李孟杰,肖小龍
(1.中石化石油工程建設(shè)有限公司,北京 100020 2.中石化石油工程設(shè)計有限公司,山東東營 257026)
隨著深海油氣田的大規(guī)模開發(fā),海上平臺對高效集約型含油污水處理技術(shù)的需求與日俱增,常規(guī)的油水分離技術(shù),如重力沉降、離心分離、常規(guī)氣浮以及粗粒聚結(jié)等工藝技術(shù)或者幾種工藝技術(shù)的簡單組合,或投資成本高,或處理效率不穩(wěn)定,且擠占有限的平臺空間。近十幾年來,國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)不斷開發(fā)嘗試“多元技術(shù)復(fù)合集約化”技術(shù),水力旋流氣浮一體化技術(shù)應(yīng)運而生,目前國外多家研究機構(gòu)開展了大量相關(guān)研究,開發(fā)了形式多樣的水力旋流氣浮一體化設(shè)備。如德國西門子公司的Vorsep緊湊氣浮系統(tǒng),該設(shè)備集約了氣浮、水力旋流以及粗?;劢Y(jié)技術(shù)于一臺設(shè)備,設(shè)備采用內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu),溶氣污水內(nèi)筒切向進料,外筒粗粒聚結(jié)。美國CETCO Oilfield Services公司的CrudeSep旋流氣浮技術(shù),最早于2002年開始研發(fā),亦采用內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu),但與Vorsep緊湊氣浮系統(tǒng)不同,內(nèi)筒僅作為收油裝置,旋流氣浮分離發(fā)生在外筒空間。而挪威Epcon公司的緊湊型氣浮裝置(CFU)是目前研究較充分、海上油田業(yè)績最突出的裝置,與德國西門子公司的Vorsep緊湊氣浮系統(tǒng)和美國CrudeSep旋流氣浮技術(shù)內(nèi)外筒較單一的分離作用不同,該裝置雖由內(nèi)外筒兩部分構(gòu)成,但內(nèi)外筒內(nèi)均發(fā)生水力旋流氣浮作用,外筒主要以外旋流氣浮為主,內(nèi)筒以內(nèi)旋流氣浮為主,因此其水力旋流氣浮分離能力、集約程度也更充分。國內(nèi)北京石油化工學(xué)院陳家慶教授較早研究水力旋流氣浮一體化集約技術(shù),其開發(fā)的BIPTCFU氣浮旋流一體化技術(shù),不僅優(yōu)化了設(shè)備流場結(jié)構(gòu),更重要的是優(yōu)化了氣浮微氣泡發(fā)生方式,極大地提高了油水分離效率,并形成系列產(chǎn)品于海上油田開展了現(xiàn)場試驗。國內(nèi)油水處理設(shè)備提供商也開發(fā)了相應(yīng)的商業(yè)產(chǎn)品,并取得了較好的應(yīng)用效果。
目前國內(nèi)外市場水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備結(jié)構(gòu)形式多樣,本文對不同結(jié)構(gòu)形式的分離設(shè)備進行優(yōu)選,研究應(yīng)用FLUENT數(shù)值仿真技術(shù),共開展了25例仿真研究,分析了2種國內(nèi)外水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備的內(nèi)部流場及相同條件下的油水分離效率,優(yōu)選了特定條件下的設(shè)備結(jié)構(gòu)。
研究應(yīng)用Gambit軟件,采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對計算區(qū)域進行離散,利用cooper組合方式生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,生成“msh”文件,導(dǎo)入FLUENT進行仿真計算。為保證計算精度,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖1所示,網(wǎng)格總數(shù)分別為346 978,510 247,1 052 134,1 441 259,不同網(wǎng)格總數(shù)模型相同位置截面軸線上的切向速度如圖2所示。從圖2可以看出,當網(wǎng)格總數(shù)增加到1 052 134后,繼續(xù)增加網(wǎng)格至1 441 259,切向速度隨徑向位置的變化曲線幾乎重合,表明網(wǎng)格數(shù)量增加至100萬后,持續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果幾乎不產(chǎn)生影響,因此,后續(xù)不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總數(shù)均保持在100萬左右。
圖1 模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分
圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量模型相同位置切向速度變化
表1表示兩種國內(nèi)外不同水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù),通過分離器內(nèi)部單相流場的分析,研究不同結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場特點,分析其旋流氣浮兩種分離技術(shù)的集約能力。
表1 兩種國內(nèi)外不同水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸 mm
圖3表示不同水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備模型。
如圖3所示,“1”型分離器為單筒結(jié)構(gòu),筒內(nèi)僅布置收油裝置,切向進料。圖4、圖5分別表示“1”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度和切向速度散點圖。從圖4可以看出,“1”型分離器內(nèi)部軸向速度從邊壁到筒中心位置,依次經(jīng)歷了下行流-上行流-下行流的變化過程,與經(jīng)典旋風(fēng)分離器軸向速度下行流-上行流的變化特點有所區(qū)別,即分離器內(nèi)部多了一組“零軸速包絡(luò)面”。而如圖5切向速度散點圖所示,切向速度只有一組經(jīng)典旋風(fēng)分離器的內(nèi)外雙旋流流動,并沒有像軸向速度一樣,形成兩組典型切向速度,軸向速度的不同特點將會影響“1”型分離器的收油情況,即分離器內(nèi)已分離輕組分不會集中在筒體中心位置,而是集中在筒體內(nèi)環(huán),內(nèi)環(huán)直徑與圖4所示最大軸向速度包絡(luò)面一致,約為350 mm,因此“1”型分離器設(shè)計了與之對應(yīng)的收油裝置,如圖3所示。
圖3 兩種水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備模型
圖4 “1”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度散點圖
從圖5可以看出,“1”型分離器內(nèi)部切向速度呈明顯的軸對稱分布,分布曲線形狀似“駝峰”,切向速度在離邊壁20~30 mm處達到最大值,且在分離器軸向方向衰減緩慢。之后,越靠近中心位置,切向速度越小,“駝峰”中部“凹陷”區(qū)域范圍明顯較經(jīng)典旋風(fēng)分離器大,該流場特點利于維持穩(wěn)定的旋流強度,提高內(nèi)筒油水分離效率的穩(wěn)定性。
圖5 “1”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線切向速度散點圖
如圖3所示,“2”型分離器為內(nèi)外雙筒結(jié)構(gòu),外筒切向進料,內(nèi)筒為自上而下漸縮式結(jié)構(gòu)。圖6、圖7分別表示“2”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度和切向速度散點圖。從圖6可以看出,與“1”型分離器類似,“2”型分離器內(nèi)部軸向速度也依次經(jīng)歷了下行流-上行流-下行流的變化過程,即分離器內(nèi)部形成了兩組“零軸速包絡(luò)面”,軸向速度的特點雖會影響已分離油相的收集,但“2”型分離器特殊的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計,即由上而下的減縮設(shè)計,以及內(nèi)筒上部的開孔設(shè)計,有利于油相的分離。
圖6 “2”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線軸向速度散點圖
從圖7可以看出,與“1”型分離器類似,“2”型分離器內(nèi)部切向速度也呈明顯的軸對稱分布,分布曲線形狀似“駝峰”,切向速度在離邊壁20~30 mm處達到最大值,且在分離器軸向方向衰減緩慢。但與“1”型分離器不同的是,由于減縮型內(nèi)筒的存在,提高了筒上部最大切向速度值,有利于油水相的快速分離。
圖7 “2”型分離器結(jié)構(gòu)不同高度位置截面中心線切向速度散點圖
油氣水三相分離計算,常溫常壓條件下,選擇水和辛烷烴模擬油水,修改辛烷烴密度為0.89 kg/L,并且假定液滴都是球形。計算分離器總效率時,假定液滴直徑數(shù)據(jù)服從圖8的Rosin-Rammler分布。
圖8 液滴直徑分布曲線
油氣水三相模擬顆粒相采用相間耦合的隨機軌道模型DPM模擬顆粒相。分別模擬處理量、溶氣水量、分流比以及溶氣比對油氣水相分離的影響,每種分離器結(jié)構(gòu)分別開展25組模擬,具體模擬方案如表2所示。
表2 兩種分離設(shè)備不同操作條件模擬方案
如表2所示,溶氣水量表示溶氣水占總處理量的百分比;分流比表示油相排出量占處理量的百分比;溶氣比表示溶氣水中標態(tài)氣相占溶氣水的比例。分別保持溶氣水量為40%、分流比為15%以及溶氣比為20%不變,研究處理量對分離效率的影響。
圖9表示處理量對分離效率的影響,可以看出,整體而言“1”型分離器和“2”型分離器分離效率隨處理量的變化規(guī)律類似,均隨著處理量的增加而增加,但兩處細節(jié)有所不同,一是“2”型分離器分離效率明顯高于“1”型分離器;二是處理量較低時,如1.5~2 m/h,“2”型分離器分離效率仍能維持在60%以上,而“1”型分離器分離效率出現(xiàn)降低,這主要與“2”型分離器采用漸縮式內(nèi)筒結(jié)構(gòu),緩解了切向速度的衰減速度有關(guān)。
圖9 處理量對除油效率的影響
圖10表示溶氣水量對分離效率的影響,可以看出隨著溶氣水量的增加,兩種結(jié)構(gòu)分離器分離效率均增加,但當溶氣水量增加到一定值后,兩種分離器的分離效率均不再隨溶氣水量的增加而發(fā)生變化,表明“1”型和“2”型分離器均存在最優(yōu)值溶氣水量。另外,“2”型分離器所需溶氣水量明顯高于“1”型,因為采用了漸縮式內(nèi)筒結(jié)構(gòu),“2”型分離器自切向進料后,切向速度衰減緩慢,壓力衰減相應(yīng)較慢,溶氣水內(nèi)微氣泡釋放速度較慢,釋放時間較長,而“1”型分離器溶氣水內(nèi)微氣泡釋放速度較高,釋放時間短,因此在達到最優(yōu)值前的較低的溶氣水量條件下,如20%~35%之間“1”型分離器分離效率較高,但持續(xù)增加溶氣水量,“2”型分離器的釋放時間增加,進一步提高了其油水分離能力。
圖10 溶氣水量對除油效率的影響
圖11表示分流比對分離效率的影響,可以看出“1”型和“2”型分離器的分離效率均隨著分流比的增加而增加,且變化規(guī)律類似,與溶氣水量的影響類似,當分流比達到一定值后兩種結(jié)構(gòu)分離器分離效率均維持一定效率,而不發(fā)生較大變化,“2”型分離器分離效率明顯高于“1”型分離器;不同的是,“2”型分離器在較低的分流比時就已到達最優(yōu)分離效率值,而“1”型分離器需較高的分流比,表明“2”型分離器收油裝置的設(shè)計優(yōu)于“1”型分離器。
圖11 分流比對除油效率的影響
研究應(yīng)用FLUENT軟件對國內(nèi)外較通用的兩種水力旋流氣浮一體化油水分離設(shè)備開展了25組數(shù)值模擬研究,研究表明:
a)兩種結(jié)構(gòu)分離器切向速度流場衰減速度均較慢,由于采用了漸縮式內(nèi)筒結(jié)構(gòu),“2”型分離器切向速度流場對稱性優(yōu)于“1”型分離器,且切向速度最大值明顯高于“1”型分離器。
b)兩種結(jié)構(gòu)分離器均存在兩組“零軸速包絡(luò)面”,因此不利于分離器收油操作,為此兩種結(jié)構(gòu)分離器均設(shè)計了特殊的收油裝置,優(yōu)化了收油結(jié)構(gòu)。
c)兩種結(jié)構(gòu)分離器分離效率均隨著處理量、溶氣水量、分流比以及溶氣比的增加而增加,但也表現(xiàn)出了不同的特點:一是“2”型分離器分離效率明顯高于“1”型分離器;二是處理量較低時,“2”型分離器分離效率明顯優(yōu)于“1”型分離器;三是“2”型分離器溶氣水量、分流比最優(yōu)值明顯小于“1”型分離器。