三相分離器創(chuàng)新結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔瑋琳，汪瑛，孟陵，杜昌順，周濤，牟井輝

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三相分離器創(chuàng)新結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔瑋琳，汪瑛，孟陵，杜昌順，周濤，牟井輝

（沈陽工業(yè)大學(xué)遼陽分校 油氣儲運(yùn)教研室，遼寧 遼陽 111000）

隨著油田進(jìn)入高含水期，提高三相分離器的分離效率迫在眉睫。本文通過對三相分離器分離原理、分離器內(nèi)液滴運(yùn)動情況以及影響分離器效率等因素的分析，選擇合適的油氣分離方法，運(yùn)用分析、綜合等方法來創(chuàng)新設(shè)計(jì)捕霧器、油水堰板、集砂斗等部分元件，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后提出了三相分離器的數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)修正后的分離理論和公式對三相分離器提出改進(jìn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明新型三相分離器的分離效率可以得到大幅度提高。

三相分離器；分離效率；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；數(shù)值分析

三相分離器是油氣田開采的關(guān)鍵分離設(shè)備之一，它的設(shè)計(jì)效率決定了能否達(dá)到采出液的存儲和運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)。若設(shè)計(jì)地不合理，地表采集系統(tǒng)的工作效率將被大大地限制。目前生產(chǎn)的三相分離器的分離的精度雖然標(biāo)準(zhǔn)較高，但都還存在著普遍適用性較差的問題，無法滿足油氣水分離的預(yù)期要求[1-6]。所以本文研究了一種新型油氣水三相分離器，以實(shí)現(xiàn)更加高效的油氣水分離效果。

1 三相分離器的創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 捕霧器原件改進(jìn)設(shè)計(jì)

捕霧器分離原件是油氣田采集系統(tǒng)中進(jìn)行氣、液分離的流程單元之一[7]。本裝置進(jìn)行的改進(jìn)是在原有三相分離器的基礎(chǔ)上，利用碰撞分離的原理在其內(nèi)部增添了二級捕霧器。這樣能夠更好的解決生產(chǎn)中伴生氣脫水效率不高和液滴的二次夾帶問題。改裝后的分離器在保證采出物分離系統(tǒng)合理運(yùn)行的前提下，提高了氣霧處理量，形成分離全程密閉、工藝自動和處理高效的循環(huán)體系。

工作原理如下：油氣水混合物從油氣水進(jìn)口切向進(jìn)入第一捕霧器后形成旋流，在此處能夠去除氣體中攜帶的粒徑為 10~100 μm的油霧，加速了氣液的分離，大幅度地縮短氣體溢出時間；初步分離后的氣體中仍夾帶有大量的小液滴，氣體中夾帶的小液滴通過第一捕霧器后進(jìn)入第二捕霧器，此處能夠更好的將在分離器重力沉降段內(nèi)未能除去的較小油滴在捕霧構(gòu)件中加以捕集，然后從第二捕霧器頂端的氣體出口流出。三項(xiàng)分離器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 三相分離器結(jié)構(gòu)圖

1.2 油水堰板改進(jìn)設(shè)計(jì)

油水堰板是用于油、水分離的遮擋板，水堰板的高度通常比油堰板低一些，油堰板高度通常是分離器直徑的 0.6 倍左右[8]。普通三相分離器內(nèi)一般設(shè)有一個油槽，一個油堰板和一個水堰板。

工作原理如下：本次設(shè)計(jì)將三相分離器中的油堰板由原來普通的一級油氣水分離變?yōu)槎売蜌馑蛛x，在第一級分離后加了一塊與原來相垂直的一塊油堰板來實(shí)現(xiàn)油水二次分離，提高分離效率。且將原來的固定油堰板改為高度可以調(diào)節(jié)的油堰板，油水堰板的高度可以根據(jù)油氣井的不同生產(chǎn)時期或油井產(chǎn)液的油水比例變化進(jìn)行不同的調(diào)節(jié)，從而延長分離時間，增強(qiáng)普適性，并且其占地面積更小。油水堰板側(cè)面圖如圖2所示。

1.3 集砂斗改進(jìn)設(shè)計(jì)

集砂斗是一種新型的置于分離器底部用來聚集沙礫等固體沉降物質(zhì)，并通過底部排出口排出的裝置。常用的三項(xiàng)分離器底部均為平整的底面，其上的沉降物質(zhì)需要在停工后清理，也有部分的分離器設(shè)置了泥沙排出口，但是經(jīng)過大量的比較分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的裝置實(shí)際使用效果并不怎么理想[9]，為此改進(jìn)設(shè)計(jì)了新型倒圓錐形集砂斗。

圖2 油水堰板側(cè)面圖

圖3 集砂斗結(jié)構(gòu)圖

工作原理：新型集砂斗設(shè)計(jì)為為倒圓錐形，圓錐上圓面接觸分離器底部內(nèi)壁，圓錐底部延伸到壁外。采用圓錐形集砂斗可在一定程度上，在不停車不改變分離器內(nèi)部壓力等各項(xiàng)工作指標(biāo)的條件下，使固體沉降物自動流出。大大降低雜質(zhì)去除的復(fù)雜程度，大程度的提高了排沙效果，降低了清潔三相分離器的難度和費(fèi)用。同時減少會堵塞管道和設(shè)備出口的淤積物，降低油水分離不徹底以及設(shè)備損壞的可能，減弱采出液中混合的固體雜質(zhì)在管道中流動時，對運(yùn)輸管線中的各種設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，從而造成損壞。集砂斗結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2 改進(jìn)三相分離器的數(shù)值模擬分析

2.1 SolidWorks建模

本模型中，油、氣和水物料的分離是主要的處理成分，所以分離器內(nèi)部流體可以概括為油氣水三相，湍流是分析過程中主要的流動狀態(tài)。在軟件模擬的操作中，忽略管道內(nèi)各流體間的能量傳遞可以達(dá)到簡化模型的目的。因?yàn)楣芫€內(nèi)部流體流動性質(zhì)的影響微乎其微，從而不考慮管線內(nèi)的壁面條件。所以，在對三相分離器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以及模擬的過程中，多相流模型及湍流模型是主要考慮的因素。依照所設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)及一定的參數(shù)，利用 SolidWorks 進(jìn)行三相分離器建模，所建模型如圖4 所示。

圖4 三相分離器模型圖

2.2 ANSYS模擬分析運(yùn)行狀況

如圖5三相分離器在FLUENT中的模擬分析,原油由入口進(jìn)入，經(jīng)過整流板，天然氣從三相分離器的上部出口分離，水和石油分別從下部出口分離。網(wǎng)格劃分以及內(nèi)部流場圖如圖6至9所示。

圖5 三相分離器在 FLUENT 中的模擬分析

圖6 FLUENT模擬三相分離器的壓力云圖

圖7 三相分離器速度云圖

圖8 入口截面釋放的流線圖

圖 9 氣出口截面釋放的流線圖

2.3 運(yùn)行結(jié)果分析

（1）分離器按照此前的理論尺寸用軟件模擬之后，最終氣液分離的效果能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，而油水兩相的分離效率與管輸?shù)囊蟠嬖谝欢ǖ牟罹啵?/p>

（2）二級捕霧器的設(shè)計(jì)能夠減弱流速在入口處由于存在過快的狀態(tài)下，流體對設(shè)備的沖擊作用，保證油氣水分離沉降處理過程的正常運(yùn)行，減少渦流的產(chǎn)生；

（3）油水堰板間距越小，對流體分離運(yùn)動的阻礙作用越強(qiáng)；當(dāng)距離降低到一定的數(shù)值后，繼續(xù)減小間距對分離效果的提升將不起作用。

3 結(jié)論

（1）通過對三相分離器捕霧器的改裝，提高了其移除液霧的能力。與傳統(tǒng)的捕霧器相比，具有效率高、可以脫除小液滴以及污垢小等優(yōu)點(diǎn)，可以承擔(dān)更高的氣體處理量。

（2）改進(jìn)后的增設(shè)錐形集砂斗，能有效地及時清除原油中含有泥、沙等固體機(jī)械雜質(zhì),大大降低了固體雜質(zhì)分離不徹底以及設(shè)備損壞的可能性；

（3）設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)式油水堰后，提高三相分離器油水分離效率，提高了對滾動開發(fā)式油氣田的適用性，使其分離效果更佳穩(wěn)定，使其更加經(jīng)濟(jì)效益；

（4）由 FLUENT 模擬結(jié)果可得，依照最初設(shè)計(jì)的要求，三相分離器內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)平穩(wěn)，軟件模擬出的模型中各項(xiàng)指標(biāo)均顯示正常，其分離效果大致達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］姚公弼. 固液分離的應(yīng)用和發(fā)展概況[J]. 過濾與分離，1994

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［3］雷濟(jì)民，易偉. 深層邊濾工藝技術(shù)與理論的研究發(fā)展[J]. 西南給排水，2010．

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Numerical Simulation and Optimal Design of Three-phase Separator

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（Shenyang University of Technology, Liaoning liaoyang 111000，China）

After entering the high water cut stage in development of oilfields, it is urgent to improve the efficiency of three-phase separator. In this paper, the separation principle of three-phase separator,droplet movements in the separator were analyzed as well as the factors to affect the efficiency of separator. Suitable oil-gas separation method was chosen, the structure of separator was optimized by innovative design of the mist extractor, oil-gas weir plate and cone desander.And then, a new numerical model of three-phase separator was put forward, improved design of three-phase separator was carried out based on revised separation theory and formula. Experiments proved that the efficiency of the new type separator was substantially enhanced.

three-phase separator; separation efficiency; improvement of structure; numerical analysis

2017-09-28

崔瑋琳（1988-），女，講師，碩士，遼寧省遼陽市人，2014年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，研究方向：多相流與流變學(xué)。

汪瑛（1996-），女，研究方向：三相分離器創(chuàng)新改進(jìn)。

TQ 052

A

1004-0935（2017）11-1109-03