柱狀螺旋導(dǎo)葉旋流分離器分離特性數(shù)值模擬

紀(jì)國(guó)慶

(中國(guó)石化 勝利建設(shè)工程有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

柱狀螺旋導(dǎo)葉旋流分離器分離特性數(shù)值模擬

紀(jì)國(guó)慶

(中國(guó)石化 勝利建設(shè)工程有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

針對(duì)深水生產(chǎn)油氣海底混相輸送的局限性，設(shè)計(jì)了柱狀螺旋導(dǎo)葉旋流氣液分離器，采用RNGk-ε湍流模型與mixture多相流模型對(duì)分離器流場(chǎng)及相分布進(jìn)行了模擬分析，考察了螺距、螺旋圈數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)相分布及靜壓分布的影響。結(jié)果表明：螺旋通道可以保證油氣混相在流動(dòng)過(guò)程中形成明顯的氣液分離界面，溢流孔有助于分離的氣相及時(shí)從集氣管中排出；螺距的大小是控制旋流強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)，螺距越小，旋流場(chǎng)越強(qiáng)，相應(yīng)的能耗也越大；螺旋圈數(shù)的增多有利于氣液兩相充分進(jìn)行旋流分離；所設(shè)計(jì)分離器在較大的氣液比范圍內(nèi)都具有較好的分離效果。

海底分離；旋流器；數(shù)值模擬；相分布

深水生產(chǎn)油氣混合物的流動(dòng)安全保障問(wèn)題是油氣勘探開(kāi)發(fā)中一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。油氣混相輸送，一方面，液相在管線(xiàn)低洼處積聚，容易在立管位置形成嚴(yán)重段塞流，引起管線(xiàn)的壓力和流量波動(dòng)；在深海低溫環(huán)境下形成水合物，造成管道堵塞和設(shè)備損壞。另一方面，油氣混相輸送會(huì)導(dǎo)致深水立管舉升能量消耗加大，增大井口背壓，造成油氣藏能量的巨大浪費(fèi)，降低采收率。在海底進(jìn)行油氣分離并采用單相輸送，則可以有效避免上述問(wèn)題，國(guó)外科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了深海氣液分離器的開(kāi)發(fā)，以Total公司的Pazflor海底氣液分離系統(tǒng)[1-3]、Aker Kvaerner公司的DeepBoosteTM系統(tǒng)[4]、Parque das Conchas和Perdido深水油田的沉箱分離與增壓系統(tǒng)[5-7]以及Twister BV超音速氣液分離器[8-9]為代表，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究，使得在海底進(jìn)行油氣分離具有非常大的可能性和發(fā)展前景。

目前我國(guó)大部分海洋油氣生產(chǎn)水深在300 m以下，海底生產(chǎn)系統(tǒng)以水下盤(pán)基管匯混相輸送并進(jìn)行平臺(tái)處理的方案為主。隨著我國(guó)深海開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，面對(duì)多相增壓技術(shù)的局限以及段塞流、水合物等風(fēng)險(xiǎn)的存在，海底氣液分離器的應(yīng)用必將成為海洋油氣開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向之一。為此，本文設(shè)計(jì)了一款新型的柱狀螺旋導(dǎo)葉旋流氣液分離器。

1 分離器結(jié)構(gòu)及分離原理

如圖1所示，分離器包括三個(gè)同心套管，外層為承壓套管，中層套管為集氣管，其外壁焊有螺旋導(dǎo)流鋼板，與承壓套管的內(nèi)壁相接觸形成螺旋通道；內(nèi)層套管為液體排出管，提供液體排出通道，中層套管與內(nèi)層套管形成氣體排放環(huán)空。氣液混合物經(jīng)由氣液混相入口切向進(jìn)入氣體膨脹室，完成氣液預(yù)分離并形成初始離心力場(chǎng)，預(yù)分離氣相從氣相出口排出；未分離的氣液兩相向下進(jìn)入螺旋通道強(qiáng)化離心分離，氣相由螺旋通道的外壁向內(nèi)壁運(yùn)移并從溢流孔進(jìn)入氣相排放環(huán)形空間，最終經(jīng)氣體膨脹室進(jìn)入氣體排出管線(xiàn)；在儲(chǔ)液室，導(dǎo)流罩將電潛泵罩住，液相產(chǎn)生逆向流動(dòng)，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻保護(hù)；氣液混相入口以下柱體外表面不含有其它功能配件，可以整體插入海床，節(jié)省占地空間。

本研究通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)分離器的流場(chǎng)及相分布場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上分析螺距及螺旋圈數(shù)的變化對(duì)相分布的影響，用以指導(dǎo)對(duì)分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 流場(chǎng)及相分布場(chǎng)數(shù)值模擬

在氣液處理量、操作壓力、操作溫度及油氣物性已知的前提下，參考CLCC的設(shè)計(jì)方法，對(duì)分離器主體尺寸進(jìn)行初步確定[10]，對(duì)螺距L為80 mm、螺旋圈數(shù)n為20的分離器內(nèi)部流場(chǎng)及相分布場(chǎng)進(jìn)行分析。

2.1 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

分離器模型略去底部導(dǎo)流罩及液相導(dǎo)流套管，液相改由底部流出。該簡(jiǎn)化模型保留了主體分離過(guò)程，不妨礙對(duì)分離器內(nèi)部螺旋通道及氣相通道內(nèi)的流場(chǎng)及相分布場(chǎng)進(jìn)行研究。對(duì)分離器流體域分塊劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，坐標(biāo)原點(diǎn)位于氣相出口截面，z軸為旋轉(zhuǎn)軸。

2.2 邊界條件及模型選擇

氣液混相入口采用速度v入口，氣相與液相出口采用自由出流邊界；壁面使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理；選取RNGk-ε模型進(jìn)行模擬計(jì)算，用湍流強(qiáng)度與水力直徑方法定義湍流參數(shù)；多相流模型選用mixture混合模型。

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 流場(chǎng)分布

圖2和圖3分別為分離器氣體單相模擬時(shí)入口截面和距離頂面氣相出口z=-2 365 mm處截面的切向速度矢量分布圖。從圖中可以看出，切向入口使氣液兩相在外套管與中層套管之間的環(huán)形空間產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，氣液兩相在此進(jìn)行預(yù)分離，減小了下游螺旋通道的分離負(fù)荷。規(guī)則的螺旋通道，可以獲得相對(duì)規(guī)整的流場(chǎng)，避免了兩相流體在流動(dòng)過(guò)程中由于擾動(dòng)造成的液滴破碎及能量耗散，有益于分離的進(jìn)行。

圖4為取分離器螺旋通道的一側(cè)，距離頂面z=-2 503、-2 823、-3 143 mm位置，由內(nèi)壁指向外壁的軸向速度分布。由于截面z=-2 503 mm位于第2圈螺旋通道中，流體由膨脹室進(jìn)入螺旋通道還未充分發(fā)展，忽略螺旋通道內(nèi)外邊界層的影響，軸向速度近似均等分布。隨著螺旋向下進(jìn)行，軸向速度逐漸衰減，在同一橫截面上，軸向速度呈現(xiàn)由螺旋外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸減小的趨勢(shì)，螺旋外側(cè)軸向速度大有利于密度較大的液相在螺旋通道的外側(cè)迅速沉積，遠(yuǎn)離氣相溢流孔，形成氣液兩相交界傾斜面使氣相及時(shí)溢出進(jìn)入集氣管。

2.3.2 濃度場(chǎng)分布

圖5為氣液兩相模擬中在第2、10、18圈螺旋通道中的一側(cè)各取從上至下3個(gè)等距截面的液相濃度分布。從中可以看出，氣液兩相在進(jìn)入第2圈螺旋通道時(shí)，就已經(jīng)產(chǎn)生了分離，液相高濃度區(qū)位于靠近螺旋通道外壁一側(cè)，越靠近內(nèi)壁液相濃度越低；在同一螺旋通道中，越靠下液相濃度越富集。隨著螺旋通道繼續(xù)向下進(jìn)行，高濃度液相在不斷富集的過(guò)程中由螺旋通道外壁的底側(cè)，開(kāi)始向內(nèi)側(cè)及上側(cè)擴(kuò)展，由于重力及離心力的共同作用，氣液兩相的分界面開(kāi)始明顯，高濃度氣相由溢流口排出進(jìn)入集氣管。

2.3.3 不同螺距分離效果比較

在進(jìn)行不同螺距的分離效果比較之前，對(duì)螺距L=80 mm、螺旋圈數(shù)n=20的分離器進(jìn)行了混合流速v=10 m/s，含液量Lvof=5%、10%、20%、30%，粒徑d=50 μm工況的分離性能分析。實(shí)際管流由于混合流速及氣液比的差異，可能會(huì)在管道中形成多種流型，在氣液混合流速較大、氣液比高即含液量較小的工況下，會(huì)形成霧狀流或環(huán)霧狀流，部分液相以液滴的形式存在，氣液分離較為困難。隨著氣液比減小，管道中將不會(huì)出現(xiàn)霧狀流或環(huán)霧狀流，轉(zhuǎn)而以分層流、段塞流、泡狀流等形態(tài)存在，氣液宏觀上有明顯的相界面，分離較為容易。這里僅考慮管流可能處于霧狀流或環(huán)霧狀流的形態(tài)，計(jì)算以上工況條件下的分離器氣相出口含氣量和液相出口含液量(見(jiàn)表1)。

表1 分離效果表

從表中看出，對(duì)于d=50 μm的液滴，該分離器可以近乎完全將氣液兩相進(jìn)行分離，分離器在較大的氣液比范圍(含液量大于5%)具有相當(dāng)高的分離效率。以v=10 m/s、Lvof=20%、d=20 μm為例，對(duì)螺距L=50、60、70、80、90、100 mm分離器的分離特性進(jìn)行分析。

圖6為不同分離器在位于不同螺旋通道的相應(yīng)位置橫截面的液相濃度分布，可以看出在靠后的螺旋通道中，不同螺距分離器的最大濃度值基本一致。經(jīng)計(jì)算，在以上6個(gè)分離器的液相出口，最終液相濃度達(dá)到92%以上，螺距的變化對(duì)液相出口濃度的影響不是很大。但是氣液混合物在沿著各自螺旋通道向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)其氣液界面的形狀并不完全一致。觀察螺距L=50、60 mm的分離器可以發(fā)現(xiàn)，氣液兩相在沿著螺旋通道向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，始終能夠保持比較明顯的氣液傾斜分界面，并且此分界面的形狀并不隨著螺旋進(jìn)程出現(xiàn)較大的變化。相反，對(duì)于螺距L=70、80、90、100 mm的結(jié)構(gòu)，其氣液濃度差交界面隨著螺旋進(jìn)程逐漸向螺旋通道內(nèi)壁擴(kuò)展，其導(dǎo)致的直接結(jié)果為較大濃度的液相會(huì)隨著氣相通過(guò)溢流口進(jìn)入到集氣管中。

圖7為上述分離器在第2、10、18圈螺旋通道從集氣管中心到螺旋通道外邊緣的壓力分布。在第2圈螺旋通道，6種分離器截面壓力分布保持一致，由螺旋外壁向集氣管中心遞減。隨著螺旋通道進(jìn)程向下，螺距L=50、60 mm 的分離器仍能保持這種遞減分布，螺距L=70～100 mm的分離器壓力分布則發(fā)生波動(dòng)。旋流場(chǎng)中，離心力是由靜壓梯度所產(chǎn)生的力來(lái)平衡的，靜壓梯度越大，離心力場(chǎng)越強(qiáng)。油氣混合物以相同的流量進(jìn)入分離器，螺距越大，流體通過(guò)的螺旋通道橫截面積就越大，相應(yīng)地，流體的流速就越小，所產(chǎn)生的離心力場(chǎng)就弱，在螺旋通道中就不能形成明顯的氣液界面。也就是說(shuō)，螺距太大的分離器會(huì)由于旋流強(qiáng)度太弱而降低分離性能。當(dāng)然，旋流強(qiáng)度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致分離器的能耗增大，壓降增大，這在分離器運(yùn)行中也是不希望看到的。以上分離器，其入口與氣相出口之間的壓差關(guān)系如圖8所示。

在螺距L=50 mm的時(shí)候，由于螺旋通道截面積小，氣液混合流速大，旋流強(qiáng)度大，導(dǎo)致能耗增大、壓降較大；隨著螺距增大，螺旋通道截面積增大，氣液混合流速變小，旋流強(qiáng)度變小，壓降也開(kāi)始變??；隨著螺距的進(jìn)一步增大，分離器長(zhǎng)度增加，沿程摩阻產(chǎn)生的壓降占主導(dǎo)地位，從L=80 mm開(kāi)始，分離器壓降又開(kāi)始有增大的趨勢(shì)。

2.3.4 不同螺旋圈數(shù)比較

通過(guò)前面的分析，確定在模擬條件下，螺距L=70 mm的分離器具有比較好的分離性能，取螺距L=70 mm，分析螺旋圈數(shù)n=10、15、20、24對(duì)分離性能的影響。

圖9為不同分離器排氣口的氣相含量分布，在同一工況及螺距條件下，隨著螺旋圈數(shù)的增加，其排氣口氣相含量基本呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，螺旋圈數(shù)較少的分離器，旋轉(zhuǎn)程度不夠，氣液還未充分的分離，分離效果較差；螺旋圈數(shù)增大，旋轉(zhuǎn)離心強(qiáng)度增大，排氣口氣相含量增大，分離效果較好；隨著螺旋圈數(shù)的進(jìn)一步增大，分離器的分離性能趨于穩(wěn)定?？紤]到分離器的尺寸規(guī)模，在保證完成預(yù)定的分離目標(biāo)前提下，要合理控制螺旋通道的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)論

1)柱狀螺旋導(dǎo)葉旋流氣液分離器結(jié)構(gòu)新穎，具有膨脹室和螺旋通道發(fā)揮作用的雙重分離機(jī)制，可以有效對(duì)氣液進(jìn)行分離，對(duì)于粒徑大于50 μm的液滴，可以近乎完全分離；在較大的氣液比處理工況范圍內(nèi)，都具備較好的分離效率。

2)螺旋通道可以保證油氣混相在流動(dòng)過(guò)程中形成明顯的氣液分離界面，溢流孔有助于分離的氣相及時(shí)從集氣管中排出；螺距的大小是控制旋流強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)，螺距越小，旋流場(chǎng)越強(qiáng)，相應(yīng)的能耗也越大；螺旋圈數(shù)的增多有利于氣相兩相充分進(jìn)行旋流分離。

3)綜合考慮分離效率、壓力損失、氣液相分布以及占據(jù)空間體積各項(xiàng)因素，認(rèn)定在模擬條件下螺距L=70 mm、螺旋圈數(shù)n=20的柱狀螺旋導(dǎo)葉旋流分離器為較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

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NumericalSimulationofSeparationPropertiesinCylindricalHelicalDiffuserCycloneSeparator

JI Guo-qing

(Sinopec Petroleum Construction Corporation, Dongying257000, Shandong, China)

Cylindrical helical diffuser cyclone separator was designed to solve the limitation of subsea multiphase mixing transportation. Flow field and phase distribution properties were simulated by RNGk-εturbulence model and mixture multiphase model; the effects of thread pitch and cycles on phase distribution and pressure distribution were studied. The results showed that oil and gas mixture flowing in the helix channels can form obvious gas and liquid interface; overflow holes contribute to exhaust the gas from helix channel to gas collecting tube timely. Thread pitch is the key parameter to control the rotational intensity; the smaller the thread pitch, the greater the swirl intensity. The energy consumption is also great accordingly. The increasing number of cycles can contribute to sufficient centrifugal separation of oil and gas. The seperator designed has preferable separation quality in wide range of gas and liquid ratio.

subsea separation; cyclone; numerical simulation; phase distribution

2017-03-15

紀(jì)國(guó)慶(1969-)，男，山東東營(yíng)人，高級(jí)工程師,主要從事油氣田地面工程建設(shè)與設(shè)計(jì)工作，E-mail:jiguoqing.sylt@sinopec.com。

TQ051.8

A

1008-9446(2017)06-0029-06