變工況下油水分離器分離效果的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院，山東　東營(yíng)　257000)

油田生產(chǎn)后期的油井產(chǎn)物中，含水量逐漸增加。油水分離成為集輸工藝流程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的各種分離器，在特定的情況下可以達(dá)到較好的分離效果，但它們都存在著一個(gè)很大的缺陷——適應(yīng)性差[1-3]；而隨著油田開(kāi)發(fā)開(kāi)采的進(jìn)行，后期的采出液含水率會(huì)大大增加。因此國(guó)內(nèi)外的集輸系統(tǒng)大多需要5～10年內(nèi)進(jìn)行一次流程改造，造成很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此，通過(guò)分析分離器內(nèi)部構(gòu)件對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)現(xiàn)有分離設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化改造，研發(fā)在變工況條件下可調(diào)節(jié)的新型分離設(shè)備具有重要的實(shí)踐應(yīng)用意義。

傳統(tǒng)的方法是依靠大量的試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)修正結(jié)果來(lái)優(yōu)化分離器結(jié)構(gòu)[2-10]，該方法投入高且周期長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)果受多種因素影響，很難確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。近年來(lái)，對(duì)分離器內(nèi)部構(gòu)件的改造，在不具備實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，很多學(xué)者都熱衷于采用流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。Fluent軟件流場(chǎng)計(jì)算的過(guò)程實(shí)際上是在流體計(jì)算區(qū)域使用有限體積法將其離散成眾多的微小體積，再在每個(gè)小體積上分別對(duì)離散后的控制方程組進(jìn)行求解。模擬分離器內(nèi)部各相流體的體積分布合速度分布規(guī)律。吉林大學(xué)曾于2012年進(jìn)行了三相分離器的流場(chǎng)研究[7]，雖然得出三相分離器的分離效果及速度壓力分布規(guī)律，但為了簡(jiǎn)化模型，只考慮了入口分離裝置，忽略了整流聚結(jié)部件；西安石油大學(xué)于2013年對(duì)三相分離器內(nèi)部加聚結(jié)板時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[8]，驗(yàn)證了聚結(jié)裝置對(duì)分離效果的影響，沒(méi)有考慮內(nèi)部構(gòu)件適應(yīng)工況變化的調(diào)節(jié)特性；中國(guó)石油大學(xué)(華東)自2010年對(duì)多相除砂器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分離特性研究[9]；西南石油大學(xué)也曾針對(duì)海洋平臺(tái)的旋流式分離設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化研究[10]。實(shí)踐表明，數(shù)值模擬研究?jī)?yōu)化分離器結(jié)構(gòu)的方法克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的不足,成本低、周期短、且提供信息充分?；诖?，在對(duì)工業(yè)用油水分離器充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，運(yùn)用流體力學(xué)軟件Fluent模擬特定條件下波紋板油水分離器內(nèi)部濃度場(chǎng)規(guī)律，并由此分析其影響因素，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，對(duì)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造具有指導(dǎo)意義。

1　計(jì)算方法

1.1　求解器

Pressure-based Solver是基于壓力法的求解器，Density-based Solver是基于密度法的求解器[5]。通常，不管是不可壓縮流動(dòng)情況還是可壓縮流動(dòng)情況，兩種求解器均適用。而此處，分離器內(nèi)是不可壓縮的油水兩相流動(dòng)，因此，選擇基于壓力的求解器更能獲得精確的結(jié)果。

1.2　模型的選取

由于復(fù)雜的歐拉模型比混合模型的穩(wěn)定性差，可能會(huì)遇到收斂困難。因此，選擇混合模型Mixture進(jìn)行多相流計(jì)算。

流動(dòng)有層流和湍流之分，對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，湍流的判斷標(biāo)準(zhǔn)為

1.3　模型的建立和參數(shù)設(shè)置

本模擬所用的開(kāi)孔波紋板油水分離器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，設(shè)置長(zhǎng)度為1 500 mm，直徑為400 mm，油出口直徑35 mm，水出口直徑35 mm。油水相參數(shù)設(shè)置如下：基本相為水，密度998.2 kg/m3，動(dòng)力粘度0.001 003 Pa·s；第二相為油，密度870 kg/m3，動(dòng)力粘度0.05 Pa·s；考慮到計(jì)算精確度，設(shè)定壓力默認(rèn)為表壓。默認(rèn)的操作壓力為101 325 Pa。分離器通過(guò)油水的密度差實(shí)現(xiàn)兩相分離，考慮到重力因素，在Gravity復(fù)選框中將重力方向設(shè)為Y軸負(fù)向，因此Y向重力加速度為-9.81。由于本模擬計(jì)算主要的結(jié)論是影響規(guī)律，因此不考慮初設(shè)參數(shù)對(duì)實(shí)際計(jì)算結(jié)果的影響。

圖1　分離器模型

1.4　邊界條件

入口設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件；油出口和水出口均設(shè)置為自由出流邊界條件。

1.4.1速度進(jìn)口邊界條件

速度進(jìn)口邊界條件用進(jìn)口處流場(chǎng)速度及相關(guān)流動(dòng)變量作為邊界條件，僅適用于不可壓流。該模擬中用湍流強(qiáng)度與水力直徑來(lái)定義湍流參數(shù)，內(nèi)流問(wèn)題進(jìn)口處的湍流強(qiáng)度I通過(guò)下式計(jì)算

式中ReDH——按等效水力直徑DH計(jì)算得到的雷諾數(shù)。

取分離器內(nèi)徑為引入水力直徑。油水兩相入口速度均設(shè)置為垂直于邊界0.05 m/s，該模型主要針對(duì)油田生產(chǎn)后期的參數(shù)進(jìn)行模擬，因后期油田來(lái)液的含水率較高，因此初設(shè)油相體積率為0.2。

1.4.2出口邊界條件

Sigma-1受體激活減輕心臟缺血再灌注損傷 ···········廖小平 喻溥蛟 許嘉鴻 (6,853)

由于分離器出口處的流速和壓力是未知參數(shù)。因此在出口邊界條件的設(shè)置中，可以給定出口邊界上流體的流出量權(quán)重。該模型中，分離器有油水兩個(gè)出口，需要設(shè)置兩出口充分發(fā)展后各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在臨界條件下，即油水充分分離，換算出此時(shí)油水兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此，油出口設(shè)置為0.178 9，水出口設(shè)置為0.821 1。

1.5　網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算收斂性分析

EquiSize Skew通過(guò)單元大小計(jì)算的歪斜度，在0到1之間，0為質(zhì)量最好，1為質(zhì)量最差。該模型93%的網(wǎng)格該值在0.2以內(nèi)，85%的網(wǎng)格在0.1以內(nèi)。

EquiAngle Skew通過(guò)單元夾角計(jì)算的歪斜度，在0到1之間，0為質(zhì)量最好，1為質(zhì)量最差。模型85%的網(wǎng)格該值在0.1以內(nèi)。

Aspect Ratio長(zhǎng)寬比，不同的網(wǎng)格單元有不同的計(jì)算方法，等于1是最好的單元，如正三角形，正四邊形，正四面體，正六面體等；一般情況下不要超過(guò)5∶1。模型網(wǎng)格該值在1.4∶1以內(nèi)，91%的網(wǎng)格在1.1∶1以內(nèi)。

Edge Ratio長(zhǎng)邊與最短邊長(zhǎng)度之比，大于或等于1，最好等于1。模型網(wǎng)格該值在1.9∶1以內(nèi)，91%的網(wǎng)格在1.26∶1以內(nèi)。

Stretch伸展度是通過(guò)單元的對(duì)角線長(zhǎng)度與邊長(zhǎng)計(jì)算出來(lái)的，僅適用于四邊形和六面體單元，在0到1之間，0為質(zhì)量最好，1為質(zhì)量最差。該模型91%的網(wǎng)格在0.16以內(nèi)。

Residuals殘差vf-oil設(shè)置1×10-5,其余各項(xiàng)均設(shè)置1×10-3，在迭代約5 000步時(shí)收斂。

1.6　求解方法的設(shè)置及其控制

在Solution Methods設(shè)置中，使用Pressure-based求解器，求解時(shí)在SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled幾種算法中，選擇工程上廣泛應(yīng)用的SIMPLE算法。保持方程松弛因子的默認(rèn)值設(shè)置，離散格式選擇一階迎風(fēng)格式。

2　數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1　波紋板長(zhǎng)度對(duì)分離效果的影響

如前假設(shè)，取油品密度為870 kg/m3，油品粘度為0.05 Pa·s，入口油水混合液含油率為0.2。分離器長(zhǎng)度1 500 mm，直徑400 mm，初設(shè)波紋板間距40 mm，將波紋板長(zhǎng)度分別設(shè)置為200 mm、400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm，依次對(duì)分離器內(nèi)部的濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算出分離器內(nèi)部濃度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖2。各種板長(zhǎng)下分離器出口原油體積含水率的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖2　改變波紋板長(zhǎng)度分離器內(nèi)部濃度場(chǎng)云圖

圖3　波紋板長(zhǎng)度對(duì)分離效果的影響

由圖2和圖3分析可知，增大分離器內(nèi)部波紋板的長(zhǎng)度，可以增加聚結(jié)效應(yīng)，從而提高分離效果。但聚結(jié)部件過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)導(dǎo)致分離器內(nèi)部的重力沉降部分的有效體積變小，反而會(huì)減低分離器的分離效果[5]。因此，對(duì)一個(gè)尺寸一定的分離器，為保證其分離效果，必須分別保證分離器內(nèi)部的聚結(jié)部分和重力沉降部分有足夠的空間，因此，在設(shè)置波紋板長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)該結(jié)合分離器的實(shí)際尺寸，計(jì)算出一個(gè)最佳設(shè)計(jì)值，經(jīng)計(jì)算，在本模擬條件下分離器的波紋板最佳長(zhǎng)度為600 mm。

2.2　波紋板間距對(duì)分離效果的影響

如前假設(shè)，取油品密度為870 kg/m3，油品粘度為0.05 Pa·s，入口油水混合液含油率為0.2。分離器長(zhǎng)度1 500 mm，直徑400 mm，波紋板長(zhǎng)度600mm，將波紋板間距分別設(shè)置為20 mm、40 mm、60 mm、70 mm、80 mm，依次對(duì)分離器內(nèi)部的濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算出分離器內(nèi)部濃度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖4。各種板長(zhǎng)下分離器出口原油體積含水率的變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

由圖4和圖5分析可知，隨著波紋板間距的減小(80～70 mm)，出口原油含水率降低，但是當(dāng)板間距小到一定程度后(70～20 mm)，出口原油含水率反而升高，分離器的脫水效果減弱。這是因?yàn)樵谕粋€(gè)分離器內(nèi)部，分離器直徑一定，當(dāng)板間距減小，即增加波紋板數(shù)量，增加了有效聚結(jié)面積，因而增強(qiáng)聚結(jié)效果，改善分離效果。但當(dāng)波紋板間距低到一定程度后，隨著分離器內(nèi)部波紋板數(shù)量的增加，使得聚結(jié)區(qū)的有效容積變小[5]，反而不利于油水分離。因此，在設(shè)置波紋板間距時(shí)，應(yīng)該結(jié)合分離器的實(shí)際尺寸，計(jì)算出一個(gè)最佳設(shè)計(jì)值，經(jīng)計(jì)算，在本模擬條件下分離器的波紋板最佳間距為70 mm。

圖4　改變波紋板間距分離器內(nèi)部濃度場(chǎng)云圖

圖5　波紋板間距對(duì)分離效果的影響

2.3　入口油水混合液含油率變化對(duì)最佳設(shè)計(jì)板長(zhǎng)的影響

如前假設(shè)，取油品密度為870 kg/m3，油品粘度為0.05 Pa·s。數(shù)值模型的分離器長(zhǎng)度1 500 mm，直徑400 mm，間距設(shè)置70 mm，在入口油水混合液含油率分別為0.3、0.2、0.15、0.1的情況下，依次改變波紋板長(zhǎng)度，模擬分離器內(nèi)部的濃度場(chǎng)云圖，得到不同入口含油率下的最優(yōu)板長(zhǎng)見(jiàn)表1。

表1不同入口含油率情況下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(板間距一定)

來(lái)液油相體積分?jǐn)?shù)出口原油的體積含水率波紋板最優(yōu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度L/mm0.10.0516000.150.0486000.20.0446000.30.041600

由表1分析可知，隨著來(lái)液油相體積分?jǐn)?shù)的增加(0.1到0.3)，分離器出口原油的體積含水率呈減少趨勢(shì)，而最優(yōu)設(shè)計(jì)板長(zhǎng)始終不變。即對(duì)同一個(gè)特定的分離設(shè)備，當(dāng)油田來(lái)液含水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)波紋板長(zhǎng)度不會(huì)實(shí)現(xiàn)改變分離效果的目的。

2.4　入口油水混合液含油率變化對(duì)最佳設(shè)計(jì)板間距的影響

如前假設(shè)，取油品密度為870 kg/m3，油品粘度為0.05 Pa·s。數(shù)值模型的分離器長(zhǎng)度1 500 mm，直徑400 mm，板長(zhǎng)600 mm。由于本次研究只針對(duì)油田來(lái)液高含水階段(該階段來(lái)液性質(zhì)不穩(wěn)定、需要工況調(diào)節(jié))，因此在入口油水混合液含油率分別為0.3、0.2、0.15、0.1的情況下，依次改變波紋板長(zhǎng)度，模擬分離器內(nèi)部的濃度場(chǎng)云圖，得到不同入口含油率下的最優(yōu)板長(zhǎng)見(jiàn)表2。

表2不同入口含油率情況下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(板長(zhǎng)一定)

來(lái)液油相體積分?jǐn)?shù)出口原油的體積含水率波紋板最優(yōu)設(shè)計(jì)間距L/mm0.10.047760.150.046740.20.044700.30.03856

由表2分析可知，隨著來(lái)液油相體積分?jǐn)?shù)的增加(0.1到0.3)，分離器出口原油的體積含水率呈減少趨勢(shì)。最優(yōu)設(shè)計(jì)板間距由大變小。即對(duì)同一個(gè)特定的分離設(shè)備，當(dāng)油田來(lái)液含水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)波紋板間距可以實(shí)現(xiàn)改變分離效果的目的。來(lái)液含油率越高，波紋板間距應(yīng)越小，從而加強(qiáng)聚結(jié)效果，以達(dá)到在變工況下優(yōu)化分離效果的目的。

3　適應(yīng)變工況條件油水分離器的設(shè)計(jì)

以上數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，即對(duì)同一個(gè)特定的分離設(shè)備，當(dāng)油田來(lái)液含水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)波紋板長(zhǎng)度不會(huì)實(shí)現(xiàn)改變分離效果的目的，波紋板的最優(yōu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度僅取決于設(shè)備的有效長(zhǎng)度。而改變波紋板間距，卻可以達(dá)到在變工況下優(yōu)化分離效果的目的。基于此，可以設(shè)計(jì)一種波紋板間距可調(diào)的分離器。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將波紋板設(shè)計(jì)成可以實(shí)現(xiàn)罐外隨機(jī)調(diào)節(jié)板間距操作。當(dāng)油田來(lái)液的含水率變化，可以在不停運(yùn)的情況下，對(duì)分離器內(nèi)部的波紋板間距進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)(至最優(yōu)值)。該分離器的設(shè)計(jì)理念可以實(shí)現(xiàn)減少設(shè)備投資，增加設(shè)備的使用周期，具有實(shí)踐應(yīng)用意義。

4　結(jié)論

(1)在特定的分離器內(nèi)部，對(duì)特定的流體，其聚結(jié)部件-波紋板的長(zhǎng)度和間距有一個(gè)最佳設(shè)計(jì)值。在來(lái)液高含水階段，當(dāng)來(lái)液性質(zhì)變化時(shí)，最佳設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不受影響，而最佳設(shè)計(jì)間距隨著來(lái)液油相體積分?jǐn)?shù)的增加由大變小。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出一種變工況下可調(diào)節(jié)的聚結(jié)元件設(shè)計(jì)理念，使新設(shè)計(jì)的分離器可以適應(yīng)不同時(shí)期來(lái)液性質(zhì)的變化，在不停運(yùn)情況下可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，始終保持最佳分離效果。