流体机械

参数名称	操作范围
处理气量Q/(m³∙h^-1)	90~390
入口含砂浓度Cs/(kg∙m^-3)	0.24~1.5
入口含液浓度C_L/(kg∙m^-3)	0.49~35
入口砂砾中位粒径d_p/μm	9，125

参数名称	操作范围
处理气量Q/(m³∙h^-1)	90~390
入口含砂浓度Cs/(kg∙m^-3)	0.24~1.5
入口含液浓度C_L/(kg∙m^-3)	0.49~35
入口砂砾中位粒径d_p/μm	9，125

压缩空气储能用井口除砂除液一体化装置分离性能研究

梁世英 ¹ , 王燕 ² , 李昕昊 ³ , 王宗兴 ² , 石玉春 ² , 朱丽云 ³ , 王振波 ³

流体机械 | 设计计算 2026,54(6): 33-41

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (6) : 33 -41

压缩空气储能用井口除砂除液一体化装置分离性能研究

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梁世英¹, 王燕², 李昕昊³, 王宗兴², 石玉春², 朱丽云³, 王振波³

作者信息

¹中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营 257026

²中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026

³中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580

通讯作者:

朱丽云（1987），女，博士，副教授，主要从事多相流动、反应与分离等相关研究，通信地址：266580山东省青岛市黄岛区长江西路66号中国石油大学（华东）新能源学院，E-mail：zlyx415@163.com。

作者简介:

梁世英（1985），男，高级工程师，主要从事油田地面油水分离研究，通信地址：257026山东省东营市东营区济南路125号中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司，E-mail：liangshiying.slyt@sinopec.com。

Study on separation performance of integrated wellhead sand and liquid removal device for compressed air energy storage

Shiying LIANG¹, Yan WANG², Xinhao LI³, Zongxing WANG², Yuchun SHI², Liyun ZHU³, Zhenbo WANG³

Affiliations

¹Sinopec Shengli Oilfield Petroleum Engineering Technology Research Institute，Dongying 257026，China

²Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257026，China

³College of New Energy，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，China

出版时间: 2026-06-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.005

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摘要

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针对现有采出压缩空气深度净化技术存在的分离精度低、压降大等问题，提出了一种耦合沉降、湿式捕集及过滤等多种分离机理的压缩空气储能用井口除砂除液一体化装置，并研究处理气量、入口含砂和含液浓度、砂砾粒度对分离性能的影响。结果表明，随着处理气量和入口含砂浓度增大，除砂及除液效率均先升高后降低，压降增大，除砂除液效率最高分别为99.92%，99.96%，压降最小为0.46 kPa；随着入口含液浓度增大，除砂效率先升高后降低，除液效率升高，压降增大，除砂除液效率最高分别为99.90%，99.98%，压降最小为1.03 kPa；装置处理粒径大的砂砾时，除砂和除液效率均更高，压降更小。所有工况下，除液效率高于99.53%，除砂效率高于99.74%，压降低于6.72 kPa；5，10 μm粒径的颗粒分离效率分别高于97.27%，99.01%；操作工况为处理气量165~240 m³/h，含砂浓度0.45~0.9 kg/m³，含液浓度1.3~7 kg/m³，此范围内除砂除液效率较高，压降较小。本文提出的除砂除液一体化装置可有效去除压缩空气内夹带的砂砾及液滴，为压缩空气进入下游设备进行能源转换提供安全保障，同时为废弃油气藏储能压缩空气净化提供技术参考。

关键词

压缩空气储能 / 三相分离 / 旋流器 / 除砂除液 / 分离性能

Abstract

收起

Based on the issues of low separation accuracy and high pressure drop in existing deep purification processes for produced compressed air，this study proposes an integrated wellhead sand and liquid removal device for compressed air energy storage applications，which couples multiple separation mechanisms including sedimentation，wet capture，and filtration.The effects of gas flow rate，inlet sand concentration，inlet liquid concentration，and sand particle size on separation performance were systematically investigated.The results indicate that as gas flow rate and inlet sand concentration increase，both sand and liquid removal efficiencies first rise and then decline，while pressure drop increases；the maximum sand and liquid removal efficiencies reach 99.92% and 99.96%，respectively，with a minimum pressure drop of 0.46 kPa.As inlet liquid concentration increases，sand removal efficiency first increases and then decreases，liquid removal efficiency increases，and pressure drop rises；the maximum sand and liquid removal efficiencies are 99.90% and 99.98%，respectively，with a minimum pressure drop of 1.03 kPa.When treating sand particles with larger diameters，the device achieves higher sand and liquid removal efficiencies and a lower pressure drop.Under all tested conditions，liquid removal efficiency exceeds 99.53%，sand removal efficiency exceeds 99.74%，and pressure drop remains below 6.72 kPa.The separation efficiencies for particles of 5 μm and 10 μm are higher than 97.27% and 99.01%，respectively.The recommended operating conditions are gas flow rates of 165~240 m³/h，inlet sand concentrations of 0.45~0.9 kg/m³，and inlet liquid concentrations of 1.3~7 kg/m³，within which the device maintains high sand and liquid removal efficiencies and relatively low pressure loss.The proposed integrated wellhead sand and liquid removal device can effectively remove sand particles and liquid droplets entrained in compressed air，thereby ensuring operational safety for downstream energy conversion equipment and providing a technical reference for air purification in compressed air energy storage systems utilizing abandoned oil and gas reservoirs.

Key words

compressed air energy storage / three‑phase separation / cyclone separator / sand and liquid removal / separation performance

引用本文

梁世英, 王燕, 李昕昊, 王宗兴, 石玉春, 朱丽云, 王振波. 压缩空气储能用井口除砂除液一体化装置分离性能研究. 流体机械, 2026 , 54 (6) : 33 -41 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.005

Shiying LIANG, Yan WANG, Xinhao LI, Zongxing WANG, Yuchun SHI, Liyun ZHU, Zhenbo WANG. Study on separation performance of integrated wellhead sand and liquid removal device for compressed air energy storage[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (6) : 33 -41 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.005

正文

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0　引言

收起

全球能源需求的持续增长与周期性波动，使得储能技术在平衡电网负荷、增强能源供应稳定性和推动低碳转型方面变得越来越重要^［1-5］。具备大规模和长周期调节能力的储能技术，现已成为全球能源领域的研究重点^［6-9］。储能技术可分为机械储能、电磁储能、电化学储能和热储能四大类，在机械储能中，压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES）技术因其地理适应性广、建设周期短、环境友好等优势，已成为一种补充性的长期储能解决方案^［10-11］。CAES通过压缩空气来储存能量，在低负荷期间储存高压空气，在高负荷期间释放空气驱动发电机发电，在电网调峰与频率调节方面具有显著的优势^［12］。CAES的储气库类型包括盐穴^［13-15］、人工洞室^［16］、地下含水层^［17-18］和枯竭油气藏^［19-21］。其中，通过废弃油气藏进行压缩空气储能，创新性地利用了废弃油气井^［22］的基础设施，降低建设新设施的成本和环境影响，促进了可再生能源的整合和低碳经济的发展。然而，废弃油气藏存在低渗透、高含水饱和度等复杂的地质特征，在利用废弃油气藏储能后的释能过程中^［23-25］，空气压力高、气量大、流速快，极易裹挟大量固体砂砾。发电设备对废弃油气藏中采出的压缩空气洁净度要求较高，现有井下防砂技术已难以满足现场工况的实际需求，因此，高压空气进入发电设备前，需在井口地面设置高效除砂装置，去除压缩空气中携带的砂砾与液滴。

油气田传统除砂除液技术主要包括：重力沉降式^［26-27］、过滤式^［28］、管式^［29］及旋流式^［30］等。其中，旋流分离技术凭借体积小、处理速度快、分离效率高等优势，得到了广泛应用，但单一分离技术存在占地空间大、压降大、分离效率与精度低等问题，目前行业多采用多种分离技术结合的三相分离设备，郑娟^［31］基于管式旋流分离器模型，结合重力沉降原理，提出了一种气液固三相旋流分离设备；蒋明虎等^［32］通过结构创新，设计了一种内锥型的三相旋流分离器；孙茂生^［33］优化设计了一种气液固三相旋流分离设备，并在不同操作参数下进行试验研究。

废弃油气藏压缩空气储能释能过程中，进入发电设备的压缩空气对除砂除液精度要求严苛，同时对压降损失控制标准极高。现有三相分离设备无法适配该需求，因此，亟需研发适用于废弃油气藏压缩空气储能系统的新型高效地面除砂除液工艺及装置。本文提出一种低压降、高效率的除砂除液一体化装置，通过试验研究不同处理气量、入口含砂浓度、含液浓度及砂砾粒度等参数对除砂除液装置分离性能的影响，可为废弃油气藏储能压缩空气净化系统的方案设计提供基础数据。

1　试验装置及流程

收起

1.1　除砂除液一体化装置

图1示出除砂除液一体化装置示意，装置结构由下至上主要包括湿式捕集段、旋流分离段和过滤分离段。其中，湿式捕集段为一定液位高度的水封，一方面避免气体从旋流器料腿反窜影响离心分离过程，同时可以将两级旋流器分离下的颗粒及时捕集进入水中；另一方面可以捕集两级旋流管间流动的部分颗粒。旋流分离段主要由2根并联的预分离旋流管、1根精分离旋流管、中间连接、中部隔板及中间壳体组成。预分离旋流管与精分离旋流管串联，实现两级串联离心分离；中间连接既可以对两并联的旋流管进行固定，还能够延长携砂的空气从预分离管到精分离管入口的时间，提高颗粒在中间壳体中重力沉降分离效果。过滤分离段主要包括丝网除沫器、上壳体、顶部盖板和出口管，经旋流分离段处理后仍未脱除的微细砂砾与微小液滴，可通过丝网除沫器的拦截、吸附作用实现深度过滤净化，最终洁净的压缩空气经由顶部出口管排出装置。含砂含液压缩空气在装置内部依次完成湿式捕集、两级离心旋流、重力沉降与丝网精细过滤等多机制耦合分离过程，实现高效分离。

1.2　试验流程及装置

为了探究两级旋流离心分离和湿式捕集段的耦合分离效果，设计了一套压缩空气储能井口除砂除液装置试验装置，试验流程示意与装置实物分别如图2、图3所示，试验系统主要由供风系统、雾化系统、供砂系统、测量系统和除砂除液一体化装置共5个部分组成。

供风系统主要包括鼓风机等设备，通过控制鼓风机的输出风量，调节进入装置的主流气量。雾化系统主要由储水槽、水泵、变频器、雾化喷嘴、空气压缩机和调压阀等组成，通过变频器调节水泵运行频率，从储水槽抽取不同流量水体，水体与压缩空气协同进入雾化喷嘴，经喷嘴作用形成粒径可控的微小液滴，实现液相介质的精准雾化。供砂系统包括储砂罐、喷砂枪、空气压缩机和调压阀等，喷砂枪在压缩空气的作用下，将储砂罐中的砂砾均匀掺入鼓风机输出的主流中，以此模拟实际工况中气流携砂的工作状态。由供风系统、雾化系统和供砂系统共同形成以气相为连续相，液相与固相为分散相的三相流，模拟废弃油气藏压缩空气储能释能过程的复杂介质工况。测量系统包括涡街流量计、涡轮流量计、U型管压差计、压力表和电子秤等，可对试验各项参数进行监测。

2　试验方案

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2.1　试验介质

试验介质为石英砂、空气和水。试验选用2种粒径分布的石英砂，粒度分布曲线如图4所示，二者中位粒度分别为9，125 μm，2种石英砂中，粒径小于1 μm的砂砾体积分数分别为0.19%和0.01%，粒径小于5 μm的砂砾分别为33.78%和3.29%，粒径小于10 μm的砂砾分别为61.03%和6.74%。石英砂堆积密度约为1 630 kg/m³，颗粒密度为2 800 kg/m³。

2.2　评价参数及测量方法

2.2.1　总效率

装置的除砂除液总效率采用称重法测定。利用电子秤称量储砂罐与储水槽的质量变化m_r，以此得到进入装置的固相、液相介质质量；出口侧逃逸的固相颗粒与液滴由过滤采集器捕获，如图5所示。该过滤采集器主要由塑料外壳、孔径1  μm的滤布及吸湿滤纸构成。为保证装置出口砂砾与液滴完全被捕集，过滤采集器采用滤布加滤纸的内部结构，试验验证结果表明，当采用四层滤纸加两层滤布时，可以充分捕集出口固相和液相。

测量过滤采集器前后的质量差来确定捕集的固相或液相量m_c，再根据下式计算总效率η：

η = m r - m c m r × 100 %

（1）

2.2.2　压降

试验压降采用压力传感器与U型管压差计进行测量，直接读取除砂除液一体化装置进出口压差。设备实物如图6所示。

2.2.3　粒级效率

由LS 13 320激光衍射粒度分析仪分别测量除砂除液一体化装置入口及出口砂砾颗粒粒径分布

f i n (d p)

和

f o u t (d p)

，装置的粒级效率G（d_p）由下式计算：

G (d p) = 1 - (1 - η) ⋅ f o u t (d p) f i n (d p)

（2）

式中，

d p

为目标颗粒粒度，μm。

2.3　操作参数

结合胜利油田已建成储气库的空气采出实际工况，基于气体状态方程并通过操作工况相似换算，计算出装置入口速度。本试验装置与现场装置结构尺寸相同，当入口速度保持与现场工况一致时，即可保证分离效果相同，经分析确定试验操作参数如表1所示。

3　试验结果

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3.1　不同处理气量下除砂除液一体化装置的分离性能

图7示出在入口含砂浓度0.45 kg/m³，入口含液浓度1.3 kg/m³，砂砾中位粒径125 μm的条件下，不同处理气量下除砂除液一体化装置的分离性能变化。

由图可见，随着处理气量增大，装置内部气体流速升高，核心分离装置预分离旋流管和精分离旋流管内切向速度增大，分散相所受离心力增强，更易于与气体分离^［34］。因此，随着处理气量的增大，装置的除砂效率和除液效率均有所提升，装置最高除砂效率达99.92%，装置最高除液效率达99.96%。当处理气量过大时，一方面，气液固三相在装置内停留时间缩短；另一方面，两级旋流管内易诱发二次流，导致离心分离性能下降^［35］，除液、除砂效率均下降。处理气量Q增大时，装置内气体速度逐渐增大，使得装置内部结构的摩擦阻力损失增大，同时高气量工况下湍流涡数量增多、气流脉动强度增大，除砂除液装置压降持续增大，该试验工况下装置最大压降为6.72 kPa。

图8示出不同处理气量条件下除砂除液一体化装置粒级效率变化。随着处理气量增大，粒级效率先增大后减小，处理气量为240 m³/h时，整体粒级效率最大，装置对粒径大于1，5，10 μm颗粒的分离效率分别在85%，99%，99.33%以上；对粒径大于60 μm的颗粒，脱除效率可达100%。

3.2　不同入口含砂浓度下除砂除液一体化装置的分离性能

图9示出在处理气量90 m³/h，入口含液浓度1.3 kg/m³，砂砾中位粒径125 μm的条件下，不同入口含砂浓度下除砂除液一体化装置分离性能变化。由图可见，随着入口含砂浓度的增大，装置除砂除液效率先增大后减小。砂砾在装置内的浓度刚开始增大时，砂砾与砂砾、砂砾与液滴之间的碰撞概率增大，砂砾易发生“粗粒化”现象^［36-37］，此时“粗粒化”的团聚物更易被分离，除砂除液效率增大，该工况下最高除砂效率和除液效率均达到99.92%。但随着含砂浓度不断增大，使得流体的动能急剧下降，旋流器内离心分离强度大幅减小，导致除砂除液效率降低。随着入口含砂浓度增大，气体携带砂砾增加，砂砾对装置的摩擦也增大，从而导致装置压降增大，但同时砂砾量增多会使得流体的动能下降，流体沿程阻力减小，2种效应相互抵消，装置整体压降基本保持不变，约为0.5 kPa。

图10示出不同入口含砂浓度下除砂除液一体化装置粒级效率变化。随着入口含砂浓度的增大，粒级效率呈现先增大后减小的变化规律。当入口含砂浓度为0.45 kg/m³时，粒级效率整体较大，装置对不同入口含砂浓度下大于1，5，10 μm粒径的颗粒分离效率分别在80%，97.27%，99%以上；对粒径大于60 μm颗粒的脱除效率为100%。

3.3　不同入口含液浓度下除砂除液一体化装置的分离性能

图11示出在处理气量165 m³/h、入口含砂浓度0.45 kg/m³，砂砾中位粒径125 μm的条件下，不同入口含液浓度下除砂除液一体化装置分离性能变化。由图可见，随着入口含液浓度的增大，液滴在装置内的浓度增大，低含液浓度条件下雾化液滴可对固相颗粒产生团聚作用^［38-40］，因此，除砂除液效率增大。但随着入口含液浓度持续增大，雾化效果变差，液相逐渐以连续流的状态进入装置，颗粒捕集效果下降，同时连续液相会扰动旋流离心场，造成除砂效率降低；受连续液相的影响，除液效率趋于稳定。

装置入口含液浓度增大，气相驱动液膜流动带来的能量损耗显著高于壁面摩擦损耗，装置内部气相能量消耗随之增加；与此同时，液滴的撕裂、加速、减速以及壁面碰撞过程会强化流场湍流强度，最终表现为装置压降随进口含液浓度升高而增大，该工况下最大压降为1.33 kPa。

图12示出不同入口含液浓度下除砂除液一体化装置砂砾的粒级效率。整体粒级效率随进口含液浓度升高呈现先增大后减小的变化趋势，在入口含液浓度为22.96 kg/m³时，粒级效率较大。不同入口含液浓度下，装置对粒径大于1，5，10 μm的颗粒分离效率分别在80%，98.5%，99.5%以上，对粒径大于55 μm颗粒脱除效率为100%。

3.4　不同入口砂砾粒度分布下除砂除液一体化装置的分离性能

图13示出在处理气量165 m³/h、入口含砂浓度0.45 kg/m³，入口含液浓度1.3 kg/m³的条件下，2种入口砂砾粒度下除砂除液一体化装置分离性能。因离心分离过程更易分出大粒径的砂砾，同时粒径变大，装置内重力沉降效果变强，因此，入口砂砾粒度分布的中位粒径越大，除砂效率越高。大粒径的砂砾对液滴的吸收效果更好，使得装置的除液效率也会变大。入口砂砾粒度的中位粒径变大，在入口含砂浓度不变的情况下，装置内多数砂砾粒度增大，砂砾的惯性显著增强，较大砂砾会吸收漩涡的动能，从而使得湍流强度衰减，导致装置的压降下降。

图14示出不同入口砂砾粒度分布下除砂除液一体化装置粒级效率。

由图可见，装置对1，5，10 μm粒径的颗粒分离效率分别在91%，99.25%，99.5%以上，对粒径大于60 μm颗粒脱除效率为100%。依据斯托克斯沉降公式^［41］，分散相的离心沉降速度与颗粒直径呈正相关，即颗粒粒径越大，离心分离速度越大，分散相也就越容易被分离。装置对中位粒径125 μm粒度分布的砂砾脱除效率比中位粒径9 μm分布的砂砾高，尤其是对10 μm以下颗粒脱除效果提升明显，该现象源于液相存在条件下，大颗粒可黏附携带细颗粒，细颗粒随——大颗粒在强离心场作用下被脱除。

4　结论

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（1）针对中位粒径125 μm分布的砂砾，随着处理气量的增大，装置的除砂除液总效率先升高后降低，最高除砂效率为99.92%、最高除液效率为99.96%；装置压降随处理气量的增大而升高，最大压降为6.723 kPa；装置对粒径大于1，5，10 μm颗粒的分离效率分别在85%，99%，99.33%以上。

（2）针对中位粒径125 μm分布的砂砾，随着入口含砂浓度升高，装置的除砂除液总效率先升高后降低，最高除砂效率和最高除液效率均为99.92%；压降变化较小，基本保持在0.5 kPa上下；装置对粒径大于1，5，10 μm颗粒的分离效率分别在80%，97.27%，99%以上。

（3）针对中位粒径125 μm分布的砂砾，随着入口含液浓度升高，装置的除砂效率先升高后降低，除液效率升高，最高除砂效率为99.90%、最高除液效率为99.98%；装置压降随进口含液浓度升高而增大，最大压降为1.33 kPa；装置对粒径大于大于1，5，10 μm颗粒的分离效率分别在80%，98.5%，99.5%以上。

（4）装置对中位粒径125 μm分布的砂砾脱除效率比中位粒径9 μm分布的砂砾高，尤其是对于10 μm以下颗粒脱除效果明显。

（5）全部试验工况范围内，装置除砂效率均高于99.53%，除液效率均高于99.74%，粒径大于10 μm颗粒脱除率高于99%，表明所提出的除砂除液一体化装置能够实现油气藏内压缩空气高效低阻的净化要求。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第54卷第6期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.005

接收时间：2025-11-18
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-06-30

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收稿日期：2025-11-18

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¹中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东东营 257026

²中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026

³中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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