金雪菲,陳家旺,李世倫,顧臨怡

(1.浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室,浙江 杭州 310027;2.浙江大學海洋科學與工程學系,浙江 杭州 310028)

深海油水主動旋流分離器強制渦流前推段結構對分離性能影響數(shù)值模擬

金雪菲1,陳家旺2,李世倫1,顧臨怡1

(1.浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室,浙江 杭州 310027;2.浙江大學海洋科學與工程學系,浙江 杭州 310028)

針對深水油氣田主動旋流分離器強制渦流前推段錐度對分離性能的影響進行研究,應用RSM(reynolds stressmodel)湍流模型對主動旋流器內部強旋流場進行數(shù)值模擬計算,在強制渦流前推段錐角變化時,合理預測并對比其內部軸向速度、切向速度、離心力以及分離效率的變化。研究表明在一定范圍內,前推段錐度的增加可以提高混合液在前推段內的軸向速度和切向速度,進而可以獲得更高的分離效率。當錐角達到15°時,可以獲得最為理想的分離效果。此外,在不同深水環(huán)境下對該主動旋流分離器進行仿真計算表明,不同的環(huán)境壓力對旋流器分離效率影響很小。

主動旋流分離器;強制渦流;深水油氣田;RSM模型

Abstract:Subsea production system of deep-seaoil-gas field isoneof the key technologies foroil companies to exploitoil reserves.In thispaper,RSM turbulencemodel isapplied to simulate the effectof the cone dimensionof forced vortexon hydrodynamic performanceof the dynamic hydrocyclone,and to study the separation efficiency in different deep-sea environment.Axial velocity,tangential velocity of the liquids and centrifugal force are predicted successfully by this numerical simulation.Comparisonsof flow field of hydrocycloneswith different cone dimensions show that a larger cone dimension leads to higher tangential and axial velocity,which can increase the separation efficiency.The uniform results between the simulation and the literature also show that RSM turbulencemodel is reliable in the flow field simulation study of cyclone.Furthermore,the results also show that this kind of hydrocyclone can be applied to deep sea.

Key words:dynamic hydrocyclone;forced vortex;deep-sea oil-gas field;RSM model

隨著全球對石油需求量的不斷增加,海洋石油工業(yè)得到迅猛發(fā)展,海洋石油勘探和開發(fā)技術有了很大地進步。世界海洋石油發(fā)展的趨勢是走向深海[1-3],并隨著井口水深增加,水下生產系統(tǒng)應用越來越廣泛[4]。其原因:提高采收率的需要;解決油氣高含水問題的需要;流動保障的需要。海洋油氣資源是重要勘探開發(fā)領域,目前北美墨西哥灣和挪威海域的深海石油開采活動較為活躍,中國海洋油氣開發(fā)集中在水深小于300米的海域內,深水油氣開發(fā)技術和裝備幾乎為空白,亟需發(fā)展深水油氣勘探開發(fā)核心技術裝備。中國海域內的水下生產系統(tǒng)主要是中海油借助外國公司技術來完成[5]。旋流分離器是水下生產系統(tǒng)最后階段——生產水分離過程的重要設備,按照其本身結構特點可以分為被動旋流分離器和主動水力旋流分離器[6]。二者的主要區(qū)別在于有無旋轉部件,但其分離原理是相似的,都是利用混合液中密度有差異的互不相溶介質在高速旋轉下離心力的不同,促使兩相流分離。被動水力旋流器由于其結構簡單無旋轉部件,其內部流場理論、分析方法以及工藝等都發(fā)展得非常成熟。但是也由于自身結構的限制,其處理能力變化較小,需要足夠的入口壓力等缺點也使得它不能達到深度水處理的要求。近年來人們開始將目光轉向主動旋流分離技術,采用液壓馬達拖動旋流分離筒進行油水主動旋流分離,生產水經主動旋流分離后再經高壓泵回注地層,油與砂在高壓氣舉作用下通過海底輸送管道經立管一起輸至依托設施。主動式旋流分離器與被動式旋流分離器相比,通過外加動力實現(xiàn)離心力可控調節(jié),因此其分離的效率不受入口的壓力、流量和濃度波動影響。

在被動水力旋流器中,旋流器前推段的錐度對旋流分離的影響多次得到論證和證實。Bryant et al發(fā)現(xiàn)如果渦流和錐形壁面接觸,就會導致液滴破碎從而降低分離效率[7]。K.W.Lee證明錐形壁面能增大切向速度從而提高分離效率[8]。T.G.Chuah的研究也表明在被動水力旋流器的錐形壁面的錐度的改變會影響旋流器的軸向速度,切向速度以及壓降等分離性能,從而對分離效果產生比較重要的影響[9]。在上述研究的基礎上,研究主動式深海油水分離器強制渦流前推段對其內部旋流場的影響,包括對軸向速度和切向速度以及離心力的影響,并預測在不同前推段錐度下各旋流器的分離效率。

1 仿真模型建立

1.1 RSM模型控制方程

為了簡化計算,假設液體為無壓縮流體。其連續(xù)性方程:

式中:x1,x2,x3為笛卡爾坐標分量;u1,u2,u3為時均速度分量;p為時均壓力;ρ為流體密度;μ為分子粘度;ui,uj是由湍流模型確定的未知雷諾分量。

雷諾應力運輸方程:

式中:左端兩項分別為應力隨時間的變化率和對流項;右端pij為剪切力產生項,可以忽略;其余三項分別為分子粘性擴散項、壓力應變項和粘性耗散項;xk為笛卡爾坐標分量;uk為速度時均分量。

式中:C1和C2為模型常數(shù),k為湍動能。

圖1 主動旋流分離器基本結構Fig.1 The basic structure of the dynamic hydrocyclone

粘性耗散項:

1.2 主動旋流分離器模型

如圖1所示,主動旋流分離器由入口段、旋轉柵、強制渦流前推段以及直管穩(wěn)流段組成。其中旋轉柵采用3流道螺旋柵,各部分尺寸如表1所示。

數(shù)值仿真中的網格模型如圖2所示。計算采用的入口邊界條件,入口流速vin和湍流參數(shù)分別為

其中,Cμ為經驗常數(shù),εin為入口處湍動能耗散率,Kin為入口湍動能,De為入口當量直徑。出口按照充分發(fā)展處理,各流動參數(shù)的法相梯度為零,壁面為無滑移固壁邊界。

表1 旋流器各部分尺寸Tab.1 Geometry of dynam ic hydrocyclone

圖2 不同強制渦流前推段錐角的旋流筒尾段網格模型Fig.2 The gridmodel of final segmentof hydrocyclonewith different typesof forced vortex forward structures

2 結果和討論

為了了解主動水力旋流器強制渦流前推段不同錐度對旋流筒內部流場及分離性能的影響,選取距離旋流器入口處Z=250mm和Z=450mm的截面對四個旋流筒的軸向速度、切向速度進行對比,如圖3、4所示。

圖3 強制渦流前推段不同錐度下軸向速度對比的仿真預測Fig.3 Axial velocity from CFD prediction for hydrocyclonewith different typesof forced vortex forward structures

仿真結果表明,旋流器的軸向速度分布比較復雜,主動水力旋流器在壁面附近有一個高速區(qū),且隨著錐度的增加旋流器軸線附近軸向速度也呈現(xiàn)增加趨勢?？傮w看來隨著強制渦流前推段錐度增加旋流器軸向速度峰值增加(如圖3所示),且在2°到15°之間,這種增加的趨勢非常明顯,15°到25°之間,軸向速度變化不大。

圖4表明,隨著前推段錐度的增加,切向速度也隨之呈增大的趨勢。與軸向速度的變化一樣,切向速度也是在2°到15°之間增加的趨勢非常明顯,15°到25°之間兩種旋流筒切向速度幾乎相同。

在旋流筒的速度矢量的三個分速度中,切向速度是其中數(shù)值最大的,它決定處理液所受離心力的大小。離心力的大小某種程度上決定了旋流器的分離性能。假設液滴顆粒繞半徑為r的圓周運動,則它的角速度:

圖4 強制渦流前推段不同錐度下切向速度對比Fig.4 Tangential velocity from CFD prediction for hydrocyclonewith different typesof forced vortex forward structures

圖5顯示了錐度對旋流筒的離心力大小的影響,從圖中看出,錐角較大時旋流所產生的離心力更大。并且在2°到15°之間離心力增加的趨勢非常明顯,15°和25°時產生的離心力變化不大。圖6則顯示的是在各旋流筒的出口端含油體積分數(shù)隨著半徑的變化曲線。圖7顯示了強制渦流前推段錐角不同的旋流筒在中心線縱向剖面上的油水兩相體積分布云圖。由圖中可以看出錐角從2°到15°之間變化時,分離后旋流筒中心高含油層含水量從39.3%減少到0.7%,分離效果非常明顯,但是15°之后,分離能力并沒有明顯改善反而有所下降。這個結論也符合R.Xiang關于一定程度上旋流筒錐度增大會增大離心力從而提高分離效率的觀點[10]。

圖5 不同錐度旋流器的離心力與重力的比值對比Fig.5 Calculated centrifugal to gravity force ratio for hycrocyclone with different typesof forced vortex forward structures

圖6 強制渦流強推斷錐角不同時,在Z=600 mm截面處旋流筒的分離效率分布(用含油體積分數(shù)表征)Fig.6 Calculated hydrocyclone efficiency versusoil cut at sectionZ=600mm under different typesof forced vortex forward structures

圖7 在環(huán)境壓力20MPa不同前推段錐度旋流器入口含油量為40%時旋流筒中心對稱剖面上水相體積分數(shù)分布云圖Fig.7 Contoursof volume fraction of oil in dynamic hydrocyclone with different types of forced vortex forward structures(inlet oil-cut 40%,environment pressurep=20 MPa)

從圖6和圖7中也可以看到,前推段錐度為10°和15°的旋流器都有一個較長的圓柱段穩(wěn)流區(qū),也是主動旋流分離的主分流區(qū),在這個區(qū)域內切向速度和軸向速度等幾乎保持不變,從而保證流場的穩(wěn)定,促使兩相穩(wěn)定分離。這種現(xiàn)象也符合褚良銀等關于水力旋流器錐段為預分離區(qū),柱段是利于兩相分離的有效分離區(qū)的論斷[11]。

此外,通過對不同渦流前推段錐度下的各個旋流器分別在環(huán)境壓力為0(地面)、10、15、20MPa下進行仿真分析(見表2),發(fā)現(xiàn)各個旋流筒在不同環(huán)境壓力下依然保持了如圖7中所示的分離效果。圖8顯示了在渦流前推段錐角為15°時的旋流筒在不同環(huán)境壓力下的出口含油體積分數(shù)分布曲線。由圖中可以看出,在水深不斷加深,環(huán)境壓力不斷增加時,該旋流分離器的分離效率幾乎不變。

表2 不同水深對應壓力值Tab.2 Different depths of corresponding pressure

圖8 不同環(huán)境壓力下,強制渦流前推段錐角為15°的旋流分離器在Z=600mm截面處的分離效率Fig.8 The prediction efficiency of hydrocyclone under different environment pressure at segmentZ=600mm,θ=15°

3 結 語

1)在一定范圍內(2°到15°)增大旋流器強制渦流前推段錐度,混合液軸向速度及切向速度以及離心力的增加都非常明顯,從而大大提高了旋流分離性能,分離后旋流筒中心高含油層含水量從39.3%減少到0.7%。且隨著錐度的增加,旋流筒中出現(xiàn)穩(wěn)定的油核,軸向速度的增大又有利用中心油核迅速流出,從而增加主動旋流分離器的處理量。當錐度為15°時旋流器各方面都具有較為優(yōu)異的性能,仿真結果表明此時旋流器中心油核的含油體積分數(shù)達到0.7%,達到了非常理想的分離效果。同時,進一步增大旋流器強制渦流前推段錐度(15°到25°),待分離液滴的切向速度等很難進一步增加且分離效率有所下降。這個結論為主動旋流分離器的進一步結構設計提供了一定的理論指導。

2)在水深為0到2 000m(即環(huán)境壓力為0～20MPa)的不同環(huán)境下對主動旋流分離器的分離性能進行仿真研究,結果表明不同的環(huán)境壓力對旋流器分離效率幾乎沒有影響。

3)仿真結果與一系列參考文獻及理論的一致性也表明RSM模型的準確性和仿真結果的可靠性。

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Effect of cone dimensionsof forced vortex on performance of dynamic hydrocyclone

JIN Xue-fei1,CHEN Jia-wang2,LIShi-lun1,GU Lin-yi1
(1.The Key State Laboratory of Fluid Power and Transmission Control,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Departmentof O-cean Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310028,China)

P751

A

1005-9865(2011)01-0089-05

2010-08-09

國家“863”高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2006AA09Z319)

金雪菲(1987-),女,湖北仙桃人,碩士生,主要從事深海油氣田技術裝備開發(fā)。E-mail:jinxuefei@zju.edu.cn