含不同入口構(gòu)件的重力式分離器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

鄧志安 賈 琳 孫 潔 商羽婷

西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

含不同入口構(gòu)件的重力式分離器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

鄧志安 賈 琳 孫 潔 商羽婷

西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

應(yīng)用Fluent軟件的標(biāo)準(zhǔn)к-ε模型和多相歐拉模型,對(duì)重力式分離器的油氣分離器入口構(gòu)件處流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得到含有3種不同入口構(gòu)件的分離器內(nèi)部速度矢量和流線,分析并比較了不同構(gòu)件下的分離特性。模擬結(jié)果表明,Fluent軟件可較好地模擬油氣兩相在分離器內(nèi)部的流場(chǎng)和濃度分布，較為準(zhǔn)確地反映出真實(shí)分離器內(nèi)部流場(chǎng)情況，為分離器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

重力式分離器 數(shù)值模擬 油氣分離 入口構(gòu)件

在石油、化工等行業(yè)的許多場(chǎng)合都需要采用氣液分離器對(duì)氣液混合介質(zhì)進(jìn)行分離 ,以完成產(chǎn)品凈化或滿(mǎn)足工藝流程的技術(shù)要求[1]。

進(jìn)入分離器的油井氣液流是高速的、擾動(dòng)的氣液混合流體。在離開(kāi)管線時(shí)由于高流速，因此，進(jìn)入分離器的慣性作用必須得到有效克服，使得氣液流在容器尺寸條件下以正常流速產(chǎn)生自然的重力分離，并且盡可能地分散開(kāi)氣液流以利分離。入口構(gòu)件就是以碰撞和其它機(jī)理使來(lái)流產(chǎn)生減速度，并使氣液流得到有效地分散[2]。

在分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,通常采用“理論分析→初步設(shè)計(jì)→多樣機(jī)對(duì)比實(shí)驗(yàn)”的模式。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,單純通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究分離器的性能不僅周期長(zhǎng)而且費(fèi)用高;數(shù)值模擬技術(shù)不僅資金投入少,計(jì)算速度快，而且可以全面深入揭示流場(chǎng),不受試驗(yàn)測(cè)試手段的限制。因此,利用數(shù)值模擬技術(shù)研究分離器內(nèi)流體的流動(dòng)規(guī)律,進(jìn)而優(yōu)化分離器的結(jié)構(gòu),可以大大縮短研發(fā)周期,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái),CFD仿真技術(shù)在流場(chǎng)模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面已經(jīng)取得了一些可喜的應(yīng)用[3]。

應(yīng)用Fluent 6.3軟件對(duì)3種不同入口構(gòu)件的油氣分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得到含有3種不同入口構(gòu)件的分離器內(nèi)部速度矢量和流場(chǎng),分析并比較了不同構(gòu)件下的分離特性。為油氣分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型提供一定的參考依據(jù)。

模型及邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用的分離器模型如圖1所示。其幾何參數(shù)為：軸向筒長(zhǎng)6 000mm（不包括兩端的封頭），內(nèi)徑2 000mm，入口內(nèi)徑150mm，氣體出口內(nèi)徑100mm，液體出口內(nèi)徑120mm。由于僅對(duì)入口構(gòu)件的分離特性進(jìn)行研究，計(jì)算模型相對(duì)于實(shí)際分離器作了一定的簡(jiǎn)化，計(jì)算模型沒(méi)有實(shí)際分離器兩端的封頭設(shè)計(jì)。

模擬計(jì)算所采用的入口構(gòu)件截面圖如圖2所示。

該程序基于有限體積剖分的 SIMPLE類(lèi)算法,體積分?jǐn)?shù)差分格式選取為QUICK格式,壓力插補(bǔ)格式以PRESTO格式為基礎(chǔ)，采用Fluent 6.3軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。為了保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，先采用多相流模型中的Mixture模型進(jìn)行初步模擬計(jì)算，后續(xù)選用Eulerian模型完成分離器內(nèi)部流場(chǎng)模擬。

基本方程為：

質(zhì)量守恒方程組：

式中k=c,d代表連續(xù)相和分散相,Γmk、Mmk分別代表各相的質(zhì)量源、動(dòng)量源;Γk表示各相間相互的質(zhì)量擴(kuò)散,Mm表示兩相間相互的作用力。tm表示黏度和湍動(dòng)的應(yīng)力張量。

介質(zhì)采用空氣和水，入口邊界采用速度入口邊界條件，其中水的速度為0.65m/s,空氣的速度為10m/s,空氣的體積分?jǐn)?shù)為38.5%。出口采用壓力出口邊界條件。

模擬結(jié)果及分析

1 入口部分的速度矢量與入口流線

圖3～圖5為入口區(qū)域的縱向切面速度矢量。從圖中可以明顯看出流體在進(jìn)入分離器內(nèi)時(shí)慣性作用得到了降低，速度減小。同時(shí)，在入口處的上方明顯存在漩渦，并且在入口處下方也存在一定程度的漩渦。其中平板形構(gòu)件入口上方漩渦較大，區(qū)域較廣。凸板形和凹板形較之有一定程度的減小。

2 入口部分的液相體積分?jǐn)?shù)

圖6中顯示了入口部分液相的體積分?jǐn)?shù)云圖。從體積分?jǐn)?shù)云圖中可看出，入口構(gòu)件使氣液流速度降低，同時(shí)對(duì)氣液流起到了較好的分離作用。由于氣相速度較大，使得入口處一部分液相被攜帶至入口處上方。平板入口構(gòu)件上方液相區(qū)域較大，而凸形板與凹形板構(gòu)件較之有一定程度的減小。其次，從體積分?jǐn)?shù)分布云圖較高的速度向分離器下部運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成已分離過(guò)的液相界面產(chǎn)生一定的波動(dòng)，其中平板與凹板下部液面較小，凸板下部和后部都存在一定的波動(dòng)區(qū)域。

3 入口構(gòu)件處液相體積分?jǐn)?shù)

圖7為入口構(gòu)件橫截面處液相體積分?jǐn)?shù)，圖8為距構(gòu)件50mm處橫截面液相體積分?jǐn)?shù)。

從圖7、圖8中可以看出氣液流體在流經(jīng)入口構(gòu)件與之碰撞并較好的分離開(kāi)來(lái)，使得分離器內(nèi)上部主要為氣相，下部為液相。從圖7中可以看出平板構(gòu)件處上部液相體積分?jǐn)?shù)為45%，凸板構(gòu)件處上部液相體積分?jǐn)?shù)為40%，凹板構(gòu)件處上部液相體積分?jǐn)?shù)為41%。

結(jié)論

（1）在目前Fluent提供的模型中,標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型和多相歐拉適用于模擬含有不同分離構(gòu)件的重力式分離器內(nèi)部?jī)上嗔髁鲌?chǎng)。對(duì)于多相流在分離器中的流場(chǎng)模擬，應(yīng)先使用Mixture模型進(jìn)行初步計(jì)算，再以Eulerian模型進(jìn)一步完成模擬過(guò)程，以達(dá)到較高的準(zhǔn)確性。

（2）通過(guò)對(duì)入口部分的速度矢量、流線和體積分?jǐn)?shù)的分析,發(fā)現(xiàn)凸形板和凹形板入口構(gòu)件具有顯著降低流速、減少漩渦產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn) ,其初步分離效果要優(yōu)于平板入口構(gòu)件。其中凹形板分離效用優(yōu)于凸形板，而凸形板減少漩渦的效用上優(yōu)于凹形板。

（3）由于氣液混合流體在與入口構(gòu)件發(fā)生碰撞，液滴會(huì)以較高的速度向分離器下部運(yùn)動(dòng)，造成液相界面產(chǎn)生一定的波動(dòng)，其中平板與凹板波動(dòng)區(qū)域較小，凸板波動(dòng)區(qū)域較大。

[1]Joseph M.Lee,Rafiqul I.Khan,Daniel W.Phelps.Debottlenecking and CFD Studies of High and Low Pressure Production Separators[R]. SPE 115735,2008(9）.

[2]郭福民,張學(xué)禮.油氣分離器原理設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1993.

[3]趙立新,朱寶軍,李鳳明.離心式氣液分離器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工機(jī)械,2007,34(2):90-91.

The standard k-e model and multi-phase Euler model of fluent software are applied to the three dimension numerical simulation of flow field at the inlet components of oil and gas separators in gravity separators,getting the vector and streamline of internal speed of separators with three different components.Then,the analysis and comparison are carried out about the separate characteristics under different components.The result of simulation indicates that the software"Fluent"can simulate the flow field and the concentration distribution of both oil and gas in the separator better,and reflect the flow field of real separators more exactly,and thus providing the scientific reference basis for the design of separators.

gravity separator;numerical simulation;oil and gas separation;inlet component

鄧志安（1962-），男，教授，主要從事油氣田地面工程及多相流教學(xué)及研究工作。

路萍

2010-01-11