北石化設計研發的高通量管式動態渦流分離器入選國家能源領域首臺（套）重大技術裝備
2025年9月19日，國家能源局發布2025年第4號公告，決定將82項技術裝備列為第五批能源領域首臺（套）重大技術裝備，源起北京石油化工學院、由中海油研究總院推動聯合研發的高通量管式動態渦流分離器成功入選。能源領域首臺（套）重大技術裝備屬于國內率先實現重大技術突破、擁有自主知識產權、尚未批量取得市場業績的能源領域關鍵技術裝備。高通量管式動態渦流分離器的入選，標志著我校環保多相流高效分離技術與設備研究團隊自2009年確定選題、啟動室內設計研發工作以來，歷經逾十五年技術攻關，實現了高通量管式動態渦流分離技術從“書架”到“貨架”的跨越。
前瞻選題，管式動態渦流分離技術研究起步行蹣跚
進入21世紀后，我國油氣對外依存度逐年大幅攀升，能源安全風險大增。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》遂將能源列為11大重點領域之首，并提出設立“大型油氣田及煤層氣開發”國家科技重大專項。醞釀組建環保多相流高效分離技術與設備研究團隊的陳家慶教授，在主持承擔國家863計劃資源與環境技術領域2007年度專題課題等研究任務的同時，抓住東部老油田即將進入“雙高”開發階段而亟需緊湊高效油水分離設備之契機，安排姬宜朋副教授將管式動態渦流分離技術作為其博士學位論文選題，2009年正式開始相關研究。
起步階段，在學習借鑒美國EVTN公司Voraxial分離器工作原理的基礎上，姬宜朋副教授運用渦動力學理論和流體機械設計方法，研制了第一代管式動態渦流分離器室內可視化原理樣機。然后采用計算流體動力學（CFD）數值模擬等手段，對分離器內部復雜流場分布、油水分離效率等指標進行量化分析設計，研發了處理量為120噸/天的第一代管式動態渦流分離器現場實驗樣機。依托中國石化中原油田科研項目等支持，團隊先后在中國石化中原油田采油一廠79號計量站、中海油天津分公司秦皇島（QHD）32-6油田、中海油深圳分公司流花（LH）11-1油田開展了三次現場試驗。結果表明，當處理原油比重低于0.93的油田采出水時，分離效率穩定保持在85%以上，優于同比運行的常規靜態旋流分離設備，初步證明具有單管處理量大、壓力損失小等顯著優勢。
2015年，基于前期技術積累，團隊進一步開展管式動態渦流分離器結構放大設計，自籌資金研制了處理量3000噸/天的第一代管式動態渦流分離器工程樣機。當工程樣機從北京運至中海油深圳分公司流花（LH）11-1油田進行現場測試時，因路途顛簸震動機械密封發生泄漏，致使設備無法正常運行，姬宜朋副教授雖全力搶修但仍未能解決問題，工程樣機首次海上試驗以“折戟沉沙”告終。該項技術隨后進入了四年多的靜默期，使團隊成員深刻認識到科學設計方法和嚴格質量控制對于高新技術產品的重要性。
鍥而不舍，管式動態渦流分離技術研究迎來新轉機
國內石油產量自2015年達到2.146億噸的高峰后，連續三年下降至2018年的1.89億噸。為守住國內原油產量2億噸這一安全紅線，國家自2019年起實施了“七年增儲上產行動計劃”。在國內“原油增產關鍵在海上，海上原油增產關鍵在海油”成為共識的背景下，中海油研究總院海洋油氣高效開發中心張健教授級高工團隊勇于破除陳見，于2019年6月來環保多相流高效分離技術與設備研究團隊正式洽談科研合作，使管式動態渦流分離技術再次落地應用迎來了轉機。經中海油研究總院和北京石油化工學院等聯合精心準備，2020年下半年成功獲批國家自然科學基金企業創新發展聯合基金重點支持項目“面向海上聚驅采出水的油滴-微泡團聚機理及其協同動態旋流預除油特性研究”(U20B2030)，為管式動態渦流分離技術革新按下了“加速鍵”。姬宜朋副教授基于封閉空間內同步旋轉流體的無剪切特性，創新構建了強旋流流場低剪切起旋元件設計方法，同時發明了“逆向控氣+順流收油”分離新結構。
得益于中海油研究總院王秀軍高工的強力組織統籌，產學研聯合團隊穩扎穩打再出發。首先研制了處理量120噸/天的第二代低剪切管式動態渦流分離器現場實驗樣機。2020年10月，在中海油天津分公司綏中（SZ）36-1油田CEPK平臺，驗證了“加藥破乳+微氣泡”強化管式動態渦流分離器處理稠油聚驅生產水的可行性，在最優工況下平均除油率達72%；2021年9月，在中海油湛江分公司潿洲（WZ）12-1油田PUQB中心處理平臺完成現場試驗，最優工況下平均分離效率為81.5%，較同平臺在役靜態水力旋流器高出20%。上述工作不僅接續驗證了第二代低剪切管式動態渦流分離技術的有效性，還大幅拓展了適用場景范圍，為工程樣機研發奠定了堅實基礎。
處理量120噸/天第二代低剪切管式動態渦流分離器實驗樣機現場試驗的成功，堅定了中海油研究總院繼續資助支持和加速工程樣機研發的信心。2023年5月下旬，處理量3000噸/天的第二代管式動態渦流分離器工程樣機在中海油湛江分公司潿洲（WZ）12-1油田PUQB中心處理平臺開展現場試驗，最高分離效率達80%，顯著高于平臺現有“生產水緩沖罐+水力旋流器”組合的分離效率。2023年6月下旬，樣機轉戰中海油天津分公司曹妃甸（CFD）11-1油田CEPJ平臺開展現場試驗，最高分離效率達92%。在兩次現場試驗均獲成功的基礎上，該樣機被運往天津分公司歧口（QK）17-2油田WPH3平臺，同年12月完成固化安裝。
第二代低剪切管式動態渦流分離器工程樣機現場試驗的成功和固化安裝，不僅標志著該技術向工業化應用邁出了堅實一步，還有力支撐了國家自然科學基金重點支持項目結題驗收評級為A。
革故鼎新，管式動態渦流分離器成功實現工業應用
鑒于處理量3000噸/天第二代管式動態渦流分離器工程樣機的優良表現，中海油天津分公司曹妃甸（CFD）11-1油田CEPJ平臺2023年7月提出采用處理量10000噸/天管式動態渦流分離器進行平臺提液增產的需求。在中海油研究總院的牽頭組織下，團隊姬宜朋副教授主持攻關，完成結構初步放大設計后再采用CFD數值模擬手段進行優化，并對密封冷卻方案等進行多次整改，最終在半年內成功研發出處理量10000噸/天管式動態渦流分離器工業產品，2025年1月成功交付平臺。為保障工業產品順利投產，姬宜朋副教授克服重重困難，在調試關鍵階段全程駐場，單次駐留海上平臺就長達42天（接近國際海上平臺作業人員極限標準），為設備順利投用提供了堅實保障，在國際上首次實現處理量10000噸/天管式動態渦流分離技術的工業應用。
2024年8月，中海油湛江分公司提出采用管式動態渦流分離器處理平臺采出液的新需求，其中7500噸/天管式預分水器和5000噸/天管式除油器為基于管式動態渦流分離技術開發。為提高設備的長周期運行可靠性，在中海油研究總院王秀軍高工的提議推動下，姬宜朋副教授設計研制了具有自冷卻功能的磁力傳動系統。2024年12月，采用自冷卻磁力傳動的7500噸/天管式動態渦流預分水器和5000噸/天管式動態渦流除油器在潿洲（WZ）12-1油田PUQB平臺完成安裝調試，隨即順利交付生產運行。
曹妃甸（CFD）11-1油田CEPJ平臺和潿洲（WZ）12-1油田PUQB平臺截至目前的持續穩定運行結果表明，出水含油濃度平均值低于50毫克/升，完全滿足設計指標要求，標志著管式動態渦流分離器正式實現了工業化應用。世界最大油田技術服務商美國Schlumberger公司2017年收購EVTN公司Voraxial分離器的技術專利和商標權，改稱為“Voraxial Impeller-induced Cyclonics”后嘗試在油氣田領域推廣應用，但至今未見工業案例報道，目前該公司官網已撤下相關產品介紹材料。
教研相長，管式動態渦流分離技術研究啟航新征程
雖然環保多相流高效分離技術與設備研究團隊成立時間晚、起步基礎弱，但團隊成員始終牢記高校教師必須同時承擔人才培養、科學研究等多重使命，管式動態渦流分離技術的研發歷程也伴隨著團隊師生的成長進步。2016年10月，團隊指導研究生參加教育部學位與研究生教育發展中心等主辦的第三屆中國研究生石油裝備創新設計大賽，榮獲一等獎；2023年6月，團隊在機械工業出版社發行主編的《環保設備設計基礎》，將管式動態渦流分離器傳動機構等作為案例素材納入教材內容。團隊研究生還連續參加2023年/2024年/2025年8月下旬舉辦的中國過濾與分離行業科技論壇，并在青年論壇作專題報告。2019年7月，團隊自籌資金赴美國與美國塔爾薩大學（University of Tulsa）GLCC技術鼻祖Ovadia Shoham教授課題組開展專題學術交流；2025年6月，陳家慶教授帶隊赴法國參加第14屆世界過濾大會（World Filtration Congress, WFC），劉美麗教授、姬宜朋副教授、孔令真副教授在分會場作學術報告，分享展示了團隊在管式動態渦流等分離技術方面的最新研究成果。
“分相有序循低碳，離雜無痕臻高效”——這是環保多相流高效分離技術與設備研究團隊踐行綠色發展理念、錨定高效分離目標的初心使命。展望未來，團隊將繼續聚焦環保多相流分離領域的前沿發展需求，守正創新，積極針對市政污水預處理、致密活性污泥處理、超重力煙氣除塵等不同應用場景的技術瓶頸，精準施策，提出系列創新解決方案。充分發揮企業主導的產學研用融合協同創新效應，承擔完成“新型油氣勘探開發”國家科技重大專項項目“海上油氣田提高采收率關鍵技術”的專題任務“多場協同采出液高效處理技術”等，推動油-氣-水-固等復雜多相流體分離處理設備的緊湊化、高效化、低碳化、數智化轉型升級，把論文寫在祖國的錦繡大地上，把科技成果應用在實現現代化的偉大事業中，實現人才培養、科學研究和社會服務的同頻共振。
作者：劉美麗 / 編輯：盧甜 審核：李林琳 來源：機械工程學院
