基于正交試驗(yàn)的仰角式油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化①

黃 坤 王怡佳 李新戰(zhàn) 呂 游 何慧娟 劉耔麟

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司甘陜管理處)

仰角式油水分離器是一種以浮力分離方法為主的新型高效油水分離設(shè)備，其工作原理為油水混合物進(jìn)入設(shè)備后在油相聚集段因密度差而進(jìn)行重力分離過程；在水相聚集段，油滴因浮力作用不斷從水相中浮升上來，進(jìn)行浮力分離過程。該分離器結(jié)構(gòu)主要包括：支架、分離罐(分離罐設(shè)置在支架上，與水平面具有一定角度)、采出液進(jìn)口、入口分液管、油相出口、水相出口、油堰板和水堰板等構(gòu)件。分液管是指沿管長(zhǎng)方向，在管底部開有若干小孔的多孔管，據(jù)現(xiàn)有研究：分液管上的孔徑、孔間距和孔數(shù)等參數(shù)對(duì)分離器的油水分離性能具有較大的影響；分離罐內(nèi)設(shè)置有油堰板和水堰板，主要用以調(diào)節(jié)分離罐內(nèi)的油水界面位置。常見的出油口設(shè)置位置有3種形式：底部、頂部和分離罐側(cè)壁，出水口則設(shè)置在分離罐左側(cè)下方。

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)仰角式油水分離器開展了大量的研究工作，但由于影響因素眾多，結(jié)構(gòu)形式多樣，至今尚未形成一套較為完整的設(shè)計(jì)理論和方法[1-2]。仰角式油水分離器的設(shè)計(jì)或選型主要依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主觀性較強(qiáng)，所選用的分離器往往達(dá)不到最佳分離效果。因此，為了提高油水分離效率，還需對(duì)仰角式油水分離器的內(nèi)部流場(chǎng)和油滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)仰角式油水分離器結(jié)構(gòu)并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可為該型分離器的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供切實(shí)可靠的參考依據(jù)。

1 仰角式油水分離器初步設(shè)計(jì)

仰角式油水分離器的設(shè)計(jì)步驟如下：

(1) 選擇處理溫度，確定該溫度下的原油物性參數(shù)。

(2) 確定在處理溫度下脫除原油中游離水所需停留時(shí)間。

(3) 確定在處理溫度下油水混合物中油滴的粒徑分布，選擇應(yīng)脫除的油滴臨界粒徑。

(4) 合理選擇長(zhǎng)徑比，初步確定分離器的外形尺寸。

(5) 用停留時(shí)間法檢查分離器尺寸。

(6) 改變處理溫度，重復(fù)上述計(jì)算，從多個(gè)容器尺寸中優(yōu)選合理的容器尺寸。

初步確定的產(chǎn)出液物性參數(shù)及操作工況見表1。

表1 物性參數(shù)及操作工況表

根據(jù)油水分離器的理論設(shè)計(jì)，采用停留時(shí)間法初步確定分離器外形尺寸，取分離器長(zhǎng)徑比為15，初步確定仰角式油水分離器結(jié)構(gòu)，見圖1。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法又稱正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Orthogonal Experimental Design)，是一種利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究多因素多水平試驗(yàn)的科學(xué)方法，將其應(yīng)用于仰角式油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的步驟如下：

(1) 擬定油水分離效率為試驗(yàn)方案的考核指標(biāo)，以反映仰角式油水分離器分離性能的好壞。

(2) 分析影響分離性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定影響因素和水平，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表。通過數(shù)值模擬計(jì)算出各方案的分離效率。

(3) 對(duì)正交表進(jìn)行直觀分析和指標(biāo)平均計(jì)算分析，由極差判斷出不同影響因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)方案[3]。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

仰角式油水分離器由多構(gòu)件組成，主要分析油水堰板高度及其位置、分液管孔徑、孔數(shù)等共計(jì)8個(gè)主要因素對(duì)分離效率的影響，每個(gè)因素設(shè)計(jì)5個(gè)水平，得到正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的8因素5水平表，如表2所示，進(jìn)而設(shè)計(jì)了L50(58)正交表，共50套試驗(yàn)方案。

3 仰角式油水分離器流場(chǎng)數(shù)值模擬

對(duì)不同試驗(yàn)方案采用相同的方式建模和網(wǎng)格劃分,在Gambit中建立仰角式油水分離器計(jì)算模型。分離器長(zhǎng)7.78 m，直徑為0.44 m。選用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，為了保證網(wǎng)格劃分的精度和適應(yīng)性，網(wǎng)格密度設(shè)置為2.5 mm×2.5 mm，最終生成仰角式油水分離器三維網(wǎng)格，如圖2所示。仰角式油水分離器屬于復(fù)雜多相流問題，在使用Fluent 12.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，選取恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型十分重要，具體設(shè)置如表3所列[4-6]。

表3 計(jì)算模型設(shè)置

4 最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

4.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所提供的50組試驗(yàn)方案采用Fluent數(shù)值模擬計(jì)算，可得到正交試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果表。為了便于分析，選取其中有代表性的25組建成直觀分析表，見表4。由表4可知，試驗(yàn)14的油水分離效率最高，為95.4%，試驗(yàn)20的分離效率略低，為94.4%。因此，可將試驗(yàn)14擬定為最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型(A方案)[7]。

表4 正交試驗(yàn)方案及模擬結(jié)果表

由表4可計(jì)算出油水分離效率平均值和極差(分離效率平均值的最大值與最小值之差)。通過極差分析可確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油水分離效率的影響。極差越大，表明該因素對(duì)油水分離效率的影響也越大，即為主要因素。各因素在不同水平下的油水分離效率極差分析列于表5。由表5可知，各因素對(duì)油水分離效率的影響從大到小排列依次為分液管橫向位置、分液管孔數(shù)、分液管孔徑、油堰高度、水堰高度、油堰位置、仰角、水堰位置。

表5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下分離效率極差分析結(jié)果表

針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油水分離效率的影響進(jìn)行分析，繪制各因素平均油水分離效率和水平數(shù)據(jù)之間的關(guān)系曲線，如圖3(a)～(h)所示。圖中，D為分離器筒體直徑，m；Le為分離器主分離區(qū)高度，即堰板之間的距離，m。

由圖3可得出以下結(jié)論：

(1) 油堰板高度為0.8D時(shí)，油水分離效率達(dá)到最大，為86.9%。

(2) 油堰板與封頭之間距離為0.5D時(shí)，油水分離效率最優(yōu)，為87.0%。

(3) 水堰板高度為0.4D時(shí)，油水分離效率最好，達(dá)88.7%。

(4) 水堰板位置的最佳取值范圍為1.5D～2.0D，當(dāng)距離達(dá)到2.0D時(shí)，平均油水分離效率達(dá)到87.5%的最大值。

(5) 由正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析可知，分液管的橫向位置、孔數(shù)和孔徑是影響油水分離效率的主要因素。當(dāng)分液管孔徑為2 cm時(shí)，油水分離效率最高為88.0%；當(dāng)孔數(shù)為8個(gè)時(shí)，油水分離效率最高為87.9%；當(dāng)分液管位于主分離區(qū)的80%區(qū)域時(shí)，平均油水分離效率達(dá)到89.0%的最高值。

(6) 仰角為12°時(shí)，油水平均分離效率最高，為88.9%。

4.2 確定最優(yōu)方案

經(jīng)過正交試驗(yàn)極差分析，結(jié)合各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油水分離效率的影響，選取各因素平均油水分離效率最高的水平組合，得到仰角式油水分離器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型(定為B方案)，見表6。由表6可知，因50組模擬試驗(yàn)只是全面試驗(yàn)的一部分，計(jì)算分析所得B方案并不在其中。因此，需進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，即對(duì)B方案采用相同方法進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得出分離效率為95.0%，低于直觀分析A方案所得結(jié)果(分離效率為95.4%)。原因有兩點(diǎn)：一是模擬試驗(yàn)過程中有誤差；二是影響油水分離效率的因素眾多，沒有考慮完全。

表6 仰角式油水分離器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果作進(jìn)一步分析：B方案油出口含水率較低(為39.7%)，而A方案的油出口含水率較高(為79.2%)，兩者差別較大。在分離效率僅差0.44%的情況下，綜合考慮油出口水含量和水出口油含量后，仰角式油水分離器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型最終確定為B方案[8-15]。

5 優(yōu)化前后模擬分析

仰角式油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后分離效率分別為90.5%和95.0%，可見優(yōu)化后的仰角式油水分離器油水分離效率明顯提高4.972%，油出口水含量大幅度降低。分析最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的仰角式油水分離器流場(chǎng)情況，了解分離器內(nèi)的流場(chǎng)分布特性，運(yùn)用相同的數(shù)值模擬方法，可得到結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后分離器內(nèi)的油相體積分布云圖和水相體積分布云圖，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：①在仰角為12°的情況下，參數(shù)優(yōu)化后的分離器內(nèi)的“死油區(qū)”、“死水區(qū)”體積大大減??；②分液管至油堰板區(qū)域內(nèi)的旋流影響區(qū)域減小，旋流強(qiáng)度明顯降低；③油出口附近的油相體積分?jǐn)?shù)明顯增加。

6 結(jié) 論

對(duì)仰角式油水分離器進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，結(jié)合Fluent數(shù)值模擬，研究了仰角式油水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油水分離效率的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油水分離效率的影響從大到小排列依次為：分液管橫向位置、分液管孔數(shù)、分液管孔徑、油堰高度、水堰高度、油堰位置、仰角、水堰位置。

(2) 仰角式油水分離器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型即仰角為12°，油堰高度和水堰高度分別為0.8D和0.4D，油堰位置和水堰位置分別為0.5D和2.0D；對(duì)分離效率影響最大的分液管其孔徑為2.0 cm，孔數(shù)為8個(gè)，橫向位置為80%Le。

(3) 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后分離效率提高了4.972%，分離性能得到明顯改善，表明優(yōu)化方案切實(shí)可行。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉蘇,蘇慶偉,黃坤，等.仰角式油水分離器流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(6):147-152.

[2] 馮進(jìn),丁凌云,張慢來,等.離心式氣液分離器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[J].石油機(jī)械，2007,35(2)：19-21.

[3] 侯化國(guó),王玉民.正交試驗(yàn)法[M].長(zhǎng)春：吉林人民出版社，1985.

[4] 曹晴云,姬廣勤,金有海,等.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)的數(shù)值研究 [J].流體機(jī)械,2008,36(6):36-38.

[5] 朱紅鈞,林元華,等.FLUENT流體分析及仿真實(shí)用教程[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[6] 倪玲英,張洋洋,郭長(zhǎng)會(huì).開孔波紋板油水分離器在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2013,40(1):73-76.

[7] 吳貴生主編.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

[8] 韓興剛,徐文,劉海鋒.正交試驗(yàn)法在油氣田開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2005, 25(4):116-118.

[9] 杜守成,董宏光,肖武.基于正交數(shù)值試驗(yàn)的精餾過程參數(shù)的優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2009,26(8):989-991.

[10] 李棟.有桿泵井下油水旋流分離效率影響因素[J].油氣田地面工程,2010,29(9): 16-19.

[11] 戴乾生,汪玉春,殷平. 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在管道擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2011,31(8): 90-93.

[12] 趙萬勇,楊登峰,王釗.基于正交試驗(yàn)的油氣混輸泵葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2012,41(3): 43-47.

[13] 黃夏旭,張文明,申炎華,等.基于正交試驗(yàn)的油氣懸掛設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].煤礦機(jī)械,2012,33(1): 60-62.

[14] 劉汝敏,羅智,王震,等. 正交試驗(yàn)方法在儲(chǔ)層地質(zhì)建模中的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2010,32(4): 208-210.

[15] 耿站立,姜漢橋,李杰,等. 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法在優(yōu)化注聚參數(shù)研究中的應(yīng)用[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(5): 119-121.