李 巍， 于同川 ， 張曉敏， 劉國棟， 范學君， 陳萬貴

(1． 海洋石油工程股份有限公司特種設備公司， 天津 300451； 2． 哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院， 哈爾濱 150001)

重力式三相分離器內件布置對分離效果影響的數值模擬

李 巍1， 于同川1， 張曉敏1， 劉國棟2， 范學君1， 陳萬貴1

(1． 海洋石油工程股份有限公司特種設備公司， 天津 300451； 2． 哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院， 哈爾濱 150001)

對重力式油氣水三相分離器的不同內件布置形式進行分析，旨在不增加內件用量的前提下，通過優(yōu)化布置，達到更好的油水分離效果。提出一種新型內件布置形式，并對新型內件布置結構的油水分離效果進行數值模擬研究。評估不同工作環(huán)境下的油水分離性能。研究表明，采用相間布置聚結板組和均流孔板的分離器內件布置形式獲得的油相濃度在分離區(qū)域比常規(guī)分離器高，油水分界面較窄且更加清晰。為提升海洋平臺油水分離器的分離效率提供依據。

重力式分離器；油-氣-水三相流動；內件布置；數值模擬

0 引言

油田原油采出液通常含有伴生氣、水等物質，無法滿足原油深加工的需要。如果不去除原油中的雜質，在原油管輸過程中會造成一系列的問題，增加運輸成本。因此，需要對原油采出液進行分離后分別處理輸運。在對油田原油采出液進行油氣水分離的三相分離器中，油氣水重力分離器以其結構簡單、造價低廉、操作方便、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，成為油田上應用最多、最基本也是最重要的油氣水分離設備之一[1]。近年來，海上油田開發(fā)逐步加快，海上油田原油采出液含氣量較大，含水原油物性也較為復雜，傳統(tǒng)的單純依靠重力作用對油氣水進行分離的設備已無法滿足實際需求。對海洋石油平臺而言，設備尺寸的要求越來越高，需應用高效的分離內件提高分離效率，適應新的生產要求。

目前，國內學者[2-5]運用FLUENT，STAR-CD等大型軟件對油水重力分離器內部流場與油水濃度分布進行數值模擬，并通過在分離器內部添加構件以及對構件結構進行優(yōu)化，提升分離器分離性能。王國棟等[6]利用重力式分離模擬試驗系統(tǒng)，以白油和水作為工作介質，研究了臥式油水分離器的分離特性和流動規(guī)律。研究表明：分離器內存在一個最佳的油水界面位置，該位置油層中的水滴分離效果最好；油相黏度是決定最佳油水界面位置的重要參數。李雙勝等[7]運用數值計算方法對4種不同結構的入口構件流場的流動特性進行模擬，對分離器入口構件的形式進行探討。張黎明等[8]選用不同結構的整流和聚結構件，采用FLUENT數值模擬軟件對分離器內部流場進行三維數值模擬，通過對比速度場與濃度場發(fā)現：蛇形背向平行板組和斜板交錯搭接平行板組具有較好的油水分離特性。孫治謙等[9]為考察聚結構件對油水重力分離器分離性能的影響，通過實驗研究發(fā)現：網狀波紋板結構對小液滴有較好的聚結作用；良好的親油疏水性與較大的接觸面積是性能優(yōu)良的聚結構件應具備的條件。倪玲英等[10]運用計算流體力學的方法對波紋板油水分離器內部流動過程進行了數值模擬，研究發(fā)現：在波紋板頂部適量開孔，分離效率可進一步提高；隨著波紋板板長和板間距的增加，分離效率先增加后減小。

本文以某海洋平臺的油水分離器為基礎模型(模型1)，改進該基礎模型的孔板、聚結板的數量與布置方式，得到了一套改進后的油水重力分離器(模型2)。采用流體力學計算軟件FLUENT，對重力式油氣水三相分離器內的流場進行數值模擬，并對二者的分離性能進行對比。

1 模型描述

1.1 工況參數

為更好地對比模型1與模型2的油水分離性能，本文列舉了3種不同的分離器運行工況，對分離器在3種不同工況下的分離性能進行數值模擬。各工況參數見表1。

表1 模擬所用各工況的參數

1.2 數學模型

1.2.1 連續(xù)性方程

油氣水三相在Euler-Euler雙流體模型中滿足如下關系：

(1)

1.2.2 動量守恒方程

對于連續(xù)的三相流體，其動量方程滿足如下關系式：

(2)

式中：μm為流體動力黏度；p為壓力梯度；為流體相間作用力；剪切應力m為

(3)

1.2.3 湍流模型

分離器內油水兩相的分離過程屬于一般的湍流問題，由于油水兩相的密度差比較小，故應用混合湍流模型可以較好地模擬這一過程。定義如下：

(4)

(5)

其中湍流黏度為

(6)

湍動能生成的增量為

(7)

式中：k為湍動能；ε為湍流耗散率；σk，σε，C1ε，C2ε，Cμ為湍流常數，分別取為1.0，1.33，1.44，1.92和1.99。

1.3 幾何模型

圖1為改進前模型1的油水分離器。該模型中3個模塊的聚結板聚合在一起，兩個孔板分別布置在聚結板兩側。圖2為改進后模型2的油水分離器。該模型中3個聚結模塊相間布置，僅有的1個孔板布置在聚結區(qū)域前側。兩種模型中，分離器直徑均為3.6 m，直段長度為14 m，左上部為油氣水入口，右上側為氣體出口，右下側從左到右的兩個出口依次為油出口和水出口。在模擬分離器油水分離的過程中，從起始到分離器內液面超過油堰板高度的范圍內，油出口與水出口是關閉的；當內部液體流過油堰板且分離達到穩(wěn)定狀態(tài)后，油出口與水出口開啟。

圖1 模型1結構示意圖 圖2 模型2結構示意圖

1.4 邊界條件

對于分離器油氣水三相入口，選用質量流量邊界條件，各相的質量流量根據工況的不同而有差異。壁面選用定溫邊界條件；氣體出口選用壓力出口邊界；油出口、水出口在油水穩(wěn)定分離之前為定溫邊界；穩(wěn)定分離之后為壓力出口邊界。

2 模擬結果與分析

2.1 最大含油量工況

圖3和圖4分別為最大含油量工況下分離器達到穩(wěn)定分離后的油相濃度分布云圖。由圖3和圖4可以看出：2種分離器中孔板與聚結板由于布置數量與位置的不同，油濃度分布在進口區(qū)域與聚結區(qū)域有明顯的不同。在有效分離區(qū)，分離器內油水分離均達到了穩(wěn)定狀態(tài)。對比2種分離器模型的油相濃度分布，可以看出：2種分離器都有較好的油水分離效果，但是模型2有效分離區(qū)油相區(qū)域的油水界面更清晰，油水混合相在流經每一級聚結板組后，油相濃度遞增趨勢明顯。

圖3 模型1穩(wěn)定分離后油濃度分布圖 圖4 模型2穩(wěn)定分離后油濃度分布圖

圖5和圖6分別為最大含油量工況下模型1和模型2在達到穩(wěn)定分離狀態(tài)時，油相濃度在不同高度上沿分離器軸向的分布曲線。

圖5 h=0.5 m處油相濃度沿軸向的變化 圖6 h=2.55 m處油相濃度沿軸向的變化

由圖5和圖6可知：沿分離器軸向方向大致分為入口區(qū)、聚結區(qū)和有效分離區(qū)3個區(qū)域。在入口區(qū)域，由于良好的入口構件，混合液體在入口即發(fā)生了一定的油水分離；當流體流經聚結區(qū)域時，由于在聚結板區(qū)域內油滴發(fā)生聚并，導致油相濃度曲線出現較大的波動；在有效分離區(qū)內，液體流動趨于平緩，部分油滴由于浮升作用上升，該區(qū)域油相濃度達到最大。由于模型2油水界面更清晰，在h=2.55m高度上，模型2已處于穩(wěn)定油相區(qū)域，而模型1處于油水乳化層邊緣區(qū)域，因此濃度明顯低于模型2的濃度。模型1與模型2在穩(wěn)定分離時油相體積分數在不同高度沿軸向的分布對比見表2。

表2 穩(wěn)定分離時油相體積分數在不同高度沿軸向分布對比

2.2 實際工況

圖7和圖8為2種分離器實際工況下達到穩(wěn)定分離時油相的濃度云圖。對比實際工況下2種分離器有效分離區(qū)域的油相濃度分布發(fā)現：模型1有效分離區(qū)域油水兩相分離效果較差，上層油區(qū)油相體積分數較小，主要集中在0.7～0.9之間，油水界面寬度較大，表明分離不徹底；模型2有效分離區(qū)域油水分離效果較好，上部油層較厚且體積分數高，主要集中在0.95～1.0之間，油水界面寬度較窄且比較清晰，表明分離效果較好。

圖7 模型1穩(wěn)定分離后油相濃度分布 圖8 模型2穩(wěn)定分離后油相濃度分布

圖9和圖10分別為實際工況下模型1和模型2在達到穩(wěn)定分離狀態(tài)時油相濃度在不同高度上沿分離器軸向的分布曲線。在h=0.5m處，模型1中的油相濃度沿軸向逐漸降低，模型2的油相濃度則一直保持在較低位置。在h=2.55m處，模型1的油相濃度沿軸向出現下降的趨勢并穩(wěn)定在油相濃度約0.7的位置。通過對比發(fā)現，模型2可以獲得分離區(qū)域較高的油相濃度從而有利于油水分離。

圖9 h=0.5 m處油相濃度沿軸向的變化 圖10 h=2.55 m處油相濃度沿軸向的變化

模型1與模型2在實際工況下穩(wěn)定分離時，油相體積分數在不同高度上沿軸向分布的對比見表3。

表3 模型1與模型2實際工況下油相體積分數分布對比

3 結論

應用Euler-Euler雙流體模型結合混合湍流模型對2種工況下的油氣水分離器進行數值模擬計算，對比2種分離器的油相體積分數云圖與軸向體積分數變化曲線得到2種不同運行工況下的油水分離特性。研究結果表明，改進內件布置結構后的油氣水分離器的分離性能明顯優(yōu)于常規(guī)分離器。因此，相間布置的聚結板結構優(yōu)于整體布置的聚結板結構，更有利于油水的分離。

[1] 倪玲英. 復雜通道中油滴的運動規(guī)律與顆粒周圍剪切力場研究[D].山東：中國石油大學(華東), 2008.

[2] JAWORSKI A J, DYAKOWSKI T. Measurements of Oil-Water Separation Dynamics in Primary Separation Systems Using Distributed Capacitance Sensors[J]. Flow Measurement and Instrumentation，2005, 16: 113-127.

[3] BHARDWAJ A, HARTLAND S. Dynamics of Emulsification and Demulsification of Water in Crude Oil Emulsions[J].Fuel and Energy, 1995, 36(1): 11-19.

[4] 孫治謙, 王振波, 金有海. 油水重力分離原理及聚結破乳機理初探[J].化工機械, 2009, 36(6):636-639.

[5] 呂宇玲, 何利民, 王國棟, 等. 含不同構件的重力式分離器內流場數值模擬[J].石油機械，2008，36(2): 12-16.

[6] 王國棟, 何利民, 呂宇玲, 等. 重力式油水分離器的分離特性研究[J].石油學報, 2006, 27(6): 112-116.

[7] 李雙勝, 孫雷, 曹永, 等.海洋平臺用重力分離器內件設計[J].石油化工設備, 2011, 40(2): 50-53.

[8] 張黎明, 何利民, 王濤, 等. 分離器整流聚結構件分離性能[J].中國石油大學學報(自然科學版), 2008, 32(6): 118-124.

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[10] 倪玲英, 張洋洋, 郭長. 開孔波紋板油水分離器在不同結構參數下的數值模擬[J].化工機械, 2013,40(1):73-76.

Numerical Simulation on Effect of Separation Caused by Different Internal Setting in Gravitational Oil-Gas-Water Separator

LI Wei1, YU Tongchuan1, ZHANG Xiaomin1, LIU Guodong2,FAN Xuejun1, CHEN Wangui1

(1.Special Equipment Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China；2.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

A new type of the scheme for the arrangement of internal parts in a gravitational gas-oil-water three-phase separator is proposed to find better layout of internals to get better effect for oil and water separation.Two different types of internal parts distributions are analyzed. The effect of the new scheme for the internal parts is numerically simulated, and its effect on the water-oil separation is also evaluated in two different working conditions. Simulated results show that the sectional type of the coalescent pack with flow equalized pore platescould result in higher oil volume fraction distribution in the separation region in the three-phase separator compared with the original internal parts arrangement, and a more clear and thinner interface between the oil and water could also be obtained. It is indicated that the new scheme for the distribution of internal parts including coalescent pack and flow equalized pore plates are propitious to the separation of oil and water. It provides basis for improving the separation efficiency of oil-water separator.

gravitational separator; oil-gas-water multiphase flow; internal setting; numerical simulation

2016-06-12

李 巍(1980-)，女，高級工程師

1001-4500(2017)02-0049-06

TQ051

A