高壓和低壓生產(chǎn)分離器的瓶頸分析與CFD研究

編譯:賈琳 (西安石油大學(xué))

審校:鄧志安 (西安石油大學(xué))

高壓和低壓生產(chǎn)分離器的瓶頸分析與CFD研究

編譯:賈琳 (西安石油大學(xué))

審校:鄧志安 (西安石油大學(xué))

針對(duì)沿海大型石油生產(chǎn)平臺(tái)所面臨的油氣水分離設(shè)備改進(jìn)問題,基于計(jì)算流體力學(xué) (CFD)對(duì)平臺(tái)用高壓與低壓分離器進(jìn)行了研究。通過對(duì)節(jié)流孔板、液位調(diào)節(jié)、堰位置及操作等環(huán)節(jié)的改變與調(diào)整,利用CFD模擬軟件對(duì)流體在分離器中的流動(dòng)特性進(jìn)行分析研究,從而測(cè)定折流板設(shè)計(jì)與安置、堰的安置對(duì)分離器效率所產(chǎn)生的影響。通過改進(jìn)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和改變流體相液位高度,高壓分離器總體積利用率提高22%,低壓分離器提高38%。CFD結(jié)果還表明,改變流型同樣可以提高體積利用率。

分離器 計(jì)算流體力學(xué) 模擬計(jì)算 容積利用率

1 背景

目前,沿海石油生產(chǎn)平臺(tái)使用的入口分離器和低壓分離器沒有達(dá)到期望的油水分離效果。隨著油、氣、水生產(chǎn)量的增加,將使當(dāng)前的問題更加復(fù)雜。

本文基于計(jì)算流體力學(xué) (CFD)對(duì)流體在分離器中的流動(dòng)特性進(jìn)行分析研究,從而測(cè)定折流板設(shè)計(jì)與安置、堰的安置對(duì)分離器效率所產(chǎn)生的影響,并對(duì)分離器的工程設(shè)計(jì)和入口分離器及低壓分離器進(jìn)行研究和性能評(píng)估,研究?jī)?nèi)容包括液位的設(shè)定、堰的安置以及折流板的設(shè)計(jì)與安置。

2 過程描述

2.1 入口分離器

入口分離器的主要尺寸:

◇長(zhǎng)度:10 400 mm(焊縫間距離)

◇直徑:4 000 mm(內(nèi)徑)

◇操作壓力:2.790～4.52 bar(表壓, 1 bar=0.1 MPa)

◇操作溫度:38～50℃

◇設(shè)計(jì)壓力:13.8 bar(表壓)

◇設(shè)計(jì)溫度:9～93℃

◇入口直徑:32 in(1 in=25.4 mm)

◇排氣口直徑:26 in

◇排油口直徑:16 in

◇排水口直徑:16 in

◇入口:旋流管

◇內(nèi)部節(jié)流板位置:8 000mm和5 200 mm (距尾部焊縫)

◇排氣口:片狀填充物

投入使用的入口分離器設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示,數(shù)據(jù)是建立在2009年的預(yù)期產(chǎn)量基礎(chǔ)之上的。

表1 入口分離器設(shè)計(jì)參數(shù)

入口分離器工況條件如下:

入口分離器 (157 in×34 ft型)

對(duì)于上述所有工況條件下分離器和旋流管的工作性能,采用NATCO公司專利建模計(jì)算軟件計(jì)算的結(jié)果顯示:對(duì)應(yīng)于2007年和2009年的工況條件,油相和水相的停留時(shí)間分別為6 min和5 min。在2009年的工況條件下,超過分離器最大氣體處理能力的可能性是很小的,發(fā)泡程度適中,大概有5 in。除非由于某些化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生而導(dǎo)致產(chǎn)生超出正常水平的大量泡沫,液體帶氣率不會(huì)超出預(yù)期估計(jì)。如果在壓縮機(jī)中有液滴出現(xiàn),則須將分離器液位調(diào)低一些,從而留出更多的氣體空間,這樣雖然會(huì)減少液體的停留時(shí)間,但實(shí)際上仍然可以保持理想的油水分離效果。

原有設(shè)計(jì)的分離器緩沖容積很大 (15 m3),而根據(jù)推薦設(shè)置的分離器在高液位開關(guān)和極限警報(bào)器之間也有530 ft3(15m3)的緩沖容積,并且從極限警報(bào)器至分離器頂部還有很大的空間 (740 ft3/ 21 m3)。

改進(jìn)后的分離器的堰上液體流速降低。在2009年工況條件下,堰上液相流速大約為0.1 m/ s,未改進(jìn)分離器的為0.3 m/s。未改進(jìn)分離器中的油滴停留時(shí)間加長(zhǎng),油中夾帶的水減少。

入口分離器的模擬計(jì)算結(jié)果表明:在2009年的高流量工況條件下,進(jìn)口原油含砂含水量為14%,出口原油含砂含水量約是進(jìn)口處的一半,并且小于10%。

基于預(yù)期的流量變化,入口分離器的改進(jìn)建議如下 (圖1)。

對(duì)于高壓入口分離器:

(1)保留現(xiàn)有的旋流式入口?，F(xiàn)有的入口流道僅有24 in,它提供的離心力無法使氣液很好地分離,也沒有起到減少泡沫的效果,并且破乳也不是很充分。而結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的入口分離器可以處理更大流量的來液。對(duì)入口分離器來說,發(fā)泡的影響不是其主要考慮的因素,所以發(fā)泡并不被視為改變?nèi)肟诘谋匾蛩亍?/p>

(2)將原有折流板上端留有21%的過流空間改裝成只留有約10%的過流空間。CFD模擬結(jié)果表明21%的過流空間的回流情況更顯著,并且21%的過流空間不能達(dá)到流體流經(jīng)分離器所需的壓力降。

(3)將隔板移至距入口裝置后2 ft、距排水口前1 ft的地方,入口折流板已置于校準(zhǔn)位置,而出口擋板應(yīng)離出水口較遠(yuǎn)。

(4)片狀填料應(yīng)調(diào)整為NATCO的 TP式填料。TP式填料有理想的排水結(jié)構(gòu),可以使液滴更好地從氣相中除去?，F(xiàn)有的捕霧網(wǎng)只能將水滴驅(qū)回至出口隔板處 (就如將油滴在排除前又重新被注回到水中)。NATCO的 TP式填料裝置延伸到了液相層中,從而將液滴直接驅(qū)回至液相層中。

(5)將堰移至離分離器尾部更近一些。原有的堰距分離器尾部7.6 ft,現(xiàn)將其移至距尾部5.3 ft處,這樣可以延長(zhǎng)油水的停留時(shí)間。

(6)調(diào)整堰的高度。設(shè)計(jì)的分離器堰的高度為90.67 in(距底部),而推薦的改進(jìn)分離器的堰高度為60 in。即使改進(jìn)的分離器堰高度比較低,油相的停留時(shí)間仍約有5 min(這個(gè)停留時(shí)間下的泡沫不會(huì)很難破滅)。

(7)原有設(shè)計(jì)的分離器緩沖容積很大,而根據(jù)推薦設(shè)置改進(jìn)的分離器在高液位開關(guān)和極限報(bào)警器之間也有530 ft3(15 m3)的緩沖容積,并且從極限報(bào)警器至分離器頂部還有很大的空間 (740 ft3/ 21 m3)。

圖1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)的高壓分離器

2.2 低壓分離器

低壓分離器的主要尺寸:

◇長(zhǎng)度:13 500 mm(焊縫間距離)

◇直徑:4 375 mm(內(nèi)徑)

◇操作壓力:0.24～1.0 bar(表壓)

◇操作溫度:17～60℃

◇設(shè)計(jì)壓力:13.8 bar(表壓)

◇設(shè)計(jì)溫度:5～93℃

◇入口直徑:30 in

◇排氣口直徑:12 in

◇排油口直徑:24 in

◇排水口直徑:18 in

◇入口:旋流管

◇內(nèi)部節(jié)流板:2 158 mm(距尾部焊縫)

◇排氣口:片狀填充物

投入使用的低壓分離器設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示:

低壓分離器工況條件如下:

低壓分離器 (172 in×44 ft型)

表2 低壓分離器設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述工況參數(shù)建模,計(jì)算結(jié)果顯示:對(duì)應(yīng)于2007年和2009年的工況條件,液相的停留時(shí)間分別為4.5 min和3.7 min。通常情況下,分離器中的油水被設(shè)計(jì)成相同的停留時(shí)間,從而保證油水兩相流速相近以減少油水分解面處湍流的發(fā)生。上述工況條件下,由于水相液面比較低,所以水相的停留時(shí)間會(huì)比油相稍長(zhǎng)一些。2009年工況條件下,乳化水層估計(jì)厚約10 in,這足以使液相液面高度保持在整個(gè)容器高度的60%以下。超過此厚度,氣相的可用容積將會(huì)減少,這將增大已分離氣體重新被帶入液相的可能性。除非由于某些化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生超出正常水平的大量泡沫,否則液體帶氣率不會(huì)超出預(yù)期估計(jì)。如果在壓縮機(jī)中有液滴出現(xiàn),其狀況與入口分離器的一樣;如果分離出的氣體中沒有液滴存在,就說明發(fā)泡現(xiàn)象不是十分嚴(yán)重,可以適當(dāng)提高液面。如果沒有發(fā)泡,液位調(diào)節(jié)裝置也有足夠的時(shí)間來升高液面,從而使油水相有更長(zhǎng)的停留時(shí)間來促進(jìn)分離。模擬計(jì)算結(jié)果表明:堰應(yīng)安裝在距分離器尾部5.7 ft處,但考慮到人孔的位置,堰只能安裝到距分離器尾部6.3 ft處。改進(jìn)后的分離器內(nèi)堰上油相流速將會(huì)降低,2009年工況條件下估計(jì)為0.1 m/s。而原分離器內(nèi)堰上油相流速大約為0.3 m/s,這將會(huì)使分離器中的油相停留時(shí)間加長(zhǎng),油中夾帶的水減少。

分離器的模擬計(jì)算結(jié)果表明:在2009年的高流量工況條件下,進(jìn)口水含量為14%,出口水含量大約是進(jìn)口水含量的一半,并且小于10%。

改進(jìn)后的 (2007年6月)一種分離器在更高的處理量下進(jìn)行原油分離模型試驗(yàn),油出口水含量升高。模擬計(jì)算結(jié)果顯示,原油水含量由原先的18%下降到14%,接近于油田實(shí)際測(cè)量的油出口水含量16%的數(shù)值。這就說明,模擬計(jì)算可以給出合理的預(yù)測(cè)值,并且可以實(shí)現(xiàn)含水量小于10%的改良目的。

基于2009年工況條件下高流量、低壓分離器的改進(jìn)建議如下 (圖2):

低壓分離器改良建議:

(1)改變現(xiàn)有的旋流入口以獲得更好的破乳效果,厚達(dá)30 in的泡沫層是目前生產(chǎn)過程中遇到的重大難題,并且至2009年,隨著產(chǎn)量的不斷提高,這些問題變得更加嚴(yán)重。

(2)去除現(xiàn)有的留有21%的過流空間的單隔板,安裝兩個(gè)經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后留有18%過流空間的隔板。

(3)將其中的一個(gè)隔板安裝在距入口旋流器下游2 ft處,另一個(gè)安裝在距排水口上游1 ft處。

(4)去除第一個(gè)隔板后的疏留板。

(5)葉片式捕霧器需要做一些結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),從而使液相返回油水界面。現(xiàn)有的捕霧器只是將水滴驅(qū)回至堰的上游 (就如在排油口前又回注水中)。

(6)將堰的位置向分離器出口移近一些。現(xiàn)有堰距尾部11.6 ft,改進(jìn)后的分離器堰距尾部出口

6.3 ft。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)將會(huì)使油水相有更長(zhǎng)的停留時(shí)間。

(7)調(diào)整堰的高度。原有設(shè)計(jì)高度是113 in,改進(jìn)后高度為54 in。在合理結(jié)構(gòu)布置下,4 min的停留時(shí)間是可以保證的。

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)的低壓分離器

3 CFD計(jì)算結(jié)果及討論

流體計(jì)算采用了FLUENT 6.3流體計(jì)算軟件和用于建模和網(wǎng)格劃分的 GAMBIT建模軟件。CFD研究的主要目的是評(píng)估整個(gè)分離器的液相容積利用率和研究分離器內(nèi)部油水流型的形成。

3.1 容積利用率分析

容積利用率數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)在線顯示各相體積百分率,CFD計(jì)算將提供一種觀察流型改變的方式并計(jì)算液滴在分離器內(nèi)部的實(shí)際停留時(shí)間(ART)。理論停留時(shí)間則是根據(jù)入口相應(yīng)的各相流量分配的油水在分離器內(nèi)體積計(jì)算而來,這是在可以達(dá)到最佳分離效果的的理想狀態(tài)下進(jìn)行的,而實(shí)際流體的流動(dòng)應(yīng)屬于段塞流。實(shí)際和理論停留時(shí)間被用來評(píng)估分離器的容積利用率。停留時(shí)間越長(zhǎng),容積利用率越高,分離器分離效率越高。在這項(xiàng)研究中,通過將理論和實(shí)際停留時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行連續(xù)的對(duì)比分析 (整個(gè)分離器的油水相效率也考慮在內(nèi))來計(jì)算容積利用效率。整個(gè)容積的利用率(OVU)定義為:

各種情況下的分離器容積利用率如表3所示。

表3 兩種分離器的容積利用率

3.2 流型分析

圖3～圖6顯示了由CFD計(jì)算得出的分離器內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度大小,定量地說明了油水相在分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況。跡線是流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡,流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)每一相的液相區(qū)域而沒有過多的回流時(shí),分離效率提高?；亓鞯某霈F(xiàn)會(huì)導(dǎo)致分離器的容積利用率降低。由于旋流的形成,回流區(qū)域的段塞流的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變,一些流體質(zhì)點(diǎn)沿著相反的方向運(yùn)動(dòng),造成液相停留時(shí)間加長(zhǎng)而分離效率降低。CFD計(jì)算清楚地顯示出了分離器內(nèi)部的回流區(qū)域。雖然回流的產(chǎn)生是不可避免的,但可以通過改變流動(dòng)條件、合理設(shè)計(jì)分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)來使回流區(qū)域縮小。

3.2.1 高壓分離器的原始設(shè)計(jì)和改良設(shè)計(jì)

圖3(a)顯示了原始分離器中油水相的流動(dòng)軌跡。圖5中的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡顯示,入口處高速流動(dòng)的流體質(zhì)點(diǎn)在油水界面處的隔流板發(fā)生交錯(cuò),在入口折流板后生成了一個(gè)很小的回流區(qū)域。然后流體質(zhì)點(diǎn)沿著中軸線對(duì)角線方向向下游運(yùn)動(dòng),此過程受多個(gè)參數(shù)的影響 (包括速度、密度、隔板與堰)。第二個(gè)油相回流區(qū)域出現(xiàn)在堰與排油管出口之間。CFD計(jì)算結(jié)果顯示:油相的容積利用率為82%。由于油水界面各相流速的巨大差異,導(dǎo)致水相的運(yùn)動(dòng)區(qū)域中產(chǎn)生了兩個(gè)很大的回流區(qū)域 (圖3)。當(dāng)高速的油水混合物在水相上流動(dòng)時(shí),第一個(gè)回流區(qū)域在兩個(gè)隔板之間形成。同樣,在出口折流板和堰之間,第二個(gè)回流區(qū)域形成。結(jié)果顯示,水相的容積利用率很低,僅有55%。整個(gè)分離器內(nèi)部液相的容積利用率僅為68%。

圖3 原始設(shè)計(jì)的高壓分離器內(nèi)部油相與水相的運(yùn)動(dòng)軌跡(速度的大小以軌跡的顏色區(qū)分)

圖4(a)和圖4(b)顯示了改良后的高壓分離器內(nèi)的油水相運(yùn)動(dòng)軌跡。油相運(yùn)動(dòng)軌跡圖6(a)顯示:在入口折流板后存在一個(gè)回流區(qū)域,比原始分離器中觀察到的回流區(qū)域要大,主要是由于油水界面低的緣故。由于只是非常少的流體質(zhì)點(diǎn)改變了原始流動(dòng)方向形成了回流,這個(gè)回流區(qū)顯得非常薄弱,所以對(duì)油相的容積利用率不會(huì)產(chǎn)生多大的影響。改良后的分離器堰的位置向油流下游方向移動(dòng)了725 mm(離排油管出口更近),這將使油相在與堰交錯(cuò)之前的油水相停留時(shí)間延長(zhǎng),易于油水相分離。因此,在入口折流板附近會(huì)產(chǎn)生一定影響的弱油相回流區(qū)可能會(huì)被擴(kuò)展的油相界面所平衡。與原始分離器不同,改良后的分離器中油相液位較高,并且堰的高度也較原始分離器低,所以改良分離器中堰后并沒有出現(xiàn)顯著的油相回流。CFD計(jì)算表明:改良分離器的油相容積利用效率為84%,較原始分離器中的有所提高。改良分離器中水相運(yùn)動(dòng)軌跡顯示 [圖4(b)]:并不像原始分離器在兩個(gè)隔板之間的水相中產(chǎn)生了兩個(gè)大的回流,改良分離器中只是在入口折流板后形成了一個(gè)很窄并且不很顯著的回流。所以,水相的容積利用率為75%,液相容積利用率為83%。

3.2.2 低壓分離器的原始設(shè)計(jì)和改良設(shè)計(jì)

圖5(a)和圖5(b)顯示了低壓分離器中油水相質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)高速流動(dòng)的液相質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)油水界面處的入口折流板時(shí),油層表面速度加快,油層底部由于受到流速較慢的水相的影響速度減慢,從而在入口折流板后產(chǎn)生了一個(gè)小的回流。而高速油流通過堰槽時(shí)則在堰后產(chǎn)生了一個(gè)很大的回流區(qū)。CFD計(jì)算顯示:油相的容積利用率為87%。水相運(yùn)動(dòng)軌跡圖 [(圖5(b)]:由于軸向流動(dòng)的高速液流在油水界面處穿越隔板,所以產(chǎn)生了一個(gè)很大的回流。分離器只有一個(gè)隔板,由此產(chǎn)生的回流也只有一個(gè),所以,水相中的很大一部分并沒有很好地利用起來。CFD計(jì)算結(jié)果顯示:水相的容積利用率很低,僅為52%。整個(gè)分離器的容積利用率也僅為68%。

圖4 改進(jìn)的高壓分離器內(nèi)部油相與水相的運(yùn)動(dòng)軌跡 (速度的大小以軌跡的顏色區(qū)分)

圖5 原始設(shè)計(jì)的低壓分離器內(nèi)部油相與水相的運(yùn)動(dòng)軌跡(速度的大小以軌跡的顏色區(qū)分)

圖6(a)和圖6(b)顯示了改良后的低壓分離器內(nèi)的油水相運(yùn)動(dòng)軌跡。油相運(yùn)動(dòng)軌跡圖 [(圖6(a)]顯示在入口折流板后產(chǎn)生了一個(gè)比較薄弱的回流區(qū)域。由于油水界面較低,改良后分離器內(nèi)產(chǎn)生的回流區(qū)域比原有分離器大。與預(yù)先估計(jì)相同,由于沒有產(chǎn)生較強(qiáng)的逆流 (少的流體質(zhì)點(diǎn)形成回流區(qū)域),所以這個(gè)回流區(qū)很薄弱。改良后的分離器堰的位置向油流下游方向移動(dòng)了1 695 mm (離排油管出口更近),使得油相層長(zhǎng)度加長(zhǎng),油相停留時(shí)間延長(zhǎng),更易于油水相分離。并且,延伸的油相區(qū)補(bǔ)償了入口折流板后產(chǎn)生的回流所帶來的影響。由圖中還可看出,堰上油流沒有產(chǎn)生明顯的回流現(xiàn)象。CFD計(jì)算結(jié)果顯示:改良后分離器油相的容積利用率為94%,而原先的只有87%。水相運(yùn)動(dòng)軌跡顯示 [圖6(b)]:并不像原始分離器中入口折流板后產(chǎn)生了一個(gè)大的回流,改良分離器中只是在入口折流板后形成了一個(gè)不很顯著的回流。所以,水相的容積利用率為75%,液相容積利用率為83%。值得一提的是,改良分離器采用了兩個(gè)隔板 (代替了原始分離器中的一個(gè)隔板),這將更有利于控制回流區(qū)域。所以,改良分離器的水相容積利用率為95%,而原先只為52%。改良分離器容積利用率為94%。

圖6 改進(jìn)的高壓分離器內(nèi)部油相與水相的運(yùn)動(dòng)軌跡 (速度的大小以軌跡的顏色區(qū)分)

4 結(jié)論

◇通過改變?nèi)肟?、隔板、堰和捕霧器設(shè)備可以提高入口分離器和低壓分離器的性能;

◇保留入口分離器的入口裝置,改良低壓分離器入口裝置,從而降低發(fā)泡帶來的影響;

◇去除原先的孔板式疏流板,改為開放式過流空間,從而有效地控制流體的流動(dòng);

◇將疏流板移至改進(jìn)設(shè)計(jì)處;

◇調(diào)整堰的高度和位置,提高分離器的容積利用率;

◇改進(jìn)堰前的捕霧器;

◇調(diào)整液位高度,使得水相和油相有相似的過流速度。

資料來源于美國《SPE 115735》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.011

2009-03-05)