北石化設(shè)計(jì)研發(fā)的高通量管式動(dòng)態(tài)渦流分離器入選國(guó)家能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備
2025年9月19日，國(guó)家能源局發(fā)布2025年第4號(hào)公告，決定將82項(xiàng)技術(shù)裝備列為第五批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備，源起北京石油化工學(xué)院、由中海油研究總院推動(dòng)聯(lián)合研發(fā)的高通量管式動(dòng)態(tài)渦流分離器成功入選。能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備屬于國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、尚未批量取得市場(chǎng)業(yè)績(jī)的能源領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)裝備。高通量管式動(dòng)態(tài)渦流分離器的入選，標(biāo)志著我校環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團(tuán)隊(duì)自2009年確定選題、啟動(dòng)室內(nèi)設(shè)計(jì)研發(fā)工作以來(lái)，歷經(jīng)逾十五年技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了高通量管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)從“書(shū)架”到“貨架”的跨越。
前瞻選題，管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)研究起步行蹣跚
進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)油氣對(duì)外依存度逐年大幅攀升，能源安全風(fēng)險(xiǎn)大增。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》遂將能源列為11大重點(diǎn)領(lǐng)域之首，并提出設(shè)立“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)。醞釀組建環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團(tuán)隊(duì)的陳家慶教授，在主持承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃資源與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域2007年度專題課題等研究任務(wù)的同時(shí)，抓住東部老油田即將進(jìn)入“雙高”開(kāi)發(fā)階段而亟需緊湊高效油水分離設(shè)備之契機(jī)，安排姬宜朋副教授將管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)作為其博士學(xué)位論文選題，2009年正式開(kāi)始相關(guān)研究。
起步階段，在學(xué)習(xí)借鑒美國(guó)EVTN公司Voraxial分離器工作原理的基礎(chǔ)上，姬宜朋副教授運(yùn)用渦動(dòng)力學(xué)理論和流體機(jī)械設(shè)計(jì)方法，研制了第一代管式動(dòng)態(tài)渦流分離器室內(nèi)可視化原理樣機(jī)。然后采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬等手段，對(duì)分離器內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)分布、油水分離效率等指標(biāo)進(jìn)行量化分析設(shè)計(jì)，研發(fā)了處理量為120噸/天的第一代管式動(dòng)態(tài)渦流分離器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。依托中國(guó)石化中原油田科研項(xiàng)目等支持，團(tuán)隊(duì)先后在中國(guó)石化中原油田采油一廠79號(hào)計(jì)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(kāi)展了三次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)處理原油比重低于0.93的油田采出水時(shí)，分離效率穩(wěn)定保持在85%以上，優(yōu)于同比運(yùn)行的常規(guī)靜態(tài)旋流分離設(shè)備，初步證明具有單管處理量大、壓力損失小等顯著優(yōu)勢(shì)。
2015年，基于前期技術(shù)積累，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)展管式動(dòng)態(tài)渦流分離器結(jié)構(gòu)放大設(shè)計(jì)，自籌資金研制了處理量3000噸/天的第一代管式動(dòng)態(tài)渦流分離器工程樣機(jī)。當(dāng)工程樣機(jī)從北京運(yùn)至中海油深圳分公司流花（LH）11-1油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，因路途顛簸震動(dòng)機(jī)械密封發(fā)生泄漏，致使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，姬宜朋副教授雖全力搶修但仍未能解決問(wèn)題，工程樣機(jī)首次海上試驗(yàn)以“折戟沉沙”告終。該項(xiàng)技術(shù)隨后進(jìn)入了四年多的靜默期，使團(tuán)隊(duì)成員深刻認(rèn)識(shí)到科學(xué)設(shè)計(jì)方法和嚴(yán)格質(zhì)量控制對(duì)于高新技術(shù)產(chǎn)品的重要性。
鍥而不舍，管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)研究迎來(lái)新轉(zhuǎn)機(jī)
國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)量自2015年達(dá)到2.146億噸的高峰后，連續(xù)三年下降至2018年的1.89億噸。為守住國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量2億噸這一安全紅線，國(guó)家自2019年起實(shí)施了“七年增儲(chǔ)上產(chǎn)行動(dòng)計(jì)劃”。在國(guó)內(nèi)“原油增產(chǎn)關(guān)鍵在海上，海上原油增產(chǎn)關(guān)鍵在海油”成為共識(shí)的背景下，中海油研究總院海洋油氣高效開(kāi)發(fā)中心張健教授級(jí)高工團(tuán)隊(duì)勇于破除陳見(jiàn)，于2019年6月來(lái)環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團(tuán)隊(duì)正式洽談科研合作，使管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)再次落地應(yīng)用迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。經(jīng)中海油研究總院和北京石油化工學(xué)院等聯(lián)合精心準(zhǔn)備，2020年下半年成功獲批國(guó)家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“面向海上聚驅(qū)采出水的油滴-微泡團(tuán)聚機(jī)理及其協(xié)同動(dòng)態(tài)旋流預(yù)除油特性研究”(U20B2030)，為管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)革新按下了“加速鍵”。姬宜朋副教授基于封閉空間內(nèi)同步旋轉(zhuǎn)流體的無(wú)剪切特性，創(chuàng)新構(gòu)建了強(qiáng)旋流流場(chǎng)低剪切起旋元件設(shè)計(jì)方法，同時(shí)發(fā)明了“逆向控氣+順流收油”分離新結(jié)構(gòu)。
得益于中海油研究總院王秀軍高工的強(qiáng)力組織統(tǒng)籌，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合團(tuán)隊(duì)穩(wěn)扎穩(wěn)打再出發(fā)。首先研制了處理量120噸/天的第二代低剪切管式動(dòng)態(tài)渦流分離器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。2020年10月，在中海油天津分公司綏中（SZ）36-1油田CEPK平臺(tái)，驗(yàn)證了“加藥破乳+微氣泡”強(qiáng)化管式動(dòng)態(tài)渦流分離器處理稠油聚驅(qū)生產(chǎn)水的可行性，在最優(yōu)工況下平均除油率達(dá)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(tái)完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最優(yōu)工況下平均分離效率為81.5%，較同平臺(tái)在役靜態(tài)水力旋流器高出20%。上述工作不僅接續(xù)驗(yàn)證了第二代低剪切管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)的有效性，還大幅拓展了適用場(chǎng)景范圍，為工程樣機(jī)研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
處理量120噸/天第二代低剪切管式動(dòng)態(tài)渦流分離器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成功，堅(jiān)定了中海油研究總院繼續(xù)資助支持和加速工程樣機(jī)研發(fā)的信心。2023年5月下旬，處理量3000噸/天的第二代管式動(dòng)態(tài)渦流分離器工程樣機(jī)在中海油湛江分公司潿洲（WZ）12-1油田PUQB中心處理平臺(tái)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最高分離效率達(dá)80%，顯著高于平臺(tái)現(xiàn)有“生產(chǎn)水緩沖罐+水力旋流器”組合的分離效率。2023年6月下旬，樣機(jī)轉(zhuǎn)戰(zhàn)中海油天津分公司曹妃甸（CFD）11-1油田CEPJ平臺(tái)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最高分離效率達(dá)92%。在兩次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均獲成功的基礎(chǔ)上，該樣機(jī)被運(yùn)往天津分公司歧口（QK）17-2油田WPH3平臺(tái)，同年12月完成固化安裝。
第二代低剪切管式動(dòng)態(tài)渦流分離器工程樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成功和固化安裝，不僅標(biāo)志著該技術(shù)向工業(yè)化應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)一步，還有力支撐了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收評(píng)級(jí)為A。
革故鼎新，管式動(dòng)態(tài)渦流分離器成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用
鑒于處理量3000噸/天第二代管式動(dòng)態(tài)渦流分離器工程樣機(jī)的優(yōu)良表現(xiàn)，中海油天津分公司曹妃甸（CFD）11-1油田CEPJ平臺(tái)2023年7月提出采用處理量10000噸/天管式動(dòng)態(tài)渦流分離器進(jìn)行平臺(tái)提液增產(chǎn)的需求。在中海油研究總院的牽頭組織下，團(tuán)隊(duì)姬宜朋副教授主持攻關(guān)，完成結(jié)構(gòu)初步放大設(shè)計(jì)后再采用CFD數(shù)值模擬手段進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)密封冷卻方案等進(jìn)行多次整改，最終在半年內(nèi)成功研發(fā)出處理量10000噸/天管式動(dòng)態(tài)渦流分離器工業(yè)產(chǎn)品，2025年1月成功交付平臺(tái)。為保障工業(yè)產(chǎn)品順利投產(chǎn)，姬宜朋副教授克服重重困難，在調(diào)試關(guān)鍵階段全程駐場(chǎng)，單次駐留海上平臺(tái)就長(zhǎng)達(dá)42天（接近國(guó)際海上平臺(tái)作業(yè)人員極限標(biāo)準(zhǔn)），為設(shè)備順利投用提供了堅(jiān)實(shí)保障，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)處理量10000噸/天管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。
2024年8月，中海油湛江分公司提出采用管式動(dòng)態(tài)渦流分離器處理平臺(tái)采出液的新需求，其中7500噸/天管式預(yù)分水器和5000噸/天管式除油器為基于管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)開(kāi)發(fā)。為提高設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行可靠性，在中海油研究總院王秀軍高工的提議推動(dòng)下，姬宜朋副教授設(shè)計(jì)研制了具有自冷卻功能的磁力傳動(dòng)系統(tǒng)。2024年12月，采用自冷卻磁力傳動(dòng)的7500噸/天管式動(dòng)態(tài)渦流預(yù)分水器和5000噸/天管式動(dòng)態(tài)渦流除油器在潿洲（WZ）12-1油田PUQB平臺(tái)完成安裝調(diào)試，隨即順利交付生產(chǎn)運(yùn)行。
曹妃甸（CFD）11-1油田CEPJ平臺(tái)和潿洲（WZ）12-1油田PUQB平臺(tái)截至目前的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行結(jié)果表明，出水含油濃度平均值低于50毫克/升，完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，標(biāo)志著管式動(dòng)態(tài)渦流分離器正式實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。世界最大油田技術(shù)服務(wù)商美國(guó)Schlumberger公司2017年收購(gòu)EVTN公司Voraxial分離器的技術(shù)專利和商標(biāo)權(quán)，改稱為“Voraxial Impeller-induced Cyclonics”后嘗試在油氣田領(lǐng)域推廣應(yīng)用，但至今未見(jiàn)工業(yè)案例報(bào)道，目前該公司官網(wǎng)已撤下相關(guān)產(chǎn)品介紹材料。
教研相長(zhǎng)，管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)研究啟航新征程
雖然環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團(tuán)隊(duì)成立時(shí)間晚、起步基礎(chǔ)弱，但團(tuán)隊(duì)成員始終牢記高校教師必須同時(shí)承擔(dān)人才培養(yǎng)、科學(xué)研究等多重使命，管式動(dòng)態(tài)渦流分離技術(shù)的研發(fā)歷程也伴隨著團(tuán)隊(duì)師生的成長(zhǎng)進(jìn)步。2016年10月，團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)研究生參加教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心等主辦的第三屆中國(guó)研究生石油裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，榮獲一等獎(jiǎng)；2023年6月，團(tuán)隊(duì)在機(jī)械工業(yè)出版社發(fā)行主編的《環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》，將管式動(dòng)態(tài)渦流分離器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等作為案例素材納入教材內(nèi)容。團(tuán)隊(duì)研究生還連續(xù)參加2023年/2024年/2025年8月下旬舉辦的中國(guó)過(guò)濾與分離行業(yè)科技論壇，并在青年論壇作專題報(bào)告。2019年7月，團(tuán)隊(duì)自籌資金赴美國(guó)與美國(guó)塔爾薩大學(xué)（University of Tulsa）GLCC技術(shù)鼻祖Ovadia Shoham教授課題組開(kāi)展專題學(xué)術(shù)交流；2025年6月，陳家慶教授帶隊(duì)赴法國(guó)參加第14屆世界過(guò)濾大會(huì)（World Filtration Congress, WFC），劉美麗教授、姬宜朋副教授、孔令真副教授在分會(huì)場(chǎng)作學(xué)術(shù)報(bào)告，分享展示了團(tuán)隊(duì)在管式動(dòng)態(tài)渦流等分離技術(shù)方面的最新研究成果。
“分相有序循低碳，離雜無(wú)痕臻高效”——這是環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團(tuán)隊(duì)踐行綠色發(fā)展理念、錨定高效分離目標(biāo)的初心使命。展望未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦環(huán)保多相流分離領(lǐng)域的前沿發(fā)展需求，守正創(chuàng)新，積極針對(duì)市政污水預(yù)處理、致密活性污泥處理、超重力煙氣除塵等不同應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)瓶頸，精準(zhǔn)施策，提出系列創(chuàng)新解決方案。充分發(fā)揮企業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研用融合協(xié)同創(chuàng)新效應(yīng)，承擔(dān)完成“新型油氣勘探開(kāi)發(fā)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“海上油氣田提高采收率關(guān)鍵技術(shù)”的專題任務(wù)“多場(chǎng)協(xié)同采出液高效處理技術(shù)”等，推動(dòng)油-氣-水-固等復(fù)雜多相流體分離處理設(shè)備的緊湊化、高效化、低碳化、數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級(jí)，把論文寫(xiě)在祖國(guó)的錦繡大地上，把科技成果應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的偉大事業(yè)中，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)的同頻共振。
作者：劉美麗 / 編輯：盧甜 審核：李林琳 來(lái)源：機(jī)械工程學(xué)院
