氣液分離器布液板整流性能數(shù)值模擬及優(yōu)化

黃 龍 鄧松圣 陳 志 何 琪

1.陸軍勤務學院軍事供油工程系, 重慶 401311；2.中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

在油氣田地面集輸工程中,從油氣井中產(chǎn)出的一般都是油、氣、水和砂等的混合物[1-2],為了得到合格的石油和天然氣,油氣集輸首要任務是進行氣液分離,所以氣液分離器是石油天然氣生產(chǎn)運輸中一種必需的設備[3-4]。但一直以來,氣液分離器的設計主要靠宏觀的認識和簡單的經(jīng)驗總結,對重力式氣液分離器內(nèi)部流場的微觀機理研究還不夠成熟,理論研究始終落后于實踐[5-6]；同時,由于氣液分離器內(nèi)部整流、聚結等元件周圍的流動非常復雜,對這些元件影響分離的機理更是缺乏深入研究,造成對分離器內(nèi)構件的認識停留在感性階段,對內(nèi)構件的具體作用沒有從流場分析的角度去研究,造成氣液分離器的設計效率較低[7-8]。

研究氣液分離器及其內(nèi)構件的傳統(tǒng)手段主要靠實驗對比,不僅易受實驗條件限制，而且研究周期長,制作樣機以及實驗費用高,嚴重制約了研究的廣度和深度。近年來,多相流理論和計算機技術的快速發(fā)展極大地推動了氣液分離器的理論研究,相比實驗研究,數(shù)值模擬技術可以節(jié)約大量成本,極大地縮短研究周期,并且可揭示不同內(nèi)構件對流場各區(qū)域的具體影響,具有重要的工程應用價值。因此,國內(nèi)外學者對重力式氣液分離器流場進行了模擬研究[6-16],但多采用多相流模型,該模型適用于含液量較高的氣液混合物,不適于天然氣生產(chǎn)中使用的氣液分離器。因此,筆者從這種需要出發(fā),采用適用于稀疏離散相的Discrete Phase Model(DPM)模型[17-18],研究對比了安裝不同型號布液板[19]的氣液分離器內(nèi)流場及其性能,優(yōu)化了布液板結構參數(shù),為氣液分離器的結構設計和布液板的選型提供一定的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型及網(wǎng)絡劃分

為使研究更符合實際應用,采用實際工程中的氣液分離器原型建模,主體直徑為800 mm,長度4 m,封頭為標準橢圓封頭,氣液分離器入口處設有軸流式旋流器，出口處為折板捕霧器。為改善氣液分離器流場,減小紊流,氣液分離器內(nèi)發(fā)展了多種內(nèi)構件,布液板即為其中一種。布液板可以對流場進行重新分布,使其更加均勻,抑制漩渦和返混的產(chǎn)生。由于氣液分離器由液位控制機構將液面控制在容器高度的一半處,故氣液混合物的流動區(qū)域(即計算區(qū)域)為容器的上半部分,見圖1。

圖1 計算區(qū)域示意圖

布液板是一塊與氣液分離器等直徑的圓形板,上面均勻打孔以便流體通過。對其穩(wěn)流性能影響最大的參數(shù)是孔隙率(ηb)和孔直徑(db，采用圓形孔)?？紫堵士捎煽字睆胶涂组g距(lb)決定。為了研究不同結構的布液板性能和影響,建立了不同結構參數(shù)的幾何模型。布液板具體結構參數(shù)見表1。

表1布液板結構參數(shù)

序號孔直徑db/mm孔間距l(xiāng)b/mm孔隙率ηb/%1162531.822031.2531.832437.531.84202841.35203525.6

圖2 布液板結構示意圖

由于布液板結構較復雜,難以劃分結構網(wǎng)格,故氣液分離器的網(wǎng)格采用四面體非結構網(wǎng)格劃分,在氣液分離器進出口及布液板附近進行加密處理,網(wǎng)絡單元數(shù)目在140×104左右,見圖3。

圖3 氣液分離器網(wǎng)格示意圖

1.2 邊界條件及求解

為使結果具有對比性,采用真實參數(shù)進行模擬。該氣液分離器設計壓力8.5 MPa,日處理氣量20×104m3,日產(chǎn)液量5～100 m3。計算得出工況下天然氣密度82.09 kg/m3,黏度1.32×10-5Pa·s,由于壓力變化不大,可忽略氣體密度變化,采用不可壓縮方法計算。入口設為速度入口,出口處為捕霧器入口,設為自由出流(outflow),氣液界面處對氣體而言為壁面。液滴相采用DPM模型進行處理，從入口面上均勻入射,撞擊氣液分離器壁面則被反彈,若達到氣液交界面則認為被捕集(trap),達到出口則認為逃逸(escape)。

根據(jù)氣液分離器流量計算出氣流雷諾數(shù)Re=3 402,故流態(tài)仍為紊流。但是沉降段內(nèi)紊流程度較輕,且不存在強旋流,采用工程上應用最廣的k-ε模型可以得到滿意結果[20]。采用有限體積剖分的SIMPLEC算法進行求解,差分格式選取為一階迎風格式,壓力插補格式采取標準格式。

2 模擬結果分析

2.1 孔直徑的影響

為了研究相同的孔隙率情況下,不同孔直徑的布液板對流場的影響,取布液板后方300 mm處(圖3中b截面)的截面進行分析,其軸向速度分布見圖4。

無布液板

db=16 mm,ηb=31.8

db=20 mm,ηb=31.8

db=24 mm,ηb=31.8

從圖4可以看出,布液板對流場速度分布有明顯改善作用。無布液板時等速線密集而且速度大小跨度范圍更大,而安裝布液板后等速線變得稀疏,說明速度梯度減小,變化更加緩慢,并且基本都消除了逆流現(xiàn)象,這種變化將有利于沉降分離。從橫向上看,當孔隙率相同時,3種不同孔直徑(16、20、24 mm)的布液板對流場梳理效果基本一致,差異較小。

為更準確地比較布液板對流場的梳理作用,現(xiàn)將截面上各點流速的標準差定義為速度不均勻度Su：

Su越小,則速度分布越均勻,流場越穩(wěn)定,越有利于分離。取圖3 a、b、c、d截面的速度求取速度不均勻度,可得安裝不同孔直徑布液板后氣液分離器內(nèi)的速度不均勻度變化曲線，見圖5。從圖5可以看到,相比無布液板時的情況,布液板對速度分布有一定的梳理作用,3種孔直徑布液板的速度不均勻度都小于無布液板時,特別是在布液板后面的b截面間速度不均勻度下降最為明顯,c、d截面速度不均勻度也有所降低。但是,孔隙率相同的情況下,孔直徑對流場影響不大,3條曲線非常接近,相對來說孔直徑20 mm時速度不均勻度最低,流場梳理效果較好。

圖5 不同孔直徑布液板的速度不均勻度變化曲線

圖6 不同孔直徑布液板分離效率變化曲線

不同孔直徑布液板分離效率見圖6，由于對流場的梳理作用,布液板對分離器的分離效率有一定提升。但是3種孔直徑布液板對效率的提升效果相差無幾,特別是對15 μm以上的較大液滴,相對來說孔直徑20 mm效率最高,故當布液板孔隙率相同時,孔直徑20 mm時效果較好。

2.2 孔隙率的影響

同樣的,建立包含孔直徑相同而孔隙率不同布液板的氣液分離器模型,求解流場后取布液板后方300 mm處(圖3中b截面)的流場進行分析,其軸向速度見圖7。

無布液板

db=20 mm,ηb=41.3

db=20 mm,ηb=31.8

db=20 mm,ηb=25.6

圖8 不同孔隙率布液板的速度不均勻度變化曲線

圖9 不同孔隙率布液板分離效率變化曲線

3 結論

1)采用k-ε模型和DPM模型,對氣液分離器安裝不同結構布液板的分離流場進行模擬研究,并與無布液板的分離流場進行了對比。發(fā)現(xiàn)布液板能梳理流場,降低流速不均勻度,抑制回流,使流場分布更均勻穩(wěn)定,有利于液滴的沉降分離。

2)布液板孔直徑對流場的梳理作用有一定影響,孔徑過大或者過小均不利于速度的均勻穩(wěn)定,本氣液分離器中安裝孔直徑約20 mm的布液板效果最優(yōu)。

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