侯 健 俞接成 吳立志

(1.北京化工大學；2.北京石油化工學院)

重力分離器是一種利用重力對互不相溶、存在密度差的不同種流體進行分離的一種設備，廣泛應用于石油、化工等行業(yè)。重力式油水分離設備是油田地面工程中應用最廣、最基本也是最重要的工藝設備之一[1]。隨著石油開采向近海和遠海的延伸，新問題也隨之出現(xiàn)，首先是海上采油浮動平臺對體積的要求，重力油水分離器的體積通常較大，根據處理量的不同，有的重力油水分離器長達十多米，海上采油平臺的建造成本與平臺面積成正比[2]。相對于陸地油田，海上采油平臺對空間有著嚴格的要求，因此必須開發(fā)高效、小型化的重力油水分離器；另外，海上采油浮動平臺受波浪、海風及水流等因素的影響常處于搖晃狀態(tài)，還需要分析在這些外力作用下產生的晃動對油水分離器分離性能的影響。用于海洋采油平臺或海底水下生產系統(tǒng)的分離器，應具有結構簡單、高效緊湊、安全可靠、容易安裝及維護等特點[3]。

由于影響油水分離過程和效果因素的多樣性和復雜性，很難通過理論方法給出較為精確的結果，而單純通過試驗手段則缺乏對初始設計的指導性，還要面臨成本等方面的壓力。隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展，數(shù)值方法已逐漸應用于多相流動的研究之中。數(shù)值模擬比試驗的方法周期短、成本低，而且能夠刻畫流動的細節(jié)[4]。近年來，多相流理論和計算機技術的迅速發(fā)展極大地推動了分離器的理論研究。

大量的研究者借助于CFD手段對油水重力分離器的性能和內部構件對其分離性能的影響進行了研究。蔡飛超等建立了油水兩相分離的數(shù)值模型，對油水重力分離器的前半段建立了簡化模型，研究了流場流動和分離特性，并進一步分析了進口速度、油滴直徑對流動和分離的影響[5]；Derek W等運用PHOENICS V1.5軟件，采用k-ε模型，把油水重力分離器簡化為二維模型，對其進行了模擬并將結果與試驗測量結果進行了比較，兩者之間吻合良好[6]；劉洪河通過應用Fluent軟件模擬了不同油滴粒徑下油水混合物的分離情況，得到了新型油水分離器的適用范圍和分離效率[7]；呂宇玲等應用Fluent軟件的標準k-ε模型和多相混合模型，對重力式油水分離器的流場進行了三維數(shù)值模擬，得到含有兩種不同入口構件、4種不同整流構件和6種不同聚結構件的分離器內部速度矢量和流場，分析并比較了不同構件的分離特性[4]。

盡管有眾多研究者采用數(shù)值手段對重力油水分離器進行了數(shù)值模擬，但所研究的重力分離器均為固定情況，對因海浪等作用而處于搖擺情況下的重力油水分離器的數(shù)值研究尚未見有相關文獻報道。筆者將通過Fluent軟件，借助于用戶自定義函數(shù)(UDF)對處于搖擺情況下的重力油水分離器進行數(shù)值模擬，分析搖擺參數(shù)(如頻率、搖擺幅度等)對其分離性能的影響[8～10]。

1 計算模型

1.1 幾何模型

所模擬的重力油水分離器總長為2 000mm、內徑376mm、混合液入口內徑32mm，水出口和油出口內徑均為20mm，分離器包括入口段、整流段、聚結段、重力沉降分離段和出口段5部分，其結構和主要尺寸如圖1、2所示。

圖1 重力油水分離器三維結構示意圖

圖2 重力油水分離器尺寸簡圖

1.2 網格劃分

筆者應用Gambit軟件進行幾何建模和網格劃分，為確保所劃分的網格為高精度的結構化六邊形網格單元，將重力分離器的入口和兩個出口分別簡化為32mm×32mm和20mm×20mm的方管。在建模時，首先繪制其橫截面并完成網格劃分，按圖2所示的尺寸做出多條沿軸向線段并設置軸向的網格間距，然后以帶網格拉伸方式將已劃分網格的橫截面沿軸向線段進行拉伸。最后指定進口、出口、壁面、整流板和聚結板等邊界條件區(qū)域，共劃分1 893 496個網格單元。劃分完畢的重力分離器的網格如圖3所示。

圖3 油水分離器建模及網格劃分

1.3 計算模型及邊界條件

采用Fluent軟件進行模擬，油水混合物為湍流流動，選用標準k-ε湍流模型。油水混合物選用MIXTURE模型。水為主相、油為離散相，設油相體積分數(shù)為20%。油水混合物中的油相和水相分別采用Fluent流體介質庫中的煤油和水，其物性參數(shù)分別為：煤油的密度為780kg/m3，粘度系數(shù)為2.400mPa·s；水的密度為998.2 kg/m3，粘度系數(shù)為1.003mPa·s。油水混合物的進口為速度入口邊界條件，油相和水相出口條件均設置為outflow出口。選用的離散格式為壓力-速度耦合，計算選用SIMPLEC算法, 壓力計算選用標準格式，其他均選用QUICK格式。

1.4 模擬方案

在模擬時，首先模擬裝置靜止時的油水分離情況，其中，煤油粒徑考慮了200、300μm兩種情況，入口速度分別考慮1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m/s共5種情況，具體方案見表1。

表1 裝置靜止時的模擬方案

在對裝置靜止情況下的油水分離情況完成模擬的基礎上，再對裝置在搖擺情況下的油水分離性能進行模擬。作為對裝置在擺動情況下進行模擬的初步嘗試，主要模擬了裝置在水平正弦運動時的搖擺的頻率和振幅對油水分離的影響，搖擺頻率可以以搖擺周期形式進行計算。搖擺周期考慮了1.25、2.50、3.75、5.00、6.25s共5種情況，搖擺振幅考慮了0.2π、0.4π、0.6π、0.8π、1.0πm共5種情況，采用Fluent軟件提供的用戶自定義函數(shù)(UDF)功能，編寫壁面搖擺的函數(shù)并進行編譯，然后將裝置的壁面定義為振動壁面并進行模擬，具體方案見表2。

表2 裝置水平搖擺時的模擬方案

2 計算結果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)模擬結果

油水分離器在穩(wěn)態(tài)時(油滴粒徑300μm，入口速度1.0m/s)的油相體積分數(shù)云圖如圖4所示，分離器上層為油相，下層為水相，中間區(qū)域為含不同油相體積分數(shù)的油水混合區(qū)域，分離效果良好，右下端油出口基本全部為油，水出口基本不含油，油水混合物基本接近100%分離。圖5所示為穩(wěn)態(tài)方案①～⑩下，兩種不同油滴直徑的混合物在不同入口速度情況下的油水分離情況，從圖5可以看出，在相同油滴粒徑時，除油率隨入口流速的增大而減??；相同入口速度、不同油滴粒徑(300、200μm)時，油滴粒徑大的除油率相對較高。混合液入口速度1.0m/s，油滴粒徑300μm時分離效果最好。

圖4 穩(wěn)態(tài)作用下分離器油相體積分數(shù)

圖5 油滴粒徑和入口速度對油水分離的影響

2.2 搖擺情況下的模擬結果

圖6為相同搖擺振幅(0.4πm)、不同搖擺周期下分離器分離后的油相體積分數(shù)的對比，從圖6可以看出，搖擺頻率較低(周期較長)時的分離效果明顯優(yōu)于搖擺頻率較高(周期較短)時的分離效果。圖7為相同搖擺周期(2.50s)、不同搖擺振幅下分離器分離后油相體積分數(shù)的對比，從圖7可以看出，搖擺振幅較小時的分離效果明顯優(yōu)于搖擺振幅較大時的分離效果。由此可以看出，劇烈的搖擺會降低油水分離器的分離效果。

a. 搖擺周期為1.25s

b. 搖擺周期為6.25s圖6 相同搖擺振幅、不同搖擺周期下分離后的油相體積分數(shù)的對比

a. 搖擺振幅為0.2πm

b. 搖擺振幅為1.0πm圖7 相同搖擺周期、不同搖擺振幅下分離后的油相體積分數(shù)的對比

圖8為非穩(wěn)態(tài)方案①～⑤下，油水分離器分離效果與穩(wěn)態(tài)方案分離效果(除油率)的對比，從圖8可以看出，在同樣的油滴粒徑和入口流速下，搖擺狀態(tài)相比穩(wěn)定狀態(tài)來說除油率有不同程度的降低。圖9為非穩(wěn)態(tài)方案⑥～⑩下，相同搖擺振幅(0.4πm)、不同搖擺周期下分離器的除油率，從圖9可以看出，在搖擺作用下，分離器的除油率隨搖擺周期的增大、搖擺頻率的減小而升高，在搖擺周期為2.50s及以上時油水分離效果較好，劇烈的搖擺將顯著影響重力分離器的分離效果。圖10為非穩(wěn)態(tài)方案～下，相同搖擺周期(2.50s)、不同搖擺振幅下分離器的除油率，從圖10可以看出，在搖擺作用下，分離器的除油率隨搖擺振幅的增大顯著降低，在搖擺振幅小于0.4πm(約1.26 m)時，水出口除油率較高，劇烈的搖擺將顯著影響重力分離器的分離效果。

圖8 穩(wěn)態(tài)及搖擺周期2.5s時的除油率

圖9 搖擺周期對除油率的影響

圖10 搖擺振幅對除油率的影響

3 結束語

模擬計算結果表明：減小分離器入口流速有利于改善分離器分離效果；混合液中油滴粒徑越大，分離效率越高；重力分離器在穩(wěn)態(tài)下的油水分離效果優(yōu)于非穩(wěn)態(tài)下的油水分離效果；重力分離器在非穩(wěn)態(tài)下?lián)u擺周期越長、搖擺頻率越低、振幅越小，重力分離器的分離效果越好。在入口流速較低時，各油滴粒徑的油水混合物分離效果均比較理想，入口流速小于1.5m/s時分離效果較好。隨著流速的增加，分離效果逐漸下降，減小分離器入口流速有利于改善分離器效果；混合液中油滴粒徑越大，分離效率越好，該分離器模型在油滴粒徑300μm時分離效果較好；搖擺對重力分離器的分離效果有明顯影響，搖擺周期越長、頻率越低、振幅越小，分離效果越好。在搖擺周期為2.5s及以上，搖擺振幅在0.4πm(約1.26m)及以下時油水分離效果較好，劇烈的搖擺會明顯降低油水分離效率。

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