振動對油水分離器處理效率影響研究

何生兵，倪玲英（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東　青島266580）

振動對油水分離器處理效率影響研究

何生兵，倪玲英
（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

安裝在海洋平臺、FPSO以及采油船上的油氣水處理裝置始終處于振動狀態(tài)，為了了解振動對分離過程的影響規(guī)律，利用FLUENT軟件結(jié)合UDF軟件分別對振動和非振動工況環(huán)境下的油水分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過對比模擬結(jié)果表明，振動對分離器的分離效果、油水相的分布以及內(nèi)部的流場均有顯著影響。建議在設(shè)計(jì)油水分離器時(shí)考慮振動的影響。

油水分離器；數(shù)值模擬；振動

直到最近幾年，無論是三相分離器還是兩相分離器的設(shè)計(jì)才逐漸趨于成熟［1］。然而對于一些比較極端的工作環(huán)境，例如安裝在海洋平臺、FPSO、采油船等上面的油氣水處理設(shè)備，仍然需要進(jìn)一步研究6個自由度（垂蕩、橫蕩、縱蕩、縱搖、橫搖、艏搖）方向振動對油氣水處理設(shè)備處理效率的影響。作為一種靈活、經(jīng)濟(jì)的方法，CFD（計(jì)算流體動力學(xué)軟件）在分離器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的作用日益顯現(xiàn)，它能夠模擬各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積尺寸大、無法在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)備，并能夠提供精確的、可視化的結(jié)果，可以有效地縮短設(shè)計(jì)周期，并且對分離機(jī)理和過程有更好的理解［2］。本文應(yīng)用CFD作為工具來研究振動對油氣水處理設(shè)備處理效率的影響。

1　CFD數(shù)學(xué)模型

歐拉模型是CFD軟件中最為復(fù)雜的多相流模型，計(jì)算的結(jié)果也最為精確［3］。本文通過結(jié)合歐拉模型和kε湍流模型來模擬油水分離器。為了模擬的正常進(jìn)行，做如下假設(shè)：油滴直徑為150μm，忽略乳化、起泡、破碎和聚結(jié)的影響；油水之間的表面張力、升力、虛擬質(zhì)量力均不予考慮?？刂品匠痰那蠼饫肍LUENT14.5流體力學(xué)計(jì)算軟件完成。

1.1歐拉模型

歐拉模型由每一相的連續(xù)性和動量方程控制，對次相的體積分?jǐn)?shù)以分離方式求解。所有各相共享一個獨(dú)立的壓力場，相間通過合適的交換系數(shù)來耦合。

FLUENT通過式（1）的連續(xù)性方程離散格式，能夠得到每一相的體積分?jǐn)?shù)。

為了保證連續(xù)性，每一個控制單元內(nèi)部應(yīng)該滿足式（2）的條件。

式中：n為相數(shù)目；αq為第q相的體積分?jǐn)?shù)；ρq為第q的物理密度；vq為第q相的速度；mpq為p相到q相的質(zhì)量傳遞。

每一相的動量方程為

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為）

式中：μq和λq是q相的剪切黏度和體積黏度。

式中：Kpq為相間交換系數(shù)，其通用形式為Kpq=f為曳力函數(shù)；τ為顆粒的弛豫時(shí)間，τ根pp據(jù)交換模型選擇不同其表達(dá)形式也不同，本文所選的交換模型為Schiller-Naumann模型，顆粒的弛豫時(shí)間τ為p相液滴或氣泡的直徑。

1.2k-ε湍流模型

利用kε湍流模型求解油水混合物的湍動能和湍動能耗散率。微分形式的湍動能和湍動能耗散率為

式中：ρm為混合密度；vm為混合速度；μt，m為紊流黏度；Gk，m為紊動能產(chǎn)生源；模型常數(shù)的取值為C1ε= 1.44；C2ε=1.92；σk=1；σε=1.3

1.3等效模型

海洋平臺、FPSO和采油船上的油氣水處理設(shè)備均有一個共同的特點(diǎn)，即分離器的空間位置在隨時(shí)間發(fā)生變化，假設(shè)分離器以正弦形式x= A sin（ωt）運(yùn)動，與之等效的模型為分離器位置不變，對其內(nèi)部的液體施加¨x=-Aω2sin（ωt）的加速度［4］，通過FLUENT的UDF可以實(shí)現(xiàn)動量源項(xiàng)的添加，通過式（3）可知，需要對歐拉模型中的每一相均添加動量源項(xiàng)。

2　問題描述

2.1幾何模型

振動對氣相中液相的分離效果影響不明顯［5］，為減少計(jì)算量，選擇油水兩相分離器進(jìn)行研究，由于研究振動對油水分離的影響，因此內(nèi)部不設(shè)置任何聚結(jié)構(gòu)件和整流構(gòu)件，油水兩相分離器的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，模型為二維模型。該分離器根據(jù)油水分離器設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)。

圖1　油水分離器的結(jié)構(gòu)和尺寸

2.2振動參數(shù)

本文選擇安裝在固定式平臺上的分離器來進(jìn)行研究。對于固定式平臺，波浪按某一方向角作用在平臺樁腿上，平臺在波浪入射方向振動最為劇烈，因此對分離器分離效率影響也越大。本文只研究該方向上的振動對分離器分離效果的影響，即對圖1中的分離器內(nèi)液體施加水平方向的激勵。以渤海海域?yàn)槔?，一年一遇的平均波浪周期?.4s，十年一遇的平均波浪周期為7.7s，百年一遇的平均波浪周期為8.6s［5］。選擇激勵的周期分別為5 s、8s和10s，即激勵頻率w為1.256 rad／s、0.785rad／s和0.628 rad／s，振動幅值A(chǔ)為0.1～0.5 m，振動通過編寫UDF函數(shù)，以正弦形式加載。

2.3物理性質(zhì)和邊界條件

模擬介質(zhì)選為白油和水［6］，其物性分別為：

水的密度為998.2 kg／m3，動力黏度為1.003× 10-3Pa·s；白油的密度為870 kg／m3，動力黏度為0.15 Pa·s。

邊界條件的設(shè)置：

入口為速度入口，流速為0.1 m／s，其中的油含量為0.3，水含量為0.7。湍流度為0.05，水力直徑為0.030 m；油出口為壓力出口，壓力為大氣壓，湍流強(qiáng)度為0.02，水力直徑為0.015 m；水出口為壓力出口，壓力為4 657.2 Pa，湍流強(qiáng)度為0.02，水力直徑為0.020 m。

因?yàn)榭赏ㄟ^調(diào)節(jié)水出口的壓力值來控制油水界面高度，本文模擬使用壓力出口更加符合實(shí)際情況。

3　討論與分析

計(jì)算過程為非穩(wěn)態(tài)，時(shí)間步長取0.01s，模擬時(shí)間為600s，符合液液分離設(shè)計(jì)時(shí)間（3～30 min）［7］。另外，由于振動是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，原則上要求使用非穩(wěn)態(tài)模擬。一次模擬大概需要24h，總共進(jìn)行了16組數(shù)值試驗(yàn)。

3.1油水分離效率

油水分離的效率通過水出口中的油含量以及油出口中的水含量來評價(jià)。通過對出口各個節(jié)點(diǎn)處的含油量和含水量取平均值，可求得水出口平均含油量以及油出口平均含水量。數(shù)值試驗(yàn)首先對非振動操作環(huán)境的油水分離器進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果為水出口含油量為0.325%，油出口的含水量近似0，這也說明在無振動條件下油水分離器基本能夠滿足分離要求。為研究振動對分離效率的影響規(guī)律，振動頻率分別選取為0.628 rad／s、0.785 rad／s和1.256 rad／s，振動幅值取值分別為0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 m，計(jì)算數(shù)據(jù)如表1及圖2～3所示。

表1　不同振動頻率以及振幅工況下的分離效率（t=600 s）

分析表1以及圖2～3發(fā)現(xiàn)，振動操作環(huán)境下，水出口的含油量與無振動操作環(huán)境相比顯著增加，而油出口的含水量增加也較為明顯，振動對分離效率影響的總體趨勢為隨著頻率和振幅的增加，分離效率逐漸降低，以振動頻率ω=1.256 rad／s、振幅A =0.5 m為例，水出口含油量為2.973%，油出口含水量為3.473%，與無振動時(shí)相比，分離效果已經(jīng)很差。

圖2　水出口含油量（t=600 s）

圖3　油出口含水量（t=600 s）

3.2油水相的濃度分布

油水分離器內(nèi)不同工作環(huán)境下的油水相體積分?jǐn)?shù)如圖4（振幅為0.4 m）和圖5（頻率為0.785 rad／s）所示，由于水相的體積分?jǐn)?shù)與油相的體積分?jǐn)?shù)和為1，在此不再給出。理論上，實(shí)現(xiàn)油水高效分離的的理想油水分布應(yīng)當(dāng)是油相集中在分離器上部，水相集中在下部。分析圖4～5發(fā)現(xiàn)，振動條件下油水混合層的空間范圍有所增大，并且隨著振動頻率和振幅的增大油水混合愈加嚴(yán)重，以振幅0.4 m，頻率1.256 rad／s為例可以看出，此時(shí)的油水混合與無振動相比較已經(jīng)非常嚴(yán)重。另外，與無振動相比，振動條件下油相分布有整體向下移動的趨勢，這也直觀地解釋了振動如何影響分離器內(nèi)部的油水相體積分布。

圖4　不同頻率油相濃度（A=0.4 m）

圖5　不同振幅油相濃度（ω=0.785 rad／s）

3.3油水分離器內(nèi)部流場

分離器內(nèi)的流場的分布直接影響著油水分離的效率，無振動條件和振動條件下的油水相流線圖如圖6～7所示，在此只給出水相的流線圖。很明顯，振動條件下，無論油相還是水相，回流比較顯著，均出現(xiàn)一定程度的波動。隨著振動頻率和幅值的增加，分離器內(nèi)部的流場更加紊亂，回流更加嚴(yán)重。究其原因，主要是因?yàn)橛退蛛x器在外界振動的影響下往復(fù)運(yùn)動，而液體具有慣性，勢必會導(dǎo)致流場的波動，回流使油滴在分離器內(nèi)的停留時(shí)間增加，降低油水分離效率。一般油水分離器的設(shè)計(jì)，都是根據(jù)斯托克斯定律，并且基于分離區(qū)處于層流的假設(shè)，而振動會導(dǎo)致紊流的出現(xiàn)，會引發(fā)油水相的二次混合和增加乳化液的產(chǎn)生等問題，使得油水相難以分離，達(dá)到分離標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間便會延長，因此在油水分離器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮振動對其分離內(nèi)部流場的影響，具體可以適當(dāng)增加停留時(shí)間或者加設(shè)整流板和聚結(jié)構(gòu)件。

圖6　不同振動頻率下水相流線圖（A=0.4 m，t=600 s）

圖7　不同振動幅值下水相流線圖（ω=0.785 rad／s，t=600 s）

4　結(jié)論

本文借助CFD軟件對固定式平臺上油水分離器進(jìn)行數(shù)值模擬，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，對振動條件下的油水分離規(guī)律有了更好、更直觀的理解，也為振動工況環(huán)境下油水分離器的設(shè)計(jì)提供了一種可行的方法。結(jié)果表明，振動對油水分離的影響主要表現(xiàn)為：油水混合層的空間分布范圍變廣，水出口的含油量以及油出口的含水量均顯著增加，油水分離器內(nèi)部的流場產(chǎn)生一定程度的波動，油水分離困難，分離時(shí)間延長，最終導(dǎo)致分離效率的降低，并且隨著振動頻率和幅值的增加，這種影響會更加嚴(yán)重。另外，本文假設(shè)外界振動在一個方向上，即單自由度激勵，這對固定式平臺用油水分離器是合理的。如果是浮式采油平臺或者FPSO，則應(yīng)考慮三維油水分離6個自由度方向的激勵，那么對分離效果的影響將變得更為復(fù)雜。因此在進(jìn)行油水分離器的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮振動對分離效果的影響，建議在分離器內(nèi)部加設(shè)整流板及聚結(jié)構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流場并加速聚結(jié)的作用，提高分離效率，另外也可以從增加停留時(shí)間和減少油水分離器振動的方面予以考慮。

［1］Frankiewicz T，Lee CM.Using computional fluid dy-namics（CFD）simulation tomodel fluidmotion in process vessels on fixed and floating platforms［R］. SPE 77494，2012.

［2］Kharoua N，Khezzar L，Saadawi H.Application of CFD to debottleneck production separators in major oil field in Middle East［R］.SPE 158201，2012.

［3］ANSYS Inc.Fluent User Guide and Fluent Theory Guide［S］.2012.

［4］陳志偉.移動式壓力容器介質(zhì)晃動數(shù)值模擬及防波裝置研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［5］岑康.浮式平臺用油氣水分離器內(nèi)液相的晃蕩抑制研究［D］.南充：西南石油大學(xué)，2012.

［6］張黎明，何利民，王濤，等.重力分離器聚結(jié)構(gòu)件數(shù)值模擬及優(yōu)化研究［J］.化工機(jī)械，2008，35（1）：17-21.

［7］Arnold K，Stwart M.Surface Production Operations，Volume 1，third Edition，Design of Oil-Handling Sys-tems and Facilities［D］.USA：Gulf Professional Pub-lishing，2008.

Research on Effect of Vibration on Efficiency of Oil-water Separator

HE Shengbing，NI Lingying
（School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（Huadong），Qingdao 266580，China）

The oil-gas-water treatment plants mounted on platform，F(xiàn)PSO or oil recovery vessel are in a ever-vibratory state，which may have disadvantageous effects on the plants efficiency.With the help of FLUENT combined with UDF，oil-water separators operated in vibratory and non-vi-bratory environment were simulated，aiming to have a fully understanding of the effects of vibra-tion on the performance of separators.Simulation result comparisons between vibratory and non-vibratory separators show that vibration has significant effects on the separation performance，the distribution of oil and water as well as the flow field in the separator.It is highly recommended that the effects of vibration should be taken into consideration during the design of oil-water sepa-rator.

oil-water separator；numerical stimulation；vibration

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.004

1001-3482（2015）12-0014-05

2015-06-01

何生兵（1991-），男，甘肅永登人，碩士研究生，主要從事海洋油氣開采與集輸方面的研究，Email：1239969568＠qq.com。