重力式三相分離器流體分析

劉　琦，肖文生，吳　磊，谷向郁

(中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266555)①

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重力式三相分離器流體分析

劉琦，肖文生，吳磊，谷向郁

(中國石油大學(華東) 機電工程學院，山東 青島 266555)①

油氣水三相分離器是油田集輸系統(tǒng)中的關鍵設備。根據(jù)流花16-2油田數(shù)據(jù)，設計了一種重力式三相分離器，通過計算得出三相分離器尺寸，并以此為依據(jù)進行建模。利用Fluent軟件，對三相分離器模型進行網(wǎng)格劃分，確定邊界條件，并進行流體分析。通過分析模型的油氣水三相體積分數(shù)云圖、軸線上油氣水三相體積分數(shù)分布曲線圖、分離器出口、入口的速度流線圖、截面壓力圖等，對其結構進行優(yōu)化。并驗證了增加整流構件的必要性。

三相分離器；Fluent軟件；流體分析

原油處理是將開采上來的原油分離出伴生氣及污水，對原油進行處理后外輸。三相分離器是石油工業(yè)中油田集輸系統(tǒng)的關鍵設備，其作用是將油氣水分離，以確保原油生產(chǎn)的進行和污水的排出[1]。三相分離器的設計原理差別較大，美國CE-NATCO公司采用“淺池原理”[2]，其分離速度較快；瑞典阿法拉法公司采用“離心分離原理”，其是一種蝶片式離心機，具有占地面積和質(zhì)量小，停液時間短，可組合使用，操作簡便等優(yōu)點，適合海上環(huán)境。近年我國在三相分離器的研制上取得了較大突破，大慶、大港、江漢、中原、河南等油田研制了將游離水分離和沉降分離結合的“合一裝置”；長慶油田引進了HXS型油氣水三相分離器，取得了良好的測試效果[3]；大港油田首創(chuàng)了陶粒脫水器，研制了微波脫水技術[4]。國外對重力式分離器的流體分析研究起步較早，S.H.Khor[5]等人利用三相流模型，得出了更為精確的油氣水三相體積分數(shù)計算關系式。美國Idhao大學[6]利用激光多普勒測速儀(LDV)做了速度場分布測試。國內(nèi)研究在近幾年才開始，且大多為油田服務[7]。本文介紹了一種重力式三相分離器，并對其進行流體分析。

1　重力式三相分離器

1.1結構

重力式三相分離器由入口分流區(qū)、集液區(qū)、重力沉降區(qū)、除霧器區(qū)4部分組成，如圖1所示。采出液首先進入入口分流區(qū)，氣液的預分離在采出液的液流動量發(fā)生改變時完成，預分離后，液體進入集液區(qū)、沉降區(qū)，油聚集到上層，水沉降到底層；采出液通過集液區(qū)后，上部分的油液溢過堰板，進入油室，由液位控制閥控制其排出、控制油室的油位，下部分的水經(jīng)排水閥排出分離器；預分離后的氣體在重力沉降區(qū)內(nèi)去除較大的液滴，在除霧器內(nèi)去除較小液滴，液位控制閥控制氣的排出，保證了內(nèi)部壓力。

三相分離器設計時需要考慮液滴沉降、液滴大小、停留時間3方面內(nèi)容。液滴大小很大程度上影響了三相分離器的處理效果。在氣液部分，三相分離器的重力沉降部分可去除大于100 μm的顆粒，除霧器去除更小的液滴，其可以根據(jù)氣體容量方程進行設計。在液液部分，預測油中水滴尺寸很難，500 μm或者大于500 μm的水滴能夠從油層中析出。停留時間指氣體或液體在容器中停留的平均時間[8]，其影響分離器中氣液是否達到平衡狀態(tài)。

圖1　臥式三相分離器平面結構示意

1.2內(nèi)部構件

選擇三相分離器尺寸時，如果達不到油氣水三相分離的目的，需安裝內(nèi)部構件或者采用其他方式促進分離。一般內(nèi)部構件選用入口分流器、除霧器、噴砂嘴、排砂管、整流構件、聚結構件等。

1.3尺寸計算

本文以位于南海深水海域的流花16-2油田為例。其基本參數(shù)及其伴生氣性質(zhì)參數(shù)如表1～2。

表1　流花16-2油田基本參數(shù)

表2　流花16-2油田的伴生氣性質(zhì)參數(shù)

取最大油處理量200 Mbopd(千桶/日)，即Qo=31 796 m3/d= 22.08 m3/min；最大氣處理量180 MMscfd(百萬標準立方英尺/日)，即Qg=5.09 702×106m3/d=58.99 m3/s；最大水處理量300 Mbopd(千桶/日)，即Qw=47 694 m3/d=33.12 m3/min。已知油水混合物在0.3 MPa(表壓)、20 ℃下分離，則原油密度ρo=865 kg/m3。根據(jù)相平衡計算在分離條件下，油相停留時間等于水相停留時間，取油相停留時間為8 min。由于目標平臺處理量較大，原油處理系統(tǒng)選擇采用2套系統(tǒng)并行處理，即Qw1=Qw2=16.56 m3/min，Qo1=Qo2=11.04 m3/min；天然氣處理系統(tǒng)采用3套設備并行處理，即Qg1=Qg2=19.66 m3/s。則三相分離器尺寸計算如下：

當液滴直徑為500 μm時，最大油層厚度為

(1)

式中：tro為油的停留時間，min；ρw為水的相對密度；ρo為油的相對密度；dm為液滴直徑，mm；μo為液體黏度，Pa·s。

由于油相停留時間等于水相停留時間，分離器中水相橫截面積與分離器橫截面積之比為

(2)

取分離器在半滿狀態(tài)下系數(shù)β=0.18，則分離器的最大直徑為

(3)

取阻力系數(shù)處置0.34，則氣相中液滴沉降速度vt及阻力系數(shù)CD為

vt=0.0108 m/s，CD=1.827

(4)

根據(jù)氣體容量約束方程式可得：

=2.6×105

(5)

根據(jù)停留時間約束方程式：

d2Leff=4.2×104(Qwtrw+Qotro)

=4.2×104×(10×16.56×60+10×11.04×60)

=6.9×108

(6)

理論上應取以上兩式結果中的較大值為分離器的縫間長度。且經(jīng)驗表明，縫間長度與直徑比值即最佳長徑比為3～5。上述方程中停留時間約束方程的計算結果顯然比氣體容量約束方程式的計算結果小，故以后者作為依據(jù)?？p間長度取兩式中較大值，得分離器直徑與長度關系如表3所示。

表3　分離器直徑與長度的關系

考慮最佳長徑比的范圍以及分離器尺寸的加工精度，選取分離器直徑為5.6 m，分離器長度為16.8 m。

根據(jù)三相分離器尺寸可知，分離器為筒體較長的臥式分離器。采用與分離器軸線垂直的采出液進入方式，在入口處設置分離器的整流構件，以防止出現(xiàn)波浪，如圖2所示。在分離器內(nèi)部設置聚結構件，使油中水滴沉降至水層，水層的油滴升至油層，如圖3～4所示。由于分離器對氣體純凈度要求不高，故不安裝除霧器裝置。

圖2　整流構件

圖3　整流構件(上)

圖4　聚結構件(下)

三相分離器大多支撐安裝在平臺上。罐體是三相分離器的主體，除罐體外，為了方便三相分離器的使用、維修、檢驗等，還設置有一系列的設施。設計的重力式三相分離器結構如圖5所示。

圖5　重力式三相分離器結構示意

2　三相分離器流體分析

2.1分析模型

三相分離器的處理對象為原油采出液，處理目的為油、氣、水的三相分離，并且其流動狀態(tài)以湍流為主，故使用多相流模型和湍流模型進行計算分析。多相流模型可以分為VOF、Mixture、Eulerian 3種模型[9]。VOF模型適用于流體各相之間不能混合的模型；Eulerian模型因確定計算的方程較大，適于相對較簡單的模型；Mixture模型適用于經(jīng)過簡化的多相流模型，主要由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程構成。

Fluent軟件中的湍流模型有S-A、k-ε、RSM、LES、分離渦5種模型。標準k-ε模型適用于初始的迭代；重整化k-ε模型適用于應變率比較高或者流線彎曲比較大的情況；現(xiàn)實k-ε模型有較高的精度，并且其能夠避免產(chǎn)生正應力，適用于均勻剪切流、分離流、分層流等模擬中。

由于重力式三相分離器油氣水互相滲透，故采用Mixture模型。流場模擬可能出現(xiàn)湍流流動情況，采用現(xiàn)實k-ε模型。一方面為控制影響因素變量，另一方面為保證仿真的可靠性，不考慮對進行流體分析的模型添加內(nèi)部構件，建立的幾何模型如圖6所示。

圖6　三相分離器的幾何模型

2.2網(wǎng)格劃分

通過ANSYS Workbench 13.0對模型進行網(wǎng)格劃分，共得到面223 124個，節(jié)點42 963個。網(wǎng)格的過渡比為0.272，增長率為1.2。網(wǎng)格劃分結果如圖7。

圖7　重力式三相分離器網(wǎng)格劃分

2.3邊界條件確定

三相分離器流體分析邊界條件主要分為入口邊界條件和出口邊界條件。

Fluent軟件常用的入口邊界條件有質(zhì)量入口、壓力入口、速度入口、進風口、進氣扇等邊界條件。由于所設計的重力式三相分離器的質(zhì)量、壓力等條件不確定，故采用速度入口邊界條件。出口邊界條件有出流、壓力出口、排風口、排氣扇、壓力遠場等邊界條件。出流邊界條件限制最少，但出流情況很容易對內(nèi)部流場形成干擾。實際結構中，分離器使用液位檢測來控制油出口的油和水出口的水的出入情況，故采用壓力出口邊界條件。三相分離器的邊界條件如表4。

表4　三相分離器的邊界條件

表4(續(xù))

2.4流體分析

三相分離器的性能取決于氣出口含液、油出口含水及水出口含油[10]。可以通過流體分析中密度分布輪廓線和油氣水三相體積分數(shù)等值線表征分離器內(nèi)部的分離情況。

首先對模型的進行初始化，然后進行迭代計算，迭代1 000次后，基本達到平穩(wěn)，變量殘差在10-3以下。

2.4.1密度、體積分數(shù)分析

通過流體密度云圖(如圖8)及油氣水三相體積分數(shù)云圖(如圖9～11)，可以看出重力式三相分離器可分為3層，底層流體密度為895～935 kg/m3，中間層及堰板右側范圍流體密度為700～790 kg/m3，上層流體密度為25.4 kg/m3。各層流體密度范圍基本符合天然氣、原油、水的密度范圍。

由油氣水出口軸線上油氣水三相體積分數(shù)分布如圖12所示?？梢钥闯鲈跉獬隹谔?，油相和水相的體積分數(shù)接近0，氣相體積分數(shù)約為0.98，氣液分離可以滿足設計要求。油出口處，油相體積分數(shù)約為0.8，水相體積分數(shù)約占0.2，氣相體積分數(shù)接近0。

水出口處含油率在0.2左右，氣相體積分數(shù)接近0。故三相分離器尺寸設計基本能滿足要求。

圖8　截面的流體密度云圖

圖9　油相體積分數(shù)云圖

圖10　氣相體積分數(shù)云圖

圖11　水相體積分數(shù)云圖

圖12　軸線上油氣水三相體積分數(shù)分布曲線圖

2.4.2速度分析

對三相分離器速度分布情況進行分析，可得截面的速度矢量圖和速度云圖，如圖13～14所示。由圖13～14可知，原油采出液進入分離器時速度較大，在出口處以及分離器器壁部分運動明顯，在沉降段速度較小，甚至接近0。由此可知，液體在分離器內(nèi)部停留的時間較長，能夠滿足停留時間方面的要求。在分離器入口處液體速度快，要盡量采取措施減小其大小，以防止液體沖擊分離器而產(chǎn)生劇烈波動，使分離液沉降過程順利完成。

在分離器入口和3個出口處速度變化較大，故選取入口及出口處的截面進一步分析。圖15為4個截面速度的等值線圖。

由圖15可知，原油采出液進入分離器后流體沿圓周擴散，引起流體速度變化不大。3個出口截面速度變化不大，出口處速度變大，內(nèi)部流體速度產(chǎn)生的影響僅限于出口附近。入口和出口的流速基本不會干擾分離器內(nèi)氣液或者油水的分離。

圖13　速度矢量圖

圖14　速度云圖

圖15　出入口截面速度等值線

入口和出口處速度流線如圖16所示。液體進入入口后，部分液體與液面碰撞，然后沿液面開始流動，部分液體向上流動，由于向上部分流動不規(guī)則，將阻礙液滴沉降，故需要添加整流構件。由圖16b可以看出，氣出口液體流動會影響周圍部分氣相體積分數(shù)，油出口與水出口液體流動會影響整個液體部分。液體排出時會造成渦流，需要在出口前增加構件。

2.4.3壓力及動能分析

分離器內(nèi)部堰板前后油室壓力等級分布云圖如圖17所示。由于自重，下層液體的壓力隨深度增加而增大，堰板后油室壓力等級比堰板前油室壓力等級小。湍動能分布云圖如圖18。由圖18可知，入口和出口處的湍動能較大，表明入口和出口速度較大。

圖16　出入口處速度流線圖

圖17　堰板前后油室壓力等級分布云圖

圖18　湍動能分布云圖

3　結論

1)通過分析油氣水三相體積分數(shù)云圖和軸線上油氣水三相體積分數(shù)曲線圖，設計的重力式三相分離器實現(xiàn)了三相分離的目的。

2)通過三相分離器出口和入口速度流線圖驗證了該設備增加整流構件的必要性。

3)通過分析堰板前后油室壓力等級分布云圖以及湍動能分布云圖，要求堰板具有足夠的強度和耐沖擊性，以防止堰板由于前后壓力變化而產(chǎn)生變形，甚至破壞。

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Fluid Analysis of Gravity Type Three Phase Separator

LIU Qi，XIAO Wensheng，WU Lei，GU Xiangyu

(College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

Oil-gas-water three-phase separator is the key equipment in the oilfield gathering and transportation system，whose design principle is much different.According to data of Liu Hua 16-2 oil field，designing a gravity type three phase separator.The size of three-phase separator is calculated to build model.Using Fluent software to mesh for three-phase separator，boundary conditions are made and a fluid analysis is obtained.According to analyzing three phase volume fraction cloud chart， the curve graph of three phase volume fractiondistributionontheaxis， thespeed streamline chart for outlet and inlet of separator and cross section pressure figure，presenting the demand for structural optimization and verifying the necessity of adding rectifier components.

three-phase separator；Fluent software；fluid analysis

1001-3482(2016)10-0015-07

2016-04-11

工信部高技術船舶科研項目“深海半潛式生產(chǎn)平臺總體設計關鍵技術研究”

劉琦(1994-)，男，天津人，主要從事機械設計制造及其自動化研究，E-mail：liuqi_xi@163.com。

TE931.1

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.004