模块和进液模块分别向气液混合罐输送气体流和脉动的液体流，气液混合罐的出口与气液分离装置的入口连接，气液分离装置的气相出口外连接有出气阀，气液分离装置的液相出口外连接有出液阀，所述进液模块包括第一液体流量计和第一压力表，所述进气模块包括第一气体流量计和第二压力表，所述控制模块根据第一液体流量计、第一压力表、第一气体流量计和第二压力表监测的数据得出气液分离装置入口处的含气率，所述控制模块分别与出气阀和出液阀通讯连接，所述控制模块通过含气率控制出气阀和出液阀的开度。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述进液模块包括依次连接的液箱、泵、第一阀门、第一液体流量计和第一压力表，信号发生器与泵的泵电控箱通讯连接，信号发生器用于产生脉动信号。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述进气模块包括依次连接的空气压缩机、干燥机、第一缓冲罐、第二阀门、第一气体流量计和第二压力表，所述气液混合罐和气液分离装置之间设有第三压力表。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述气液分离装置包括固定管、旋转轴和电机，所述电机带动旋转轴在固定管内转动，所述旋转轴上由入口向出口方向依次设有螺旋诱导叶片、过渡叶片、分离叶片和气相出口管，所述螺旋诱导叶片呈沿旋转轴轴向设置的单螺旋状，多个所述过渡叶片和分离叶片分别沿旋转轴的周向均匀分布，所述螺旋诱导叶片、过渡叶片和分离叶片的外壁与固定管的内壁分别设有间隔，所述气相出口管的内壁与旋转轴的外壁设有间隔。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述过渡叶片呈螺旋状，所述分离叶片对应各个相邻的过渡叶片的中间设置，所述分离叶片呈直线板状。

6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述分离叶片的一端伸入相邻的过渡叶片围成的空间内。

7.根据权利要求2所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述出液阀的下游与所述液箱连接，所述液箱的上部设有气体通道，所述气体通道上设有第二气体流量计，所述出液阀与液箱之间设有第四压力表。

8.根据权利要求2所述的基于数字孪生的气液分离系统，其特征在于，所述出气阀的下游与第二缓冲罐连接，所述第二缓冲罐的下部设有液体通道，所述液体通道回流至所述液箱，所述液体通道上设有第二液体流量计，所述出气阀与第二缓冲罐之间设有第五压力表。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于数字孪生的气液分离系统的分流比实时调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的基于数字孪生的气液分离系统的分流比实时调控方法，其特征在于，若含气率的预设目标值为a，则气相出口与液相出口的分流比的目标数值为a:1-a。

技术总结本发明公开了一种基于数字孪生的气液分离系统及分流比实时调控方法，气液分离装置的气相出口和液相出口外分别连接有出气阀和出液阀，控制模块根据第一液体流量计、第一压力表、第一气体流量计和第二压力表监测的数据得出气液分离装置入口处的含气率，控制模块分别与出气阀和出液阀通讯连接，控制模块通过含气率控制出气阀和出液阀的开度。本申请采用旋转式气液分离装置为研究对象，从入口为脉动流态以及不同含气率工况下进行研究分析，不仅能实现气液分离装置的入口为脉动流，更加贴合实际工况下的流液流态，还能通过实时监测入口含气率自动调整分流比，实现气液两相的高效分离，实现更高质量的气体和液体分离，减少不纯度。技术研发人员：付军,杜丹阳,何超,张嵘,史轩玮,黄锐,栾德爵,周岭,苗杰受保护的技术使用者：中海油能源发展股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23