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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

海上平臺(tái)用開(kāi)排沉箱內(nèi)油水兩相流動(dòng)分布數(shù)值模擬

張棣，高華，譚新越

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

開(kāi)排沉箱是海上平臺(tái)開(kāi)式排放系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，因其簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可實(shí)施性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而具有非常廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和混合模型對(duì)沉箱內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。模擬計(jì)算結(jié)果表明，采用等有效面積開(kāi)口式管口可以將入口的垂直速度轉(zhuǎn)化為水平速度，延長(zhǎng)油水在沉箱內(nèi)停留時(shí)間；有斜板式沉箱因流道變窄，流速增大，斜板間存在不利于油水分離的漩渦，需要合理選擇斜板間距；在斜板與筒體的夾角區(qū)速度很小，稱為靜態(tài)區(qū)，可以延長(zhǎng)油水停留時(shí)間，改善分離效率。

開(kāi)排沉箱； 海上平臺(tái)； 油水兩相； 數(shù)值模擬

在海上平臺(tái)的作業(yè)過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生一些含油污水、生活污水、甲板排水以及雨水等等[1]。為了保護(hù)海洋的生態(tài)平衡，遵循可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，這些污水不能直接排入大海，需要通過(guò)開(kāi)排沉箱來(lái)收集和處理[2-3]。

開(kāi)排沉箱是海上平臺(tái)開(kāi)式排放系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一[4-6]。開(kāi)排沉箱與海洋平臺(tái)相連，延伸至海水以下，并與大氣相通，主要利用重力沉降和油滴聚結(jié)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)油水的分離。為了延長(zhǎng)油水在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間，開(kāi)排沉箱的筒體會(huì)比較長(zhǎng)，一般在60 m左右。

采用開(kāi)排沉箱的水處理工藝具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、有效、可實(shí)施性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，具有非常廣闊的發(fā)展前景。目前，開(kāi)排沉箱已經(jīng)在我國(guó)的南海平臺(tái)上應(yīng)用，例如HZ25-3/1、HZ32-2、HZ26-1、LF13-2等海上平臺(tái)[7]。但是國(guó)內(nèi)對(duì)開(kāi)排沉箱的研究尚不成熟，仍有許多地方需要完善，對(duì)沉箱的設(shè)計(jì)多數(shù)仍然處于模仿的階段[7-9]。沉箱尺寸的增大和斜板數(shù)量的增加會(huì)使油水分離效果有一定的提升，但是會(huì)導(dǎo)致成本和結(jié)構(gòu)負(fù)荷的增加。第1塊斜板距污水入口的距離以及斜板之間的距離都會(huì)對(duì)油水分離效果產(chǎn)生影響。因此，研究開(kāi)排沉箱內(nèi)的油水兩相運(yùn)動(dòng)可以為開(kāi)排沉箱的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬以其簡(jiǎn)單、直觀、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用到工程實(shí)踐中[10-12]。為了研究開(kāi)排沉箱內(nèi)的流動(dòng)特性，分析開(kāi)排沉箱的分離性能，采用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1

物理模型

沉箱的頂部連通大氣，沉箱主體大部分浸沒(méi)在海水中，并且可以隔離箱體外海浪的影響，筒體內(nèi)部按照一定的角度和板間距布置斜板，以利于油、水利用重力原理進(jìn)行分離。

本次模擬選用的模型總長(zhǎng)約為59.2 m，其中海平面以上為9.8 m。進(jìn)液管內(nèi)徑為644 mm，沉箱主體內(nèi)徑為1 600 mm，開(kāi)排沉箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)排沉箱結(jié)構(gòu)示圖

為了延長(zhǎng)油水在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)液管的端部由擋板封死，油水兩相從側(cè)面6個(gè)進(jìn)液孔流入沉箱內(nèi)，進(jìn)液孔為等面積開(kāi)孔，即6個(gè)進(jìn)液孔的面積之和與進(jìn)液管截面面積相等，等有效面積開(kāi)口結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 等有效面積開(kāi)口結(jié)構(gòu)示圖

模擬時(shí)，先對(duì)無(wú)斜板的沉箱進(jìn)行模擬，然后改進(jìn)模型，在沉箱內(nèi)添加4對(duì)斜板，斜板角度為45°。為了減小流體對(duì)聚集油相的影響，在靠近邊壁處布有升油管。第1對(duì)斜板在海平面以下0.4 m，第1對(duì)斜板與第2對(duì)斜板間距5.6 m，其余間距為3.2 m，兩邊斜板間距為1.6 m，斜板布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3，第1對(duì)斜板模型圖見(jiàn)圖4。

圖3 斜板布置簡(jiǎn)圖

圖4 第1對(duì)斜板模型圖

采用六面體和四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型劃分網(wǎng)格，無(wú)斜板模型網(wǎng)格總數(shù)約為197萬(wàn)，有斜板模型網(wǎng)格總數(shù)為491萬(wàn)。

1.2數(shù)值方法

開(kāi)排沉箱內(nèi)的雷諾數(shù)可以達(dá)到106，流動(dòng)屬于湍流狀態(tài)，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

油水為不可壓縮流體，用基于壓力的算法，采用兩相混合模型分別對(duì)無(wú)斜板沉箱和有斜板沉箱內(nèi)油水兩相的流動(dòng)進(jìn)行模擬，相關(guān)的計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[6，13-15]。

1.3邊界條件

油水混合流入口溫度為87 ℃，入口體積流量為1 126 m3/h，其中油相的體積分?jǐn)?shù)為1%。在該溫度條件下，水的密度為967.23 kg/m3，油的密度為870.2 kg/m3。

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，需要定義計(jì)算區(qū)域的邊界條件。本例中邊界條件分別為速度入口、壓力出口，其余的邊界定義為固壁。

2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

2.1

無(wú)斜板開(kāi)排沉箱內(nèi)的流動(dòng)

為了加強(qiáng)油水分離的效果，則需要延長(zhǎng)油水在開(kāi)排沉箱中的停留時(shí)間，進(jìn)液管的端部由擋板封死。由此以來(lái)，油水兩相可從側(cè)面6個(gè)進(jìn)液孔流入沉箱內(nèi)，使流體在垂直方向的速度變成水平方向的速度。

無(wú)斜板開(kāi)排沉箱等有效面積開(kāi)口處速度矢量圖見(jiàn)圖5。

圖5 無(wú)斜板開(kāi)排沉箱等有效面積開(kāi)口處速度矢量圖

從圖5中可以看到油水兩相流體在等有效面積開(kāi)口處速度的變化，在出口處由于重力的影響，有一個(gè)小的速度梯度的變化，即靠近出口下部的速度比較大一些。速度由垂直方向向水平方向變化，經(jīng)出口后，流體垂直速度明顯減小，水平速度顯著提高，會(huì)對(duì)出口處沉箱兩側(cè)的筒體產(chǎn)生沖擊。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可以發(fā)現(xiàn)在開(kāi)排沉箱筒體上部的靜態(tài)區(qū)有油相的聚集，無(wú)斜板開(kāi)排沉箱頂部油相體積分率分布云圖見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)斜板開(kāi)排沉箱頂部油相體積分率分布云圖

從圖6可以看出，為了防止后續(xù)流動(dòng)將聚集的油相重新帶回到油水兩相流體中，每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，需要將收集的油從開(kāi)排沉箱頂部的出油管抽出。

2.2帶斜板開(kāi)排沉箱內(nèi)的流動(dòng)

帶斜板開(kāi)排沉箱速度云圖見(jiàn)圖7，斜板間速度云圖、速度矢量圖見(jiàn)圖8。

從圖7可以看出，沉箱內(nèi)穩(wěn)定的速度流場(chǎng)被打破，不同區(qū)域的速度波動(dòng)較大。有斜板的區(qū)域橫截面積會(huì)變小，在流量不變的情況下，流道內(nèi)油水兩相的流速就會(huì)增加，紊流強(qiáng)度增大。

圖7 帶斜板開(kāi)排沉箱內(nèi)速度云圖

圖8 斜板間速度云圖和速度矢量圖

從圖8a可以看出，由于斜板和重力的作用，斜板下方會(huì)出現(xiàn)靜水區(qū)，此處流速會(huì)變得很小。從圖8b可以看出，①油水兩相從筒體上部流下，與斜板發(fā)生碰撞，造成開(kāi)排沉箱中流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈互相混雜。②斜板的存在使得流體的流速增大，并且方向不斷發(fā)生變化，由此增大油滴碰撞的幾率，這些都有助于油滴從小粒徑向大粒徑聚結(jié)，所以有斜板的沉箱可以分離較小粒徑的油滴。③在斜板和筒壁的夾角區(qū)域內(nèi)流體速度非常小，靜態(tài)區(qū)的流體在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間增加，并且流動(dòng)穩(wěn)定，有助于油水的分離。④斜板間有一個(gè)非常明顯的漩渦，來(lái)自上方的流體與斜板發(fā)生碰撞，由于流道變窄，斜板間流體紊流強(qiáng)度增大，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度有不規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象，一部分流體會(huì)折回向上流動(dòng)，并與斜板間向下流動(dòng)的流體匯合，形成漩渦。漩渦的存在會(huì)增加流體的不穩(wěn)定性，同時(shí)將靜態(tài)區(qū)聚集的油相重新攜帶進(jìn)油水混合流中，影響分離的效率。

斜板間距離過(guò)小會(huì)產(chǎn)生不利的漩渦，影響油水分離效率，因此可以適當(dāng)增加斜板間的距離，但斜板間距離過(guò)大就不能充分發(fā)揮斜板的作用。

帶斜板等有效面積開(kāi)口處的速度矢量圖見(jiàn)圖9。

圖9 帶斜板等有效面積開(kāi)口處速度矢量圖

從圖9看出，入口處流動(dòng)比較復(fù)雜，流動(dòng)方向差別很大，流體的紊流強(qiáng)度很大，還存在漩渦。為減小漩渦對(duì)沉箱頂部聚集油相的影響，防止造成返混，將第1對(duì)斜板布置在入口的上方，這樣可以隔離下方流體對(duì)聚集油相的沖擊，對(duì)頂部油相有保護(hù)作用。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在沉箱頂部會(huì)有油相的聚集，帶斜板開(kāi)排沉箱頂部油相體積分率分布云圖見(jiàn)圖10，斜板間油相體積分率分布云圖見(jiàn)圖11。

圖10 帶斜板開(kāi)排沉箱頂部油相體積分率分布云圖

圖11 斜板間油相體積分率分布云圖

從圖10、圖11中可以看出，與無(wú)斜板的沉箱相比，斜板與筒體的夾角區(qū)域油相含量比較高。為了收集斜板間聚集的油相，在斜板上開(kāi)有小孔，并且在斜板間布有升油管。布置升油管是為了防止上游來(lái)流對(duì)收集的油相產(chǎn)生沖擊，造成返混現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

采用等有效面積開(kāi)口形式可以將流體入口的垂直速度變?yōu)樗椒较虻乃俣龋裳娱L(zhǎng)油水在沉箱內(nèi)的停留時(shí)間，提高油水分離效率。

沉箱內(nèi)有斜板時(shí)，流道截面變窄，流體速度增大，紊流強(qiáng)度增強(qiáng)，斜板間存在不利于油水分離的漩渦。第1對(duì)斜板布置在等有效面積開(kāi)口的上方，可以減小開(kāi)口處流體對(duì)收集油相的影響。在斜板和筒體夾角處存在靜態(tài)區(qū)，該區(qū)域流體的速度非常小，有利于油相液滴的聚集。

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(許編)

NumericalSimulationofOil-waterTwo-phaseFlowinOpenDrainageCaissonforOffshorePlatform

ZHANGDi,GAOHua,TANXin-yue

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

The open drainage caisson is one of main equipments in the open drainage system of offshore platform. It has a very wide application prospect because of its simplicity, economy and practicability. Based on the Fluent software, the standardk-εturbulence model and the mixed model are used to simulate the flow field in the caisson. It is found that the equal effective area inlet can be used to convert the vertical speed of the inlet to the horizontal velocity and prolong the residence time of the oil and water in the caisson. The inclined plates cause the flow channel narrow so that the flow velocity increases. There is a vortex between the sloping plate, which is not conducive to the separation of oil and water. It is important to select the inclined plates distance reasonably. In the space between inclined plate and the cylinder, the velocity is very small, it is called the static zone, which can prolong the retention time of oil and water and improve the separation efficiency.

open drainage caisson; offshore platform; oil-water two-phase; numerical simulation

TQ050.2； TE969

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.005

1000-7466(2017)04-0023-05①

2017-02-26

張 棣(1986-)，男，山東濱州人，工程師，博士，主要從事海洋石油裝備研究。