立式分離器兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬

田明磊 何鑫迪 陳釗

摘 要：針對(duì)海上平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)，所開(kāi)采出的為油氣混合液需要分離處理。因海上平臺(tái)自身的特點(diǎn)，提出了海上平臺(tái)主要以立式分離器為主來(lái)進(jìn)行氣液分離。而立式分離器其本身的分離效能對(duì)海上平臺(tái)的應(yīng)用至關(guān)重要。因此采用CFD模型（計(jì)算流體力學(xué)）方法對(duì)油氣兩相分離過(guò)程中的兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果表明，所采用的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模擬計(jì)算方法正確。通過(guò)分析，可以預(yù)測(cè)并反映混合液變量中，流體的不同速度，粘度對(duì)氣液兩相分離的分離效能產(chǎn)生的規(guī)律及影響，并更加系統(tǒng)深入地探討了立式分離器內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)及特，從而預(yù)測(cè)了提高立式分離器氣液分離的分離效能的影響因素，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可為海上平臺(tái)的氣液分離提供一定的理論指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：海上平臺(tái)；立式分離器；氣液兩相流；CFD模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 018 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1964-04

Abstract： Aiming at development trend of the offshore platform， produced oil and gas mixture need be separated. Based on the characteristics of offshore platform， its pointed out that the vertical separator should be used to separate oil and gas mixture on the offshore platform. And the separation efficiency of vertical separator has very important effect to application of the offshore platform. In this article， the method of CFD （computational fluid dynamics） model was used to carry out numerical simulation analysis of two-phase flow field in oil and gas two-phase separation process. The simulation results show that the mathematical model and mathematical simulation calculation method are right. Through the analysis， effect of different inlet velocity and viscosity on the gas-liquid two-phase separation efficiency can be predicted and reflected， and flow characteristics of gas-liquid two-phase flow in the vertical separator can be obtained as well as influence factors of increasing the separation efficiency of the vertical separator.

Key words： offshore platform； vertical separator； gas-liquid two-phase flow； CFD simulation

隨著地面油田產(chǎn)能衰竭，海上油田將成為主要的能源來(lái)源。由于海上平臺(tái)空間有限，所以設(shè)備要求盡量簡(jiǎn)單方便，容易操作。多相流體中含有很多從海底產(chǎn)出油、氣、水以及CO2、H2S、泥沙等多項(xiàng)雜質(zhì)的混合物，這些雜質(zhì)都會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生腐蝕及強(qiáng)度破壞。因此對(duì)多項(xiàng)混輸流體的的分離顯得十分的重要，而海上平臺(tái)空間有限，一般分離設(shè)備均為立式分離器，為此分離效率則是最為重要的衡量指標(biāo)。本文主要針對(duì)立式分離器（圖1）氣液混合流體分離為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD模型對(duì)設(shè)備內(nèi)混合液的不同粘度、入口流速和溫度參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到直接的參數(shù)分布情況。對(duì)于設(shè)計(jì)立式油氣分離器和各種運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，對(duì)其分離效能的影響有很大的參考意義[1-6]。

1 立式分離器SolidWorks建模

在進(jìn)行流體數(shù)值計(jì)算時(shí)，我們需要對(duì)圖形進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)流體域進(jìn)行三維制圖。立式分離器的主要部分是由主體圓柱體與附體三個(gè)同等大小的小圓柱體組成，模型以真實(shí)尺寸的十分之一建模。對(duì)于立式分離器的建?？梢詰?yīng)用多種方法進(jìn)行，Solid Works則直接提供了立式分離器的建模方法。

基于SolidWorks零件建模模式，采用實(shí)體建模中的拉伸、剪切，輸入Sat格式。操作Acis命令選擇立式分離器的SolidWorks文件導(dǎo)入Ansys中，模型建立完畢。

對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在嘗試了幾種體網(wǎng)格劃分方案之后，結(jié)合立式分離器圓柱體的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，網(wǎng)格采用的是Icem，自由網(wǎng)格劃分中的四面體制作網(wǎng)格。網(wǎng)格的大小定義為5，共劃分了193 475個(gè)網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

2 立式分離器兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程分析

質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律是控制流體流動(dòng)的主要守恒定律。由于還存在不同組分之間的混合和相互作用，所以系統(tǒng)還要受到組分守恒定律的支配。

（1）進(jìn)出口邊界條件

在三維模型中，入口流體的流速分別被設(shè)置為Vin=0.8 m/s，分離器圓柱形入口尺寸為r=0.05 m，這樣可以根據(jù)尺寸和入口流速計(jì)算出設(shè)備內(nèi)主體流速；立式分離器的兩個(gè)出口都設(shè)為流量出口邊界條件。其兩個(gè)出口尺寸r=0.05 m。為油氣混合液的油氣比例設(shè)置為0.95。假若完全分離則出油口的體積流量分?jǐn)?shù)應(yīng)為95%，出氣口的體積流量分?jǐn)?shù)是5%。在立式分離器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬計(jì)算中，為了確保結(jié)果更離實(shí)際情況更近，在定義邊界條件時(shí)，出油口的體積流量分?jǐn)?shù)和出氣口的體積流量分?jǐn)?shù)分別控制在95%和5%。

（2）壁面邊界條件

根據(jù)基本假設(shè)不但要把除進(jìn)、出口以外設(shè)為壁面邊界，還要把流體在壁面處設(shè)成絕熱無(wú)滑移。在對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，操作環(huán)境定義為在重力場(chǎng)中進(jìn)行，且操作的環(huán)境壓力為0.101 325 MPa。

2.1 流體流速對(duì)分離影響的數(shù)值模擬

不同流體流速對(duì)立式分離器分離效果有明顯的影響。本模型的計(jì)算將溫度為533 K，流體粘度為0.006 kg/（m·s）為定值的條件下，通過(guò)單一變量法控制流體流速的變化，觀察分析對(duì)分離效能的影響。模型分別模擬了流體流速分別為0.5，0.8，1.1 m/s時(shí)，三種流速對(duì)分離器分離效率的影響的濃度相分布圖，參見(jiàn)3-8圖：

從圖3，圖5與圖7中顯示了氣體濃度分布，從中可以看出分離液中的氣體濃度隨著流速的升高，氣體濃度分布逐漸在升高，分離效果在降低。

從圖4，圖6和圖8中顯示了液體濃度分布，從中可以看出分離液中的液體隨著流速的升高，濃度分布在升高，分離效能在下降。

從圖9和10中可以看出，當(dāng)流體流速增大時(shí)，出氣率和出油率都隨之降低，立式分離器的分離效率隨之減?。涣⑹椒蛛x器的分離效率隨著入口速度的減小而增大。同時(shí)從圖中看出，流體流速的變化對(duì)分離效率曲線(xiàn)的影響總體來(lái)說(shuō)比較大。

2.2 流體粘度對(duì)分離影響的數(shù)值模擬

通過(guò)單一變量控制溫度，單一的來(lái)改變油粒的粘度，只讓油的粘度隨溫度變化，并假設(shè)在特定溫度下油的密度及水的密度和粘度為定值。在設(shè)定邊界條件時(shí)，設(shè)置的是在規(guī)定的溫度下油粒的粘度值，而不是溫度值。

溫度對(duì)油相粘度的影響是比較大的，本節(jié)分別模擬了在流體流速為0.8 m/s時(shí)，在溫度為315 K時(shí)，動(dòng)力粘度為229.086 8 kg/（m·s）；在溫度為333 K時(shí)，動(dòng)力粘度為35.541 kg/（m·s）；在溫度為533 K溫度時(shí)，動(dòng)力粘度為0.006 kg/（m·s）的油品對(duì)分離器分離效率的影響的濃度相分布圖，參見(jiàn)下圖11-18：

（1）在溫度為315 K時(shí)，粘度為229.086 8 kg/（m·s）：

（2）在溫度為333 K時(shí)，粘度為35.541 kg/（m·s）：

（3）在溫度為533 K溫度時(shí)，粘度為0.006 kg/（m·s）：

從圖11，圖13及圖15的濃度相分布圖中可以看出，在同一流速下，油品的粘度越大，油出口上油氣混合相的濃度值越小，油所占的體積分?jǐn)?shù)越小。

從圖12，圖14及圖16可以看出，油品的粘度越大，氣出口中出氣的濃度越小，分離器的分離效率就越小。

而圖17和圖18是根據(jù)不用粘度下的出氣率和出油率繪制出的曲線(xiàn)圖，我們可以直觀的看出，油品隨著粘度的增加，出氣效率與出油效率都隨著下降，因此分離器的分離效率也隨之變小

3 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)對(duì)氣液混合液不同流速在分離內(nèi)部流場(chǎng)的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)流體流速增大時(shí)，出氣率和出油率都隨之降低，立式分離器的分離效率隨之減小。

當(dāng)流體流速減小時(shí)，立式分離器的分離效率也隨之增大。流體流速的變化對(duì)分離效率曲線(xiàn)的影響總體來(lái)說(shuō)比較大。

經(jīng)模擬分析可知，適當(dāng)?shù)奶岣呷肟诹魉俚乃俾?，增大流體的流速，對(duì)立式分離器中氣液的分離產(chǎn)生積極的影響，可以大幅提高分離器的分離的效能。

（2）通過(guò)對(duì)氣液混合液不同粘度在分離內(nèi)部流場(chǎng)的模擬結(jié)果顯示，氣液混合物的粘度越大，分離器的出氣率和出油率都隨之降低，則分離器的分離效率越低，越不利于油氣混合物的分離。

因此，在溫度較低或油的粘度很大時(shí)，并不利于油氣的分離效果，應(yīng)該適當(dāng)?shù)募訙貋?lái)降低油氣混合液的粘度，來(lái)提高分離器對(duì)氣液混合液的分離效能。

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