周桂娟，郭志芳，聶 傲，陳建娟，孫希瑾

(1. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

油田伴生氣是天然氣資源的一種，過去被認(rèn)為是沒有價值的天然氣而被直接燃燒處理【1-3】,不僅造成資源浪費(fèi)，還造成一定的環(huán)境污染。設(shè)立輕烴回收裝置不僅可以綜合利用輕烴資源，還能保證油氣的儲藏、運(yùn)輸安全，減少大氣污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義【4-6】。

海上平臺與地面平臺的最大區(qū)別在于海上平臺會隨著海浪左右搖擺，特別是季風(fēng)期間，海上平臺的搖擺幅度更為劇烈。作為海上輕烴回收裝置的重要組成部分，脫丁烷塔的作用為脫除伴生氣凝液中的碳五及以上的重質(zhì)組分。然而海上平臺的左右搖擺將顯著影響脫丁烷塔中分布器出口的液相分布，進(jìn)而影響脫丁烷塔的運(yùn)行效果【7-8】。

采用CFD數(shù)值模擬方法計(jì)算脫丁烷塔液體分布器內(nèi)的液相流場，分析在搖擺狀態(tài)下，脫丁烷塔液體分布器出口的流量分配情況及壓降，可為液體分布器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)【9-10】。

1 模擬對象和數(shù)值方法

1.1 液體分布器結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

液體分布器結(jié)構(gòu)如圖1所示。液相從液體分布器的上部進(jìn)口進(jìn)入分布器，首先經(jīng)變徑進(jìn)入主槽(方形的腔體，下部均勻分布著8根接管)，隨后經(jīng)8根接管進(jìn)入下方方形的封閉槽體內(nèi)，并從槽體底部的底孔流出。

圖1 脫丁烷塔液體分布器的幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對模擬區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，確定模擬區(qū)域的最大網(wǎng)格尺寸為40 mm。因底孔尺寸與整個分布器的尺寸差距較大，故在底孔區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，總網(wǎng)格數(shù)量約為460萬。

1.2 數(shù)值模擬方法

選用雷諾平均的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對液體分布器的液相湍流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過改變重力方向來模擬船體在海面上的實(shí)際擺動情況。該模型引入湍流動能(k)和能量耗散率(ε)參數(shù)對N-S方程進(jìn)行求解。其中湍流動能及能量耗散方程分別為精確方程以及由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)方程。

式(1)和式(2)為所求解的微分方程組：

(1)

(2)

式中:k——湍流動能；

σk、σε——分別為湍流動能與能量耗散的湍流普朗特?cái)?shù)；

Gk、Gb——分別為有平均速度梯度與浮力產(chǎn)生的湍流動能；

YM——在可壓縮湍流中脈動膨脹對整體耗散效率的貢獻(xiàn)；

ε——湍流耗散；

Sk、Sε——源項(xiàng)，模擬過程中設(shè)置為0。

ui——x方向的流體速度；

ρ、μ——分別為流體的密度與粘度；

C1ε、C2ε、C3ε——常數(shù)，在本模擬過程中

C1ε=1.44，C2ε=1.92,C3ε=0;

μt——定義的湍流粘度，由式(3)確定。

(3)

式中：Cμ——常數(shù)，Cμ=0.09。

1.3 數(shù)值模擬條件設(shè)置

數(shù)值模擬過程中，選用上述標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并將分布器的入口與出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口及壓力出口邊界條件，計(jì)算水平穩(wěn)定狀態(tài)下的分布器液相流場分布，隨后改變模型中的重力方向分別計(jì)算分布器在兩個方向上擺動時的液相流場分布。

數(shù)值模擬過程中所需的物性與操作參數(shù)如表1 所示。

表1 物性與操作條件

2 結(jié)果與討論

2.1 速度分布

圖2(a)～圖2(c)為水平狀態(tài)、x方向傾斜7.5°以及z方向傾斜7.5°狀態(tài)下豎直截面的速度分布云圖。從圖2(a)中可以看出：液相從上部進(jìn)口進(jìn)入分布器腔體后，液相速度呈軸對稱分布；且隨著與軸向距離的逐漸增加，腔內(nèi)的液相速度逐漸降低，呈現(xiàn)中心速度高而兩側(cè)速度低的不均勻分布形式。圖2(b)為右側(cè)傾斜狀態(tài)下液體分布器內(nèi)的速度分布云圖。從圖2(b)中可以明顯看出：液相速度分布的較大值(紅色區(qū)域)逐漸向右側(cè)移動，呈現(xiàn)非軸對稱分布，且右側(cè)接管內(nèi)的速度明顯大于左側(cè)接管的速度。圖2(c)為垂直紙面向里傾斜狀態(tài)下的速度分布云圖。從圖2(c)可以看出：在豎直截面上，z方向的傾斜對液相速度分布無明顯的影響，在該截面上液相速度分布依然呈現(xiàn)軸對稱分布。

圖2 分布器內(nèi)豎直截面的速度場分布云圖

為了更好地反映z方向傾斜對液相速度分布的影響，截取水平截面上的速度云圖(如圖3所示)。圖3(a)～圖3(c)為水平狀態(tài)、x方向傾斜7.5°以及z方向傾斜7.5°狀態(tài)下水平截面的速度分布云圖。從圖3(a)中可以看出：水平狀態(tài)下，速度在x方向以及z方向上均呈現(xiàn)軸對稱分布，且中心處的速度較大，沿著中心向兩側(cè)方向速度均逐漸降低。從圖3(b)中可以看出：當(dāng)分布器向x方向傾斜(左側(cè)傾斜)后，液相多向左側(cè)偏移，右側(cè)槽體內(nèi)的液相速度分布降低，最右側(cè)槽體里的液相速度明顯小于最左側(cè)，且整個分布器仍呈現(xiàn)關(guān)于x軸的對稱分布。從圖3(c)中可以看出：當(dāng)分布器向z方向傾斜(向上傾斜)時，云圖下部的藍(lán)色區(qū)域面積明顯高于上部，說明下部區(qū)域的液相速度小于上部，且整個分布器仍呈現(xiàn)關(guān)于z軸的對稱分布。

2.2 壓力分布

圖4(a)～圖4(c)為水平狀態(tài)、x方向傾斜7.5°以及z方向傾斜7.5°狀態(tài)下脫丁烷塔內(nèi)的靜壓分布云圖(模型計(jì)算過程中設(shè)定底孔出口處的表壓為0)。從圖4(a)～圖4(c)中可以看出：總體上靜壓較大的區(qū)域均為離底孔較近的區(qū)域，沿高度方向靜壓逐漸降低。圖4(a)顯示，從液相進(jìn)口到底孔出口的軸向高度內(nèi)，靜壓逐漸增高，且在進(jìn)口處呈現(xiàn)負(fù)壓分布。而從圖4(b)和圖4(c)中可以看出：方向的傾斜使得液相逐漸沿著傾斜方向流動，使傾斜處的底孔出口速度得以增加，過孔速度的增加使得孔兩側(cè)的壓降增加，因底孔出口處的表壓為0(模擬過程中底孔為壓力邊界條件，且表壓為0)，即底孔上部的壓力增加，故圖4(b)和圖4(c)的壓力分布表現(xiàn)為隨著傾斜方向向上(逆重力方向)壓力逐漸降低。

表2為3種情況下的進(jìn)出口壓降。從表2中可以看出：水平狀態(tài)下進(jìn)出口壓降為-390.0 Pa，說明此時分布器的進(jìn)口高度能夠維系底孔處的過孔流速；隨著傾角的逐漸增加，進(jìn)出口的壓降增加至4 400.0 Pa，說明傾角的增加使得底孔處的過孔速度增加，所需要的壓降也逐漸增加。為了維系傾斜狀態(tài)下的過孔速度，需要將分布器的進(jìn)口直段高度增加0.8 m左右。兩個擺動方向(x向和z向)對壓降的影響規(guī)律類似。

因分布器的擺動，使得進(jìn)出、口之間的相對高度出現(xiàn)變化。依據(jù)伯努利方程[見式(4)]可計(jì)算出進(jìn)、出口之間的高度差。

(4)

式中： ΔP——進(jìn)、出口之間的壓差；

ΔH——進(jìn)、出口之間的高度差；

u1、u2——分別為進(jìn)、出口的速度；

ρ——流體的密度；

g——重力加速度。

故表2中增加了ΔHρg項(xiàng)。以底孔為0平面基準(zhǔn)， 水平狀態(tài)下的進(jìn)、 出口高度差ΔH為0.984 m；x方向傾斜時進(jìn)、 出口高度差ΔH為0.976 m；z方向傾斜時進(jìn)、 出口高度差ΔH為0.976 m。

表2 脫丁烷塔分布器的進(jìn)出口壓降

2.3 流量分配

使用變異系數(shù)CV值對分布器出口處的流量分配情況進(jìn)行表征。變異系數(shù)CV可由式(5)計(jì)算得出，結(jié)果如表3所示。

(5)

式中：σ——底孔質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差；

其中

(6)

式中：n——底孔的個數(shù)；

(7)

表3 脫丁烷塔分布器出口的流量分配

qi——第i個底孔的質(zhì)量流量。

從表3中可以看出：在水平狀態(tài)下，分布器出口的偏差為6.75%，說明此幾何結(jié)構(gòu)下分布器的出口流量存在6.75%的差異；增加7.5°的傾斜角之后，流量分配的偏差從6.75%增加至21.24%，差異更為明顯，出口處的流量分布更為不均，且向x方向擺動或是向z方向擺動對流量的分配不均勻性規(guī)律類似。

3 結(jié)語

1) 采用CFD數(shù)值模擬方法分別研究水平狀態(tài)及x、z兩個方向擺動狀態(tài)下脫丁烷分布器的出口流量分配及壓降分布規(guī)律。

2) 計(jì)算結(jié)果表明：增加擺動后，液相明顯向擺動方向處移動，從水平狀態(tài)下的軸對稱分布轉(zhuǎn)變?yōu)榉禽S對稱分布；增加7.5°的傾斜角之后，流量分配的偏差從6.75%增加至21.24%，出口流量的不均勻性顯著升高，向x方向擺動或向z方向擺動流量分配不均勻性規(guī)律類似。

3) 傾斜角的增加使得部分底孔處的過孔流速和過孔壓降增加，為了達(dá)到擺動狀態(tài)下的過孔流速，需適當(dāng)提高分布器的進(jìn)口直管段高度。