重力式三相分離器內(nèi)件布置對(duì)分離效果影響的數(shù)值模擬

李 巍， 于同川 ， 張曉敏， 劉國(guó)棟， 范學(xué)君， 陳萬(wàn)貴

(1． 海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司， 天津 300451； 2． 哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

重力式三相分離器內(nèi)件布置對(duì)分離效果影響的數(shù)值模擬

李 巍1， 于同川1， 張曉敏1， 劉國(guó)棟2， 范學(xué)君1， 陳萬(wàn)貴1

(1． 海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司， 天津 300451； 2． 哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

對(duì)重力式油氣水三相分離器的不同內(nèi)件布置形式進(jìn)行分析，旨在不增加內(nèi)件用量的前提下，通過(guò)優(yōu)化布置，達(dá)到更好的油水分離效果。提出一種新型內(nèi)件布置形式，并對(duì)新型內(nèi)件布置結(jié)構(gòu)的油水分離效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究。評(píng)估不同工作環(huán)境下的油水分離性能。研究表明，采用相間布置聚結(jié)板組和均流孔板的分離器內(nèi)件布置形式獲得的油相濃度在分離區(qū)域比常規(guī)分離器高，油水分界面較窄且更加清晰。為提升海洋平臺(tái)油水分離器的分離效率提供依據(jù)。

重力式分離器；油-氣-水三相流動(dòng)；內(nèi)件布置；數(shù)值模擬

0 引言

油田原油采出液通常含有伴生氣、水等物質(zhì)，無(wú)法滿足原油深加工的需要。如果不去除原油中的雜質(zhì)，在原油管輸過(guò)程中會(huì)造成一系列的問(wèn)題，增加運(yùn)輸成本。因此，需要對(duì)原油采出液進(jìn)行分離后分別處理輸運(yùn)。在對(duì)油田原油采出液進(jìn)行油氣水分離的三相分離器中，油氣水重力分離器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為油田上應(yīng)用最多、最基本也是最重要的油氣水分離設(shè)備之一[1]。近年來(lái)，海上油田開(kāi)發(fā)逐步加快，海上油田原油采出液含氣量較大，含水原油物性也較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的單純依靠重力作用對(duì)油氣水進(jìn)行分離的設(shè)備已無(wú)法滿足實(shí)際需求。對(duì)海洋石油平臺(tái)而言，設(shè)備尺寸的要求越來(lái)越高，需應(yīng)用高效的分離內(nèi)件提高分離效率，適應(yīng)新的生產(chǎn)要求。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者[2-5]運(yùn)用FLUENT，STAR-CD等大型軟件對(duì)油水重力分離器內(nèi)部流場(chǎng)與油水濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)在分離器內(nèi)部添加構(gòu)件以及對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升分離器分離性能。王國(guó)棟等[6]利用重力式分離模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，以白油和水作為工作介質(zhì)，研究了臥式油水分離器的分離特性和流動(dòng)規(guī)律。研究表明：分離器內(nèi)存在一個(gè)最佳的油水界面位置，該位置油層中的水滴分離效果最好；油相黏度是決定最佳油水界面位置的重要參數(shù)。李雙勝等[7]運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)的入口構(gòu)件流場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，對(duì)分離器入口構(gòu)件的形式進(jìn)行探討。張黎明等[8]選用不同結(jié)構(gòu)的整流和聚結(jié)構(gòu)件，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比速度場(chǎng)與濃度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：蛇形背向平行板組和斜板交錯(cuò)搭接平行板組具有較好的油水分離特性。孫治謙等[9]為考察聚結(jié)構(gòu)件對(duì)油水重力分離器分離性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)狀波紋板結(jié)構(gòu)對(duì)小液滴有較好的聚結(jié)作用；良好的親油疏水性與較大的接觸面積是性能優(yōu)良的聚結(jié)構(gòu)件應(yīng)具備的條件。倪玲英等[10]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)波紋板油水分離器內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)：在波紋板頂部適量開(kāi)孔，分離效率可進(jìn)一步提高；隨著波紋板板長(zhǎng)和板間距的增加，分離效率先增加后減小。

本文以某海洋平臺(tái)的油水分離器為基礎(chǔ)模型(模型1)，改進(jìn)該基礎(chǔ)模型的孔板、聚結(jié)板的數(shù)量與布置方式，得到了一套改進(jìn)后的油水重力分離器(模型2)。采用流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT，對(duì)重力式油氣水三相分離器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)二者的分離性能進(jìn)行對(duì)比。

1 模型描述

1.1 工況參數(shù)

為更好地對(duì)比模型1與模型2的油水分離性能，本文列舉了3種不同的分離器運(yùn)行工況，對(duì)分離器在3種不同工況下的分離性能進(jìn)行數(shù)值模擬。各工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模擬所用各工況的參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 連續(xù)性方程

油氣水三相在Euler-Euler雙流體模型中滿足如下關(guān)系：

(1)

1.2.2 動(dòng)量守恒方程

對(duì)于連續(xù)的三相流體，其動(dòng)量方程滿足如下關(guān)系式：

(2)

式中：μm為流體動(dòng)力黏度；p為壓力梯度；為流體相間作用力；剪切應(yīng)力m為

(3)

1.2.3 湍流模型

分離器內(nèi)油水兩相的分離過(guò)程屬于一般的湍流問(wèn)題，由于油水兩相的密度差比較小，故應(yīng)用混合湍流模型可以較好地模擬這一過(guò)程。定義如下：

(4)

(5)

其中湍流黏度為

(6)

湍動(dòng)能生成的增量為

(7)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；σk，σε，C1ε，C2ε，Cμ為湍流常數(shù)，分別取為1.0，1.33，1.44，1.92和1.99。

1.3 幾何模型

圖1為改進(jìn)前模型1的油水分離器。該模型中3個(gè)模塊的聚結(jié)板聚合在一起，兩個(gè)孔板分別布置在聚結(jié)板兩側(cè)。圖2為改進(jìn)后模型2的油水分離器。該模型中3個(gè)聚結(jié)模塊相間布置，僅有的1個(gè)孔板布置在聚結(jié)區(qū)域前側(cè)。兩種模型中，分離器直徑均為3.6 m，直段長(zhǎng)度為14 m，左上部為油氣水入口，右上側(cè)為氣體出口，右下側(cè)從左到右的兩個(gè)出口依次為油出口和水出口。在模擬分離器油水分離的過(guò)程中，從起始到分離器內(nèi)液面超過(guò)油堰板高度的范圍內(nèi)，油出口與水出口是關(guān)閉的；當(dāng)內(nèi)部液體流過(guò)油堰板且分離達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，油出口與水出口開(kāi)啟。

圖1 模型1結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 模型2結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 邊界條件

對(duì)于分離器油氣水三相入口，選用質(zhì)量流量邊界條件，各相的質(zhì)量流量根據(jù)工況的不同而有差異。壁面選用定溫邊界條件；氣體出口選用壓力出口邊界；油出口、水出口在油水穩(wěn)定分離之前為定溫邊界；穩(wěn)定分離之后為壓力出口邊界。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 最大含油量工況

圖3和圖4分別為最大含油量工況下分離器達(dá)到穩(wěn)定分離后的油相濃度分布云圖。由圖3和圖4可以看出：2種分離器中孔板與聚結(jié)板由于布置數(shù)量與位置的不同，油濃度分布在進(jìn)口區(qū)域與聚結(jié)區(qū)域有明顯的不同。在有效分離區(qū)，分離器內(nèi)油水分離均達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比2種分離器模型的油相濃度分布，可以看出：2種分離器都有較好的油水分離效果，但是模型2有效分離區(qū)油相區(qū)域的油水界面更清晰，油水混合相在流經(jīng)每一級(jí)聚結(jié)板組后，油相濃度遞增趨勢(shì)明顯。

圖3 模型1穩(wěn)定分離后油濃度分布圖 圖4 模型2穩(wěn)定分離后油濃度分布圖

圖5和圖6分別為最大含油量工況下模型1和模型2在達(dá)到穩(wěn)定分離狀態(tài)時(shí)，油相濃度在不同高度上沿分離器軸向的分布曲線。

圖5 h=0.5 m處油相濃度沿軸向的變化 圖6 h=2.55 m處油相濃度沿軸向的變化

由圖5和圖6可知：沿分離器軸向方向大致分為入口區(qū)、聚結(jié)區(qū)和有效分離區(qū)3個(gè)區(qū)域。在入口區(qū)域，由于良好的入口構(gòu)件，混合液體在入口即發(fā)生了一定的油水分離；當(dāng)流體流經(jīng)聚結(jié)區(qū)域時(shí)，由于在聚結(jié)板區(qū)域內(nèi)油滴發(fā)生聚并，導(dǎo)致油相濃度曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng)；在有效分離區(qū)內(nèi)，液體流動(dòng)趨于平緩，部分油滴由于浮升作用上升，該區(qū)域油相濃度達(dá)到最大。由于模型2油水界面更清晰，在h=2.55m高度上，模型2已處于穩(wěn)定油相區(qū)域，而模型1處于油水乳化層邊緣區(qū)域，因此濃度明顯低于模型2的濃度。模型1與模型2在穩(wěn)定分離時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)在不同高度沿軸向的分布對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定分離時(shí)油相體積分?jǐn)?shù)在不同高度沿軸向分布對(duì)比

2.2 實(shí)際工況

圖7和圖8為2種分離器實(shí)際工況下達(dá)到穩(wěn)定分離時(shí)油相的濃度云圖。對(duì)比實(shí)際工況下2種分離器有效分離區(qū)域的油相濃度分布發(fā)現(xiàn)：模型1有效分離區(qū)域油水兩相分離效果較差，上層油區(qū)油相體積分?jǐn)?shù)較小，主要集中在0.7～0.9之間，油水界面寬度較大，表明分離不徹底；模型2有效分離區(qū)域油水分離效果較好，上部油層較厚且體積分?jǐn)?shù)高，主要集中在0.95～1.0之間，油水界面寬度較窄且比較清晰，表明分離效果較好。

圖7 模型1穩(wěn)定分離后油相濃度分布 圖8 模型2穩(wěn)定分離后油相濃度分布

圖9和圖10分別為實(shí)際工況下模型1和模型2在達(dá)到穩(wěn)定分離狀態(tài)時(shí)油相濃度在不同高度上沿分離器軸向的分布曲線。在h=0.5m處，模型1中的油相濃度沿軸向逐漸降低，模型2的油相濃度則一直保持在較低位置。在h=2.55m處，模型1的油相濃度沿軸向出現(xiàn)下降的趨勢(shì)并穩(wěn)定在油相濃度約0.7的位置。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型2可以獲得分離區(qū)域較高的油相濃度從而有利于油水分離。

圖9 h=0.5 m處油相濃度沿軸向的變化 圖10 h=2.55 m處油相濃度沿軸向的變化

模型1與模型2在實(shí)際工況下穩(wěn)定分離時(shí)，油相體積分?jǐn)?shù)在不同高度上沿軸向分布的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 模型1與模型2實(shí)際工況下油相體積分?jǐn)?shù)分布對(duì)比

3 結(jié)論

應(yīng)用Euler-Euler雙流體模型結(jié)合混合湍流模型對(duì)2種工況下的油氣水分離器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比2種分離器的油相體積分?jǐn)?shù)云圖與軸向體積分?jǐn)?shù)變化曲線得到2種不同運(yùn)行工況下的油水分離特性。研究結(jié)果表明，改進(jìn)內(nèi)件布置結(jié)構(gòu)后的油氣水分離器的分離性能明顯優(yōu)于常規(guī)分離器。因此，相間布置的聚結(jié)板結(jié)構(gòu)優(yōu)于整體布置的聚結(jié)板結(jié)構(gòu)，更有利于油水的分離。

[1] 倪玲英. 復(fù)雜通道中油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與顆粒周圍剪切力場(chǎng)研究[D].山東：中國(guó)石油大學(xué)(華東), 2008.

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Numerical Simulation on Effect of Separation Caused by Different Internal Setting in Gravitational Oil-Gas-Water Separator

LI Wei1, YU Tongchuan1, ZHANG Xiaomin1, LIU Guodong2,FAN Xuejun1, CHEN Wangui1

(1.Special Equipment Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China；2.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

A new type of the scheme for the arrangement of internal parts in a gravitational gas-oil-water three-phase separator is proposed to find better layout of internals to get better effect for oil and water separation.Two different types of internal parts distributions are analyzed. The effect of the new scheme for the internal parts is numerically simulated, and its effect on the water-oil separation is also evaluated in two different working conditions. Simulated results show that the sectional type of the coalescent pack with flow equalized pore platescould result in higher oil volume fraction distribution in the separation region in the three-phase separator compared with the original internal parts arrangement, and a more clear and thinner interface between the oil and water could also be obtained. It is indicated that the new scheme for the distribution of internal parts including coalescent pack and flow equalized pore plates are propitious to the separation of oil and water. It provides basis for improving the separation efficiency of oil-water separator.

gravitational separator; oil-gas-water multiphase flow; internal setting; numerical simulation

2016-06-12

李 巍(1980-)，女，高級(jí)工程師

1001-4500(2017)02-0049-06

TQ051

A