黃 龍 鄧松圣 陳 志 何 琪

1.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事供油工程系, 重慶 401311；2.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

在油氣田地面集輸工程中,從油氣井中產(chǎn)出的一般都是油、氣、水和砂等的混合物[1-2],為了得到合格的石油和天然氣,油氣集輸首要任務(wù)是進(jìn)行氣液分離,所以氣液分離器是石油天然氣生產(chǎn)運(yùn)輸中一種必需的設(shè)備[3-4]。但一直以來(lái),氣液分離器的設(shè)計(jì)主要靠宏觀的認(rèn)識(shí)和簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),對(duì)重力式氣液分離器內(nèi)部流場(chǎng)的微觀機(jī)理研究還不夠成熟,理論研究始終落后于實(shí)踐[5-6]；同時(shí),由于氣液分離器內(nèi)部整流、聚結(jié)等元件周圍的流動(dòng)非常復(fù)雜,對(duì)這些元件影響分離的機(jī)理更是缺乏深入研究,造成對(duì)分離器內(nèi)構(gòu)件的認(rèn)識(shí)停留在感性階段,對(duì)內(nèi)構(gòu)件的具體作用沒(méi)有從流場(chǎng)分析的角度去研究,造成氣液分離器的設(shè)計(jì)效率較低[7-8]。

研究氣液分離器及其內(nèi)構(gòu)件的傳統(tǒng)手段主要靠實(shí)驗(yàn)對(duì)比,不僅易受實(shí)驗(yàn)條件限制，而且研究周期長(zhǎng),制作樣機(jī)以及實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高,嚴(yán)重制約了研究的廣度和深度。近年來(lái),多相流理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了氣液分離器的理論研究,相比實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值模擬技術(shù)可以節(jié)約大量成本,極大地縮短研究周期,并且可揭示不同內(nèi)構(gòu)件對(duì)流場(chǎng)各區(qū)域的具體影響,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)重力式氣液分離器流場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究[6-16],但多采用多相流模型,該模型適用于含液量較高的氣液混合物,不適于天然氣生產(chǎn)中使用的氣液分離器。因此,筆者從這種需要出發(fā),采用適用于稀疏離散相的Discrete Phase Model(DPM)模型[17-18],研究對(duì)比了安裝不同型號(hào)布液板[19]的氣液分離器內(nèi)流場(chǎng)及其性能,優(yōu)化了布液板結(jié)構(gòu)參數(shù),為氣液分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布液板的選型提供一定的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型及網(wǎng)絡(luò)劃分

為使研究更符合實(shí)際應(yīng)用,采用實(shí)際工程中的氣液分離器原型建模,主體直徑為800 mm,長(zhǎng)度4 m,封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭,氣液分離器入口處設(shè)有軸流式旋流器，出口處為折板捕霧器。為改善氣液分離器流場(chǎng),減小紊流,氣液分離器內(nèi)發(fā)展了多種內(nèi)構(gòu)件,布液板即為其中一種。布液板可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行重新分布,使其更加均勻,抑制漩渦和返混的產(chǎn)生。由于氣液分離器由液位控制機(jī)構(gòu)將液面控制在容器高度的一半處,故氣液混合物的流動(dòng)區(qū)域(即計(jì)算區(qū)域)為容器的上半部分,見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖

布液板是一塊與氣液分離器等直徑的圓形板,上面均勻打孔以便流體通過(guò)。對(duì)其穩(wěn)流性能影響最大的參數(shù)是孔隙率(ηb)和孔直徑(db，采用圓形孔)。孔隙率可由孔直徑和孔間距(lb)決定。為了研究不同結(jié)構(gòu)的布液板性能和影響,建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的幾何模型。布液板具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1布液板結(jié)構(gòu)參數(shù)

序號(hào)孔直徑db/mm孔間距l(xiāng)b/mm孔隙率ηb/%1162531.822031.2531.832437.531.84202841.35203525.6

圖2 布液板結(jié)構(gòu)示意圖

由于布液板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,難以劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,故氣液分離器的網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,在氣液分離器進(jìn)出口及布液板附近進(jìn)行加密處理,網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)目在140×104左右,見(jiàn)圖3。

圖3 氣液分離器網(wǎng)格示意圖

1.2 邊界條件及求解

為使結(jié)果具有對(duì)比性,采用真實(shí)參數(shù)進(jìn)行模擬。該氣液分離器設(shè)計(jì)壓力8.5 MPa,日處理氣量20×104m3,日產(chǎn)液量5～100 m3。計(jì)算得出工況下天然氣密度82.09 kg/m3,黏度1.32×10-5Pa·s,由于壓力變化不大,可忽略氣體密度變化,采用不可壓縮方法計(jì)算。入口設(shè)為速度入口,出口處為捕霧器入口,設(shè)為自由出流(outflow),氣液界面處對(duì)氣體而言為壁面。液滴相采用DPM模型進(jìn)行處理，從入口面上均勻入射,撞擊氣液分離器壁面則被反彈,若達(dá)到氣液交界面則認(rèn)為被捕集(trap),達(dá)到出口則認(rèn)為逃逸(escape)。

根據(jù)氣液分離器流量計(jì)算出氣流雷諾數(shù)Re=3 402,故流態(tài)仍為紊流。但是沉降段內(nèi)紊流程度較輕,且不存在強(qiáng)旋流,采用工程上應(yīng)用最廣的k-ε模型可以得到滿意結(jié)果[20]。采用有限體積剖分的SIMPLEC算法進(jìn)行求解,差分格式選取為一階迎風(fēng)格式,壓力插補(bǔ)格式采取標(biāo)準(zhǔn)格式。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 孔直徑的影響

為了研究相同的孔隙率情況下,不同孔直徑的布液板對(duì)流場(chǎng)的影響,取布液板后方300 mm處(圖3中b截面)的截面進(jìn)行分析,其軸向速度分布見(jiàn)圖4。

無(wú)布液板

db=16 mm,ηb=31.8

db=20 mm,ηb=31.8

db=24 mm,ηb=31.8

從圖4可以看出,布液板對(duì)流場(chǎng)速度分布有明顯改善作用。無(wú)布液板時(shí)等速線密集而且速度大小跨度范圍更大,而安裝布液板后等速線變得稀疏,說(shuō)明速度梯度減小,變化更加緩慢,并且基本都消除了逆流現(xiàn)象,這種變化將有利于沉降分離。從橫向上看,當(dāng)孔隙率相同時(shí),3種不同孔直徑(16、20、24 mm)的布液板對(duì)流場(chǎng)梳理效果基本一致,差異較小。

為更準(zhǔn)確地比較布液板對(duì)流場(chǎng)的梳理作用,現(xiàn)將截面上各點(diǎn)流速的標(biāo)準(zhǔn)差定義為速度不均勻度Su：

Su越小,則速度分布越均勻,流場(chǎng)越穩(wěn)定,越有利于分離。取圖3 a、b、c、d截面的速度求取速度不均勻度,可得安裝不同孔直徑布液板后氣液分離器內(nèi)的速度不均勻度變化曲線，見(jiàn)圖5。從圖5可以看到,相比無(wú)布液板時(shí)的情況,布液板對(duì)速度分布有一定的梳理作用,3種孔直徑布液板的速度不均勻度都小于無(wú)布液板時(shí),特別是在布液板后面的b截面間速度不均勻度下降最為明顯,c、d截面速度不均勻度也有所降低。但是,孔隙率相同的情況下,孔直徑對(duì)流場(chǎng)影響不大,3條曲線非常接近,相對(duì)來(lái)說(shuō)孔直徑20 mm時(shí)速度不均勻度最低,流場(chǎng)梳理效果較好。

圖5 不同孔直徑布液板的速度不均勻度變化曲線

圖6 不同孔直徑布液板分離效率變化曲線

不同孔直徑布液板分離效率見(jiàn)圖6，由于對(duì)流場(chǎng)的梳理作用,布液板對(duì)分離器的分離效率有一定提升。但是3種孔直徑布液板對(duì)效率的提升效果相差無(wú)幾,特別是對(duì)15 μm以上的較大液滴,相對(duì)來(lái)說(shuō)孔直徑20 mm效率最高,故當(dāng)布液板孔隙率相同時(shí),孔直徑20 mm時(shí)效果較好。

2.2 孔隙率的影響

同樣的,建立包含孔直徑相同而孔隙率不同布液板的氣液分離器模型,求解流場(chǎng)后取布液板后方300 mm處(圖3中b截面)的流場(chǎng)進(jìn)行分析,其軸向速度見(jiàn)圖7。

無(wú)布液板

db=20 mm,ηb=41.3

db=20 mm,ηb=31.8

db=20 mm,ηb=25.6

圖8 不同孔隙率布液板的速度不均勻度變化曲線

圖9 不同孔隙率布液板分離效率變化曲線

3 結(jié)論

1)采用k-ε模型和DPM模型,對(duì)氣液分離器安裝不同結(jié)構(gòu)布液板的分離流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,并與無(wú)布液板的分離流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)布液板能梳理流場(chǎng),降低流速不均勻度,抑制回流,使流場(chǎng)分布更均勻穩(wěn)定,有利于液滴的沉降分離。

2)布液板孔直徑對(duì)流場(chǎng)的梳理作用有一定影響,孔徑過(guò)大或者過(guò)小均不利于速度的均勻穩(wěn)定,本氣液分離器中安裝孔直徑約20 mm的布液板效果最優(yōu)。

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