螺旋入口構(gòu)件對(duì)立式分離器分離性能影響的數(shù)值模擬

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(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730050)

立式分離器占地面積較小，對(duì)含固體雜質(zhì)較多的油氣混合物處理效果好，是油氣田使用最多、最重要的設(shè)備之一[1-2]。為了滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的油氣計(jì)量、加工及運(yùn)輸需要，提高使用性能和分離效果，立式分離器的結(jié)構(gòu)一直在優(yōu)化和改進(jìn)[3-4]。

影響立式分離器分離效果的因素很多，比如油、氣、水的密度差，混合相的體積流量，分離器內(nèi)部構(gòu)件形式以及油、氣、水各相所占體積等[5]。從設(shè)備設(shè)計(jì)角度講，增加分離器內(nèi)部構(gòu)件，特別是入口輔助分離元件是提高分離器性能和分離效果的有效方法之一。

立式分離器的入口輔助分離元件具有多重功效，可以吸收分離器入口流體的射流動(dòng)量，縮減流場(chǎng)水平柱塞流的距離，穩(wěn)定入口流體引發(fā)的內(nèi)部流程湍動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣、液的初步分離，促進(jìn)分出的氣、液在各自的流道內(nèi)分布均勻，防止分出液體的破碎和液體的再攜帶[1]。

分離器內(nèi)部構(gòu)件的設(shè)計(jì)有實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究2種方法。相對(duì)而言，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果準(zhǔn)確，數(shù)值模擬研究周期短且投資少[6-7]。綜合考慮，數(shù)值模擬方法更適合于多工況下分離規(guī)律的研究。文中利用FLUENT軟件模擬分析了不同結(jié)構(gòu)形式及操作參數(shù)下立式分離器入口構(gòu)件的分離效果，以期能為分離器入口構(gòu)件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論參考，為進(jìn)一步研究立式分離器內(nèi)部流場(chǎng)和分離特性提供理論依據(jù)[8]。

1 立式分離器設(shè)備結(jié)構(gòu)及入口構(gòu)件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

立式分離器幾何結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。分離器筒體直徑1 000 mm，筒體長(zhǎng)度3 030 mm，氣液混合物入口管直徑200 mm，氣相出口管直徑150 mm，油相出口管直徑60 mm。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1所示的立式分離器依據(jù)HG/T 20570.8—95《氣-液分離器設(shè)計(jì)》[9]設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)溫度為318 K，設(shè)計(jì)壓力0.324 MPa。設(shè)計(jì)條件下，油相體積流量為8.3 m3/h，氣相體積流量為521.7 m3/h，油相密度為762 kg/m3，氣相密度為4.9 kg/m3，油相黏度為0.002 34 Pa·s， 氣相黏度為14.6×10-6Pa·s。

圖1 立式分離器幾何結(jié)構(gòu)

1.3 入口構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)HG/T 20570.8—95，立式分離器直徑按照如下公式計(jì)算。

式中，D為分離器直徑，m；qVGmax為氣體最大體積流量，m3/h；ue為容器中氣體流速，m/s。從此計(jì)算公式可以看出，隨著入口氣體體積流量的增大，立式分離器直徑呈冪函數(shù)的形式逐漸增大，體積也會(huì)相應(yīng)增大。考慮到現(xiàn)場(chǎng)占地面積有限，要求設(shè)備尺寸緊湊，同時(shí)兼顧提高立式分離器的分離效率、滿(mǎn)足入口流量波動(dòng)的各種工況等需求，設(shè)計(jì)了2種新型入口構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 入口構(gòu)件結(jié)構(gòu)示圖

圖2所示的雙層螺旋和單層螺旋入口構(gòu)件，螺旋入口均由螺旋葉片和中心筒組成。安裝時(shí)螺旋葉片外沿與分離器筒體內(nèi)壁焊接，螺旋葉片內(nèi)沿與中心筒筒體焊接，從而形成1條螺旋通道，螺旋通道起點(diǎn)設(shè)置傾斜擋板，引導(dǎo)入口管的流體進(jìn)入螺旋通道。

雙層螺旋入口構(gòu)件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括螺旋葉片的螺距、2層螺旋葉片間距和中心筒的直徑。為保證分離效果，參考旋風(fēng)分離器螺旋進(jìn)口，確定出2層螺旋葉片的間距為250 mm、中心筒直徑為750 mm[10]。螺旋葉片傾斜安裝有利于流體向下作傾斜的螺旋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以避免相鄰兩螺旋圈的流體相互干擾，螺旋葉片的安裝角取11°[11-12]。圖2b的單層螺旋入口構(gòu)件從雙層螺旋入口構(gòu)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化得到，即將雙層螺旋的下層去掉，其余參數(shù)均不改變。相較于雙層螺旋入口構(gòu)件，單層螺旋入口構(gòu)件結(jié)構(gòu)更為緊湊、簡(jiǎn)單。

2 立式分離器數(shù)學(xué)模型及邊界條件設(shè)置

應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行立式分離器分離性能模擬。多相流模型選擇歐拉模型，該模型將兩相視為相互穿透的連續(xù)介質(zhì)，并充分考慮了兩相之間的相互作用，湍流模型選取k-ε模型，該模型可對(duì)湍流特性進(jìn)行很好的捕捉[13-14]。采用有限體積剖分的SIMPLE算法，插分格式選取一階迎風(fēng)格式。

入口邊界采用速度入口條件，氣相出口采用壓力出口條件?？紤]到分離器的液面會(huì)隨著分離過(guò)程的進(jìn)行不斷上升，只有在達(dá)到一定數(shù)值時(shí)才會(huì)進(jìn)行油水泄放操作這一實(shí)際情況[5]，設(shè)置分離器下部油相出口為壁面，使液相在分離器內(nèi)累積。計(jì)算域壁面邊界采用壁面無(wú)滑移條件。監(jiān)控氣相出口油相的質(zhì)量流量，當(dāng)出口油相的質(zhì)量流量無(wú)波動(dòng)時(shí)，設(shè)定為計(jì)算收斂。

3 立式分離器分離性能數(shù)值模擬結(jié)果及分析[12-13]

3.1 油滴粒徑對(duì)立式分離器分離性能影響

3.1.1分離器分離效率

在設(shè)計(jì)流量下，分別選取粒徑為10 μm、20 μm、50 μm、100 μm、200 μm和350 μm的6種尺寸油滴對(duì)象進(jìn)行模擬，獲取單層螺旋入口構(gòu)件、雙層螺旋入口構(gòu)件及未安裝入口構(gòu)件分離器的分離特性曲線[15]，見(jiàn)圖3。

圖3 不同油滴粒徑對(duì)立式分離器分離效率的影響

從圖3可以看出，當(dāng)油滴粒徑小于50 μm時(shí)，未加入口構(gòu)件的分離器的分離效率較低，而加裝了螺旋入口構(gòu)件的2種分離器的分離效率均顯著增大，油滴粒徑50 μm時(shí)分離效率可以達(dá)到80%。單層螺旋入口構(gòu)件與雙層螺旋入口構(gòu)件分離效果差距不大，當(dāng)油滴粒徑大于等于100 μm時(shí)，3種結(jié)構(gòu)的分離器分離效果都很好，分離效率均超過(guò)了97%?？傊?，螺旋入口構(gòu)件的加入擴(kuò)大了立式分離器工作的粒徑范圍。

3.1.2油相體積分?jǐn)?shù)

設(shè)置油滴粒徑為50 μm，模擬無(wú)入口構(gòu)件分離器、雙層螺旋入口構(gòu)件分離器及單層螺旋入口構(gòu)件分離器內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)分布，見(jiàn)圖4。

圖4 油滴粒徑50 μm條件下立式分離器油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從圖4可以看出，加入螺旋構(gòu)件后氣、液混合物在分離器內(nèi)的流場(chǎng)發(fā)生明顯變化。在螺旋構(gòu)件的引導(dǎo)下，氣液混合物圍繞中心筒旋流流動(dòng)，形成螺旋界面。同時(shí)，在離心力和重力的作用下，密度較大的油相沿分離器向內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)，而密度小的氣相聚集在中心筒的位置，攜帶部分液滴向氣相出口運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，未加入口構(gòu)件分離器的氣相出口含油體積分?jǐn)?shù)在0.9%，而加入螺旋入口構(gòu)件分離器的氣相出口含油率明顯減小，其中雙層螺旋入口構(gòu)件的為0.3%，單層螺旋入口構(gòu)件的為0.2%。因此，加入螺旋入口構(gòu)件會(huì)顯著提高立式分離器的分離效率，并且單、雙螺旋入口構(gòu)件效果差距不大。

3.1.3油相流速

設(shè)置油滴粒徑為50 μm，模擬無(wú)入口構(gòu)件分離器、雙層螺旋入口構(gòu)件分離器及單層螺旋入口構(gòu)件分離器內(nèi)的油相流速分布，見(jiàn)圖5。

圖5 油滴粒徑50 μm條件下立式分離器油相流速分布云圖

從圖5看出，無(wú)入口構(gòu)件立式分離器進(jìn)口流速最大為4.7 m/s，并且在沖擊分離器內(nèi)壁后流速瞬間減小。而加入螺旋入口構(gòu)件后，流體進(jìn)入立式分離器會(huì)在螺旋導(dǎo)葉作用下流速增大至5.5 m/s左右，因?yàn)殡x心力一般為重力作用的300～2 000倍[9]，所以加入螺旋入口構(gòu)件更有利于氣、液兩相的分離。

3.2 入口流量對(duì)立式分離器分離性能影響

3.2.1分離器分離效率

改變立式分離器入口流量，通過(guò)數(shù)值模擬獲取2.5倍、3倍、4倍和5倍設(shè)計(jì)流量下無(wú)入口構(gòu)件、雙層螺旋入口構(gòu)件及單層螺旋入口構(gòu)件分離器的分離效率曲線，對(duì)比入口流量對(duì)3種結(jié)構(gòu)分離器分離性能的影響，見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，3種結(jié)構(gòu)分離器的分離效率均隨著入口流量的增大逐漸降低。在整個(gè)數(shù)值研究區(qū)域，2種加入螺旋入口構(gòu)件分離器的分離效率總體變化較小，而且始終高于無(wú)入口構(gòu)件分離器的分離效率。從圖6可知，如果不改變分離器主要結(jié)構(gòu)尺寸，當(dāng)入口流量增大到設(shè)計(jì)流量的5倍時(shí)，2種加入螺旋入口構(gòu)件分離器仍然可高效運(yùn)行，而無(wú)入口構(gòu)件的分離器則需要重新設(shè)計(jì)。根據(jù)立式分離器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則重新計(jì)算得到分離器的直徑為2 m，相應(yīng)地分離器體積較原體積增大近5倍。

圖6 不同入口流量對(duì)立式分離器分離效率的影響

3.2.2油相體積分?jǐn)?shù)

設(shè)置立式分離器氣液混合物入口流量為設(shè)計(jì)流量的5倍，模擬立式分離器進(jìn)口和內(nèi)部的油相流場(chǎng)分布。無(wú)入口構(gòu)件分離器、雙層螺旋人口構(gòu)件分離器及單層螺旋入口構(gòu)件分離器內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖見(jiàn)圖7。

圖7 入口流量為5倍設(shè)計(jì)流量時(shí)立式分離器的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從圖7可以看出，加入螺旋構(gòu)件后氣、液混合物會(huì)由于離心力的存在而在分離器筒體內(nèi)形成螺旋氣液界面，密度較大的油相沿分離器內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)，而密度較小的氣相向中心運(yùn)動(dòng)，攜帶部分液滴向氣相出口運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，無(wú)入口構(gòu)件分離器的氣相出口含油體積分?jǐn)?shù)在0.5%，而有螺旋入口構(gòu)件分離器的氣相出口含油率明顯減小，雙層螺旋入口構(gòu)件分離器的為0.1%，單層螺旋的為0.07%。因此，加入螺旋入口構(gòu)件會(huì)拓寬立式分離器流量范圍，并且單、雙螺旋入口構(gòu)件效果差距不大。

3.2.3油相流速

設(shè)置立式分離器氣液混合物入口流量為設(shè)計(jì)流量的5倍，模擬立式分離器進(jìn)口和內(nèi)部的油相流場(chǎng)分布。無(wú)入口構(gòu)件分離器、雙層螺旋人口構(gòu)件分離器及單層螺旋入口構(gòu)件分離器內(nèi)的油相流速分布云圖見(jiàn)圖8。

圖8 入口流量為5倍設(shè)計(jì)流量時(shí)立式分離器的油相速度分布云圖

從圖8可以看出，由于入口流量增大，流體入口流速增大至23 m/s，流體進(jìn)入無(wú)入口構(gòu)件立式分離器后會(huì)直接沖擊到分離器內(nèi)壁上，導(dǎo)致流速瞬間減小，氣相攜帶部分油滴向氣相出口運(yùn)動(dòng)。而加入螺旋構(gòu)件后，流體進(jìn)入立式分離器沖擊擋板后，會(huì)在螺旋導(dǎo)葉作用下形成旋流，所以離心力的作用更加有利于氣、液兩相的分離。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)比分析了不同操作條件及結(jié)構(gòu)形式下立式分離器的氣、液兩相流動(dòng)特點(diǎn)與分離特性。研究結(jié)果表明，加入螺旋入口構(gòu)件可以拓寬立式分離器的適用工況范圍，進(jìn)一步分離粒徑較小的油滴，并且在入口流量大的工況下分離效率依舊較高。單層、雙層螺旋入口構(gòu)件提高立式分離器分離效率的差距不大，但單層螺旋結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、緊湊。