基于JAVA的動(dòng)態(tài)重力式油氣水三相分離器仿真模擬

李 喆 王順森

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

近年來，我國絕大多數(shù)油田進(jìn)入開采的中后期，油田采出液的含水率不低于90%［1］，過高的含水率會(huì)帶來許多連鎖反應(yīng)。 首先，高含水率意味著更高的分離處理難度，使得地面油氣集輸和處理壓力驟升，處理系統(tǒng)中很多環(huán)節(jié)的儀器超負(fù)荷運(yùn)行，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的安全隱患［2］，導(dǎo)致處理效率大幅降低。其中，油氣水三相分離器受到的干擾最為顯著［3］。 過高的含水率使得經(jīng)過三相分離器處理得到的油品含水率偏高， 外排污水的含油率偏高甚至不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)， 同時(shí)造成加熱爐的能耗驟升［4～6］。 除此之外，原油含水率的升高還會(huì)使原油處理流程比正常流程更長、相關(guān)設(shè)備也更多，最重要的是能耗升高導(dǎo)致投資更大， 極大地影響油田的整體經(jīng)濟(jì)效益。筆者通過建立數(shù)學(xué)模型，編程模擬計(jì)算，得到各因素對(duì)分離效率的影響［7～9］，將模擬仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相結(jié)合， 實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行情況，進(jìn)而提高運(yùn)行效率，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于油田礦藏的開發(fā)、油氣田集輸?shù)墓?jié)能降耗及油氣集輸工序仿真等方面的研究和工業(yè)推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 動(dòng)態(tài)重力式三相分離器模型

1.1 分離器模型

在動(dòng)態(tài)重力式三相分離器模型中，考慮了不同粒徑級(jí)別的分散相顆粒的靜態(tài)分布。 初始時(shí)刻， 所有的分散相水滴均勻分布于整個(gè)油層，所有的分散相油滴均勻分布于整個(gè)水層。 將整個(gè)分離器模型劃分為小的控制體，其中橫向劃分為Nx個(gè)區(qū)域， 油層和水層豎直方向分別劃分為No、Nw個(gè)區(qū)域，油層和水層共有（No+Nw）Nx個(gè)小控制體。將控制體積內(nèi)液滴的橫向停留時(shí)間和垂直停留時(shí)間進(jìn)行比較，分散相顆粒在控制體內(nèi)的垂直位置決定了液滴是進(jìn)入到它的連續(xù)相還是繼續(xù)以分散相形式橫向移動(dòng)。

此外，在模型中的水層和油層之間添加了一層稱為致密填充層或乳狀液層的額外層［10］。 在某些情況下，由于某些化學(xué)物質(zhì)（如某些原油中的瀝青質(zhì)）的表面特性阻礙了分離過程，導(dǎo)致這一層的產(chǎn)生。

筆者以一種簡(jiǎn)化的方法建立重力式三相分離器動(dòng)力學(xué)模型，該模型可以動(dòng)態(tài)描述各控制體的分離效率。

1.2 控制體劃分

將模型主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)大的區(qū)域：一個(gè)是入口區(qū)，假設(shè)在分離器入口區(qū)域發(fā)生了混合多相流的初始瞬時(shí)完全分離， 如圖1中斜向上花磚圖案的區(qū)域所示；另一個(gè)是主要分離區(qū)，將主要分離區(qū)劃分為以（i，j）為索引的小控制體。

圖1 三相分離器控制體劃分

pg——分離器中的氣相壓力，Pa；

Vg——分離器中的氣相體積，m3

1.3 模型構(gòu)建

1.3.1 油、水層橫向流量

由于體積流動(dòng)而產(chǎn)生的分散相顆粒的流動(dòng)稱為對(duì)流，由浮力參與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的分散相顆粒流動(dòng)稱為非對(duì)流，每個(gè)控制體對(duì)應(yīng)的具體流動(dòng)如圖2所示，其中對(duì)流用黃色表示，水滴非對(duì)流運(yùn)動(dòng)用綠色表示，油滴非對(duì)流運(yùn)動(dòng)用紅色表示。

圖2 分離器模型中小控制體的流動(dòng)情況

1.3.2 油、水層分散相顆粒運(yùn)動(dòng)速度

分散相顆粒的沉降或浮升速度vy按照流態(tài)區(qū)域來選取相應(yīng)公式計(jì)算［5］。

層流區(qū)，斯托克斯公式：

過渡區(qū)與湍流區(qū)之間的臨界直徑d2計(jì)算式為：

1.3.3 液滴數(shù)密度

數(shù)密度是指單位體積內(nèi)某種粒子或者物質(zhì)的數(shù)量［6］。 模型中考慮了f類液滴，液滴種類用序號(hào)k來標(biāo)識(shí)，第k類液滴單個(gè)顆粒的體積Vk計(jì)算式為：式中 dk——第k類液滴的直徑，m。

在已知油層含水率的情況下， 第k類水滴所占百分比WCk計(jì)算式為：

式中 WC——初始入口油層含水率；

Ψk——第k類水滴占總水滴數(shù)的百分比。在已知水層含油率的情況下， 第k類油滴所占百分比OCk為：

式中 OC——入口水層含油率；

ωk——第k類油滴占總油滴數(shù)的百分比。流入整個(gè)油相的第k類水滴顆粒個(gè)數(shù)Nw，k的計(jì)算式為：

式中 Vw，k——第k類水滴的單個(gè)體積，m3。

流入整個(gè)水相的第k類油滴顆粒個(gè)數(shù)No，k的計(jì)算式為：

式中 Vo，k——第k類油滴的單個(gè)體積，m3。

具體流入油相每層的水滴數(shù)目可以用水滴總數(shù)目乘以該層控制體橫截面積所占比例得到，流入每層水相控制體中的油滴數(shù)目計(jì)算方式同理。

1.3.4 油位、水位、壓力控制方程

1.3.4.1 油位

根據(jù)三相分離器的半徑、長度、油層體積、水層體積、進(jìn)液量、出油口流量和出水口流量，得到［7～10］：

1.3.4.2 水位

用類似推導(dǎo)油位方程的方法可以推導(dǎo)得到水位方程［11～14］。 水層體積隨時(shí)間的變化率為：

1.3.5 分散相的質(zhì)量平衡

任意控制體（i，j）中t+1時(shí)刻第k類分散相顆粒的數(shù)密度等于控制體（i，j）中t時(shí)刻的第k類分散相顆粒的數(shù)密度加上控制體（i，j）中第k類分散相顆粒的數(shù)密度的變化值［18～20］，計(jì)算式為：

1.3.6 各區(qū)域控制體的質(zhì)量平衡方程

將流動(dòng)規(guī)律變化相同的網(wǎng)格劃分為一個(gè)區(qū)域， 分離器模型中的網(wǎng)格控制體大致可以分為8個(gè)區(qū)域（圖3），可分別得到每個(gè)網(wǎng)格控制體的質(zhì)量平衡方程。

圖3 具有不同方程組的控制體的區(qū)域劃分

1.3.7 分離效率

控制體（Nx-1，1）中的含油率即為三相分離器外排污水中的含油率；控制體（Nx，1）中的含水率即為三相分離器處理后所得油品的含水率。t時(shí)刻 外 排 污 水 含 油 率OC（Nx-1，1），t和t時(shí) 刻 出 油 口 含 水率WC（Nx，1），t的計(jì)算式分別為：

2 模型結(jié)果與討論

利用JAVA語言對(duì)模型進(jìn)行編程計(jì)算，在已知分離器尺寸、 入口含水率及流量等變量的基礎(chǔ)上，對(duì)分離器油位、水位、分離效率進(jìn)行模擬檢測(cè)。

2.1 分離器基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

三相分離器的基礎(chǔ)參數(shù)如下：

分離器長度L 1.4 m

分離器直徑D 0.76 m

油相密度ρo925.6 kg/m3

油相粘度μo24.100 mPa·s

水相密度ρw998.2 kg/m3

水相粘度μw1.003 mPa·s

流量Q 2 m3/h

分散相顆粒粒徑d 0～300 μm

流入分離器的油水混合液的含水率εin0.3

滯留因數(shù)α 0.5

進(jìn)入連續(xù)水層的水所占的比例γw0.602 039

進(jìn)入連續(xù)油層的油所占的比例γo0.999 950

2.2 分離器仿真

設(shè)置三相分離器的參數(shù)后，基于JAVA輸入?yún)?shù)對(duì)三相分離器的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，經(jīng)過充裝以后最終水相液位穩(wěn)定在0.4 m處，堰板前油相液位穩(wěn)定在0.8 m 處，堰板后方油品高度穩(wěn)定在0.4 m處（圖4）。 由圖5可以看出，出油口含水率初始迅速從零升高，最終穩(wěn)定在0.063，出水口污水含油率則穩(wěn)定在37.78ppm（1ppm=10-6）。該三相分離器模型計(jì)算結(jié)果符合工程實(shí)際情況。

圖4 油/水相液位高度隨時(shí)間的變化曲線

圖5 三相分離器的分離效率

3 結(jié)論

3.1 建立了一種動(dòng)態(tài)重力式三相分離器模型，并利用JAVA語言編程對(duì)該分離器進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算。

3.2 仿真得到三相分離器充裝過程中油位、水位、壓力等參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，并得到三相分離器出油口含水率和外排污水含油率。 結(jié)果證明該分離器模型的可行性和準(zhǔn)確性，符合工程實(shí)際。