崔瑋琳,汪瑛,孟陵,杜昌順,周濤,牟井輝
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三相分離器創(chuàng)新結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計
崔瑋琳,汪瑛,孟陵,杜昌順,周濤,牟井輝
(沈陽工業(yè)大學(xué)遼陽分校 油氣儲運(yùn)教研室,遼寧 遼陽 111000)
隨著油田進(jìn)入高含水期,提高三相分離器的分離效率迫在眉睫。本文通過對三相分離器分離原理、分離器內(nèi)液滴運(yùn)動情況以及影響分離器效率等因素的分析,選擇合適的油氣分離方法,運(yùn)用分析、綜合等方法來創(chuàng)新設(shè)計捕霧器、油水堰板、集砂斗等部分元件,從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最后提出了三相分離器的數(shù)值計算模型,根據(jù)修正后的分離理論和公式對三相分離器提出改進(jìn)設(shè)計。實驗證明新型三相分離器的分離效率可以得到大幅度提高。
三相分離器;分離效率;結(jié)構(gòu)改進(jìn);數(shù)值分析
三相分離器是油氣田開采的關(guān)鍵分離設(shè)備之一,它的設(shè)計效率決定了能否達(dá)到采出液的存儲和運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)。若設(shè)計地不合理,地表采集系統(tǒng)的工作效率將被大大地限制。目前生產(chǎn)的三相分離器的分離的精度雖然標(biāo)準(zhǔn)較高,但都還存在著普遍適用性較差的問題,無法滿足油氣水分離的預(yù)期要求[1-6]。所以本文研究了一種新型油氣水三相分離器,以實現(xiàn)更加高效的油氣水分離效果。
捕霧器分離原件是油氣田采集系統(tǒng)中進(jìn)行氣、液分離的流程單元之一[7]。本裝置進(jìn)行的改進(jìn)是在原有三相分離器的基礎(chǔ)上,利用碰撞分離的原理在其內(nèi)部增添了二級捕霧器。這樣能夠更好的解決生產(chǎn)中伴生氣脫水效率不高和液滴的二次夾帶問題。改裝后的分離器在保證采出物分離系統(tǒng)合理運(yùn)行的前提下,提高了氣霧處理量,形成分離全程密閉、工藝自動和處理高效的循環(huán)體系。
工作原理如下:油氣水混合物從油氣水進(jìn)口切向進(jìn)入第一捕霧器后形成旋流,在此處能夠去除氣體中攜帶的粒徑為 10~100 μm的油霧,加速了氣液的分離,大幅度地縮短氣體溢出時間;初步分離后的氣體中仍夾帶有大量的小液滴,氣體中夾帶的小液滴通過第一捕霧器后進(jìn)入第二捕霧器,此處能夠更好的將在分離器重力沉降段內(nèi)未能除去的較小油滴在捕霧構(gòu)件中加以捕集,然后從第二捕霧器頂端的氣體出口流出。三項分離器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 三相分離器結(jié)構(gòu)圖
油水堰板是用于油、水分離的遮擋板,水堰板的高度通常比油堰板低一些,油堰板高度通常是分離器直徑的 0.6 倍左右[8]。普通三相分離器內(nèi)一般設(shè)有一個油槽,一個油堰板和一個水堰板。
工作原理如下:本次設(shè)計將三相分離器中的油堰板由原來普通的一級油氣水分離變?yōu)槎売蜌馑蛛x,在第一級分離后加了一塊與原來相垂直的一塊油堰板來實現(xiàn)油水二次分離,提高分離效率。且將原來的固定油堰板改為高度可以調(diào)節(jié)的油堰板,油水堰板的高度可以根據(jù)油氣井的不同生產(chǎn)時期或油井產(chǎn)液的油水比例變化進(jìn)行不同的調(diào)節(jié),從而延長分離時間,增強(qiáng)普適性,并且其占地面積更小。油水堰板側(cè)面圖如圖2所示。
集砂斗是一種新型的置于分離器底部用來聚集沙礫等固體沉降物質(zhì),并通過底部排出口排出的裝置。常用的三項分離器底部均為平整的底面,其上的沉降物質(zhì)需要在停工后清理,也有部分的分離器設(shè)置了泥沙排出口,但是經(jīng)過大量的比較分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的裝置實際使用效果并不怎么理想[9],為此改進(jìn)設(shè)計了新型倒圓錐形集砂斗。
圖2 油水堰板側(cè)面圖
圖3 集砂斗結(jié)構(gòu)圖
工作原理:新型集砂斗設(shè)計為為倒圓錐形,圓錐上圓面接觸分離器底部內(nèi)壁,圓錐底部延伸到壁外。采用圓錐形集砂斗可在一定程度上,在不停車不改變分離器內(nèi)部壓力等各項工作指標(biāo)的條件下,使固體沉降物自動流出。大大降低雜質(zhì)去除的復(fù)雜程度,大程度的提高了排沙效果,降低了清潔三相分離器的難度和費用。同時減少會堵塞管道和設(shè)備出口的淤積物,降低油水分離不徹底以及設(shè)備損壞的可能,減弱采出液中混合的固體雜質(zhì)在管道中流動時,對運(yùn)輸管線中的各種設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦,從而造成損壞。集砂斗結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
本模型中,油、氣和水物料的分離是主要的處理成分,所以分離器內(nèi)部流體可以概括為油氣水三相,湍流是分析過程中主要的流動狀態(tài)。在軟件模擬的操作中,忽略管道內(nèi)各流體間的能量傳遞可以達(dá)到簡化模型的目的。因為管線內(nèi)部流體流動性質(zhì)的影響微乎其微,從而不考慮管線內(nèi)的壁面條件。所以,在對三相分離器進(jìn)行數(shù)值計算以及模擬的過程中,多相流模型及湍流模型是主要考慮的因素。依照所設(shè)計的相關(guān)數(shù)據(jù)及一定的參數(shù),利用 SolidWorks 進(jìn)行三相分離器建模,所建模型如圖4 所示。
圖4 三相分離器模型圖
如圖5三相分離器在FLUENT中的模擬分析,原油由入口進(jìn)入,經(jīng)過整流板,天然氣從三相分離器的上部出口分離,水和石油分別從下部出口分離。網(wǎng)格劃分以及內(nèi)部流場圖如圖6至9所示。
圖5 三相分離器在 FLUENT 中的模擬分析
圖6 FLUENT模擬三相分離器的壓力云圖
圖7 三相分離器速度云圖
圖8 入口截面釋放的流線圖
圖 9 氣出口截面釋放的流線圖
(1)分離器按照此前的理論尺寸用軟件模擬之后,最終氣液分離的效果能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求,而油水兩相的分離效率與管輸?shù)囊蟠嬖谝欢ǖ牟罹啵?/p>
(2)二級捕霧器的設(shè)計能夠減弱流速在入口處由于存在過快的狀態(tài)下,流體對設(shè)備的沖擊作用,保證油氣水分離沉降處理過程的正常運(yùn)行,減少渦流的產(chǎn)生;
(3)油水堰板間距越小,對流體分離運(yùn)動的阻礙作用越強(qiáng);當(dāng)距離降低到一定的數(shù)值后,繼續(xù)減小間距對分離效果的提升將不起作用。
(1)通過對三相分離器捕霧器的改裝,提高了其移除液霧的能力。與傳統(tǒng)的捕霧器相比,具有效率高、可以脫除小液滴以及污垢小等優(yōu)點,可以承擔(dān)更高的氣體處理量。
(2)改進(jìn)后的增設(shè)錐形集砂斗,能有效地及時清除原油中含有泥、沙等固體機(jī)械雜質(zhì),大大降低了固體雜質(zhì)分離不徹底以及設(shè)備損壞的可能性;
(3)設(shè)計可調(diào)節(jié)式油水堰后,提高三相分離器油水分離效率,提高了對滾動開發(fā)式油氣田的適用性,使其分離效果更佳穩(wěn)定,使其更加經(jīng)濟(jì)效益;
(4)由 FLUENT 模擬結(jié)果可得,依照最初設(shè)計的要求,三相分離器內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)平穩(wěn),軟件模擬出的模型中各項指標(biāo)均顯示正常,其分離效果大致達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
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Numerical Simulation and Optimal Design of Three-phase Separator
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(Shenyang University of Technology, Liaoning liaoyang 111000,China)
After entering the high water cut stage in development of oilfields, it is urgent to improve the efficiency of three-phase separator. In this paper, the separation principle of three-phase separator,droplet movements in the separator were analyzed as well as the factors to affect the efficiency of separator. Suitable oil-gas separation method was chosen, the structure of separator was optimized by innovative design of the mist extractor, oil-gas weir plate and cone desander.And then, a new numerical model of three-phase separator was put forward, improved design of three-phase separator was carried out based on revised separation theory and formula. Experiments proved that the efficiency of the new type separator was substantially enhanced.
three-phase separator; separation efficiency; improvement of structure; numerical analysis
2017-09-28
崔瑋琳(1988-),女,講師,碩士,遼寧省遼陽市人,2014年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè),研究方向:多相流與流變學(xué)。
汪瑛(1996-),女,研究方向:三相分離器創(chuàng)新改進(jìn)。
TQ 052
A
1004-0935(2017)11-1109-03