王夢陽 孫巧雷 馮 定 馬 越 王健剛

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院 2.中國石油集團海洋工程有限公司海洋工程設(shè)計院 3.湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心)

0 引 言

邊遠氣井因氣量小、地處偏僻和單井回收周期短等原因，在井場鋪設(shè)管道進行運輸?shù)慕?jīng)濟性差，而移動橇裝式井口天然氣回收系統(tǒng)具有集成度高、安裝方便、移動方便等特點，滿足設(shè)備頻繁搬遷的要求，可用來實現(xiàn)對邊遠氣井等小規(guī)模氣源的天然氣回收。井口天然氣回收處理是針對不具備進入系統(tǒng)管網(wǎng)條件的油氣資源進行回收利用的系統(tǒng)性作業(yè)，作業(yè)時，井口天然氣通過井口頭釋放，經(jīng)氣液分離、氣體壓縮、氣體干燥、計量等步驟后充入CNG槽車，最終實現(xiàn)對邊遠井井口天然氣的回收。氣液分離是井口氣回收處理的第一道工序，氣液分離器的分離性能將直接影響后續(xù)設(shè)備的正常工作，最終影響CNG品質(zhì)。井口天然氣的含水量幾乎是飽和的，并且會攜帶一定量的油、固體粉塵等物質(zhì)，井口氣含液的危害非常大[1-3]。天然氣與液體在一定壓力、溫度條件下會形成天然氣水合物，從而堵塞閥門和加工處理設(shè)備等。同時水分的存在會溶解天然氣中的酸性成分，造成回收系統(tǒng)管道及閥體的腐蝕。

需要進行氣液分離的場合很多，同時氣液分離器的種類也有很多[4]。在邊遠井井口天然氣回收過程中，回收系統(tǒng)橇裝安置且井口來氣壓力波動較大，主要采用臥式雙筒氣液分離器。目前氣液分離器的研究集中于3方面：①在現(xiàn)有氣液分離器的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合數(shù)值模擬和試驗對氣液分離器外形尺寸、入口構(gòu)件等進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高分離效率[5-8]；②將多種分離技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計組合式氣液分離器，并加上高效的分離元件如折流板、絲網(wǎng)除沫器、天然氣過濾器等，發(fā)揮多種分離技術(shù)的優(yōu)勢[9-12]；③研究分離機理，并結(jié)合試驗和數(shù)值模擬探究各種因素和分離性能的定性關(guān)系[13-17]。以上研究多針對離心式氣液分離器，對臥式雙筒氣液分離器的研究較少。

筆者參考國內(nèi)外設(shè)計標準設(shè)計了一種適合橇裝的雙筒臥式氣液分離器，該裝置不僅具有初步分離和整流作用，而且對井口天然氣中的小液滴也具有良好的分離效果。對設(shè)計的雙筒臥式氣液分離器進行三維數(shù)值模擬，運用數(shù)值模擬方法對氣液分離器分離性能進行研究，分析氣液分離器內(nèi)部流場、進出口壓降和液滴在分離器內(nèi)部的運動軌跡并計算分離器的分離效率，探究不同進口速度、進口壓力對該氣液分離器分離性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為氣液分離器的進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣液分離器的功能是在特定壓力和溫度下將氣體中的液滴和雜質(zhì)分離出來，液相的分離需要經(jīng)過多級分離。為保證該分離器的分離性能，參考API Spec 12J《油氣分離器規(guī)范》、GB/T 150—2011《壓力容器》等設(shè)計標準[18]，該分離器包含初級分離區(qū)、二級分離區(qū)、捕霧區(qū)和集液區(qū)4個功能區(qū)。初級分離區(qū)主要通過入口緩沖板實現(xiàn)吸收流體動能從而降低流體流速的目的；二級分離區(qū)通常內(nèi)置整流構(gòu)件減緩紊流程度和消除泡沫，同時流體中的液滴在重力作用下從氣體中沉降；捕霧區(qū)依靠高效分離元件分離氣體中的小液滴，常見的高效分離元件有折流板、絲網(wǎng)除沫器等；集液區(qū)主要用于收集分離出的液體。

設(shè)計的氣液兩相分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該氣液分離器主要由2個罐體組成：上罐體為分離罐，是實現(xiàn)氣液分離的主要區(qū)域；下罐體為集液罐，主要用來收集混合流體中的液體和雜質(zhì)。分離器筒體直徑為450 mm，筒體長度為3 200 mm，封頭為半球形封頭，入口內(nèi)徑為46 mm，出口內(nèi)徑為180 mm，封頭和筒體厚度均為30 mm。

圖1 氣液分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of gas-liquid separator

2 數(shù)值模擬

為驗證分離器效果，并對分離器的分離特性進行分析、基于所設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)，通過三維建模后，采用數(shù)值仿真軟件對所設(shè)計的分離器進行深入分析。

2.1 模型的簡化及假設(shè)

相比于井口氣回收的實際工況，對氣液分離器進行數(shù)值模擬時，需對分離過程作以下假設(shè)[19]：①天然氣為理想氣體，且動力黏性系數(shù)為常數(shù)；②流動為定常流動，流體不可壓縮且不考慮流動過程中的換熱；③液滴為球形，在分離過程中不考慮破碎、聚合、碰撞和二次攜帶現(xiàn)象；④氣液分離器進口處氣體和液滴的速度相等，當(dāng)液滴碰到壁面后則認為液滴被捕獲。

2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

分離罐和集液罐之間的連通管內(nèi)徑只有88 mm，可以忽略集液罐中氣體的揮發(fā)以及分離罐中氣體對集液罐中液體造成的二次攜帶影響。為了縮短數(shù)值計算時間，對氣液分離器進行簡化，簡化后的分離罐如圖2所示。

圖2 氣液分離器簡化模型Fig.2 Simplified model of gas-liquid separator

將氣液分離器簡化模型導(dǎo)入Workbench，通過Workbench自帶的Mesh網(wǎng)格劃分工具對流道模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。從外部導(dǎo)入模型時可能會生成額外的微小特征，而這些微小特征會使網(wǎng)格質(zhì)量變差，通過設(shè)置特征值來忽略微小特征，使得小于等于其設(shè)定特征值的特征將被自動移除，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。分離器內(nèi)部分離元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在孔洞、轉(zhuǎn)角和狹窄區(qū)域。為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，將捕獲曲率和捕獲近距設(shè)置為Yes，在曲率變化的地方、狹窄區(qū)域和薄壁處自動加密，劃分后的網(wǎng)格節(jié)點為13 981 801，網(wǎng)格數(shù)為9 831 926，網(wǎng)格質(zhì)量為0.86。

圖3 氣液分離器網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of gas-liquid separator

2.3 數(shù)值方法及邊界條件

Fluent的邊界條件主要分為進出口邊界、其他外部邊界和內(nèi)部邊界。選擇合適的邊界條件對于計算過程的穩(wěn)定性極為重要，不同流場環(huán)境所適用的邊界條件類型不同。該計算模型中的液滴在流場中只有一個出入口，最穩(wěn)健的邊界條件類型設(shè)置為速度入口和壓力出口，邊界條件的具體選取如下。

2.3.1 入口邊界

速度入口，通過氣體密度、氣體流量、入口截面積計算該工況下的入口速度為2.80 m/s。

2.3.2 出口邊界

根據(jù)實際作業(yè)，壓力出口設(shè)置為10 MPa。

2.3.3 壁面

模型邊界條件設(shè)置為wall，且為絕熱無滑移壁面。在數(shù)值模擬中，對液相的邊界條件設(shè)置為：①入口為逃逸邊界，液滴從入口以2.80 m/s速度垂直入口截面發(fā)射；②出口為逃逸邊界，當(dāng)顆粒運動到壓力出口邊界時，則認為顆粒沒有被分離；③分離器的所有內(nèi)壁面均為捕捉邊界，即顆粒碰到壁面都被分離。

在本研究中，湍流模型選擇RNGk-ε模型，壓力-速度耦合采用Coupled算法，離散格式為二階迎風(fēng)格式。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 內(nèi)部流場分析

對設(shè)計的氣液分離器模型進行數(shù)值仿真模擬，得到同一工況下該分離器的內(nèi)部流場、壓降、液滴運動軌跡和分離效率。圖4為氣液分離器內(nèi)部流場分布情況。由圖4可以看出，混合流體在入口附近的速度最大，隨著流體在氣液分離器內(nèi)部運動，速度逐漸減小，當(dāng)流體流過第一個折流板后，速度基本保持不變。圖5為氣液分離器入口附件速度矢量圖。由圖5可以看出，氣液分離器入口區(qū)域流體速度的方向一致性較好，沒有渦流現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖4 氣液分離器速度云圖Fig.4 Cloud chart for fluid velocity of gas-liquid separator

圖5 氣液分離器入口附件速度矢量圖Fig.5 Vector diagram of fluid velocity near the inlet of gas-liquid separator

3.2 分離效率分析

圖6為氣液分離器內(nèi)液滴運動軌跡示意圖。

圖6 氣液分離器液滴軌跡圖Fig.6 Liquid droplet trajectory diagram gas-liquid separator

由圖6可以看出，混合液滴從氣液分離器入口進入，經(jīng)過入口結(jié)構(gòu)后大部分液滴被分離。進入二級分離區(qū)的液滴粒徑較小，同時數(shù)量也明顯減少，說明入口構(gòu)件在氣液分離過程中起到了良好的預(yù)分離效果。為直觀量化分離器效率，在氣液分離器入口發(fā)射液滴數(shù)量4 980顆，液滴粒徑滿足Rosin-Rammler分布，液滴最大直徑為110 μm，最小粒徑為10 μm，平均粒徑為60 μm，分布系數(shù)為4.2；氣液分離器內(nèi)壁面捕獲液滴數(shù)量4 937顆，從氣液分離器出口逃離112顆，其中有1顆沒有計算完成，計算得到所設(shè)計的氣液分離器的分離效率為97.75%。

3.3 分級分離效率分析

圖7為氣液分離器內(nèi)不同粒徑液滴的運動軌跡示意圖。液滴粒徑最小為5 μm，以5 μm為間隔遞增，最大粒徑為30 μm。通過分析不同粒徑液滴的運動可知，相同粒徑的液滴從入口發(fā)射進入氣液分離器內(nèi)部，大部分液滴被分離，只有少部分液滴跟隨氣體運動到分離器的中后段。液滴粒徑越小，進入氣液分離器中后段的數(shù)量越多，從分離器出口逃逸的液滴數(shù)量也越多，分離效率越低。隨著液滴粒徑的增大，液滴對氣體的跟隨性越差，由于液滴和氣體之間存在較大的密度差，在二級分離區(qū)內(nèi)大液滴易在重力作用下從氣體中沉降出來。當(dāng)液滴粒徑小于20 μm時，液滴從入口進入分離器內(nèi)部，大部分在運動過程中與分離器內(nèi)壁面或折流板碰撞而被捕獲，少部分跟隨氣體從分離器出口逃逸。當(dāng)粒徑大于等于20 μm時，液滴在跟隨氣體運動過程中會被分離器內(nèi)壁面全部捕獲，設(shè)計的氣液分離器可以完全分離出氣體中粒徑大于20 μm的液滴。

圖7 氣液分離器內(nèi)各粒徑液滴的運動軌跡示意圖Fig.7 Schematic diagram for movement trajectory of different sizes of liquid droplets inside gas-liquid separator

圖8為不同粒徑液滴的分級分離效率圖。由圖8可以看出，隨液滴粒徑的增大，氣液分離器對液滴的分離效率逐漸增大，但增大趨勢逐漸變緩。所設(shè)計的氣液分離器的分離精度較高，對粒徑大于等于15 μm的液滴，分離效率可以達到100%。

圖8 不同粒徑液滴的分級分離效率Fig.8 Hierarchical separation efficiency of different sizes of liquid droplets

3.4 進口速度對分離性能的影響

在探究進口速度對氣液分離器分離性能的影響規(guī)律之前，需要確定數(shù)值模擬方案?？紤]氣液分離器工作的需求工況，井口天然氣的流量變化范圍為(標準狀態(tài)下)10 000～50 000 m3/d，以10 000 m3/d為間隔，在10 MPa、4 ℃條件下計算得到該工況下的進口速度為0.94、1.87、2.80、3.74和4.67 m/s。針對不同的進口速度，開展對氣液分離器分離性能的研究，分析不同進口速度對氣液分離器分離性能的影響規(guī)律。

圖9為不同進口速度條件下10 μm液滴的運動軌跡示意圖。由圖9可以看出，隨著進口速度的增大，液滴在氣液分離器內(nèi)部的運動軌跡逐漸紊亂，初級分離區(qū)的預(yù)分離效果變差，進入二級分離區(qū)的液滴數(shù)量增多，從氣液分離器出口逃逸的液滴增多。圖10為不同進口速度下不同粒徑液滴的分離效率。由圖10可以看出，在幾種進口速度條件下，隨液滴粒徑的增大，氣液分離器對液滴的分離效果增強，且對大液滴的分離效果明顯優(yōu)于小液滴。針對同一粒徑的液滴，進口速度增大，分離效率減小；與圖9所展示的不同進口速度條件下10 μm液滴的運動軌跡趨勢一致。同時，隨著進口速度增大，分離效率降低的趨勢愈加明顯，且分離精度減小。當(dāng)進口速度為0.94 m/s時，該氣液分離器可以完全分離出粒徑大于15 μm的液滴，在進口速度為2.80 m/s時可以完全分離出粒徑大于20 μm的液滴；當(dāng)速度進一步增大，該氣液分離器可以完全分離出的液滴粒徑也在增大，當(dāng)進口速度為4.67 m/s時只能完全分離出粒徑大于30 μm的液滴。

圖9 不同進口速度下10 μm液滴的運動軌跡Fig.9 Movement trajectory of 10μm liquid droplet at different inlet speeds

圖10 不同進口速度下不同粒徑液滴的分離效率Fig.10 Separation efficiency of different sizes of liquid droplets at different inlet speeds

另外，隨著進口速度減小，分離效率逐漸增大，這是因為隨著進口速度的減小，液滴在氣液分離器內(nèi)部停留的時間變長，加上液滴與氣體存在密度差，液滴容易沉降。反之，隨著進口速度增大，液滴在氣液分離器內(nèi)部沉降的時間變短，液滴還沒有沉降就在氣體攜帶下從出口逃逸。同時，進口速度越大，氣體對液滴的攜帶效果越強，混合流體中的液滴更易跟隨氣體從出口逃逸。

3.5 壓力對分離性能的影響

在一定進口速度條件下，入口壓力是影響氣液分離器分離性能的又一主要因素。由于氣井在開采過程中井口來氣壓力逐漸減小，導(dǎo)致在井口天然氣回收過程中入口壓力不同，而不同的入口壓力使得氣體被壓縮的程度不同。為探究進口壓力對氣液分離器分離性能的影響規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行模擬，進口壓力范圍為5～15 MPa，以2 MPa為間隔。針對不同的進口壓力，以2.80 m/s固定進口速度、4 ℃條件下開展對氣液分離器分離性能的研究。

圖11為不同進口壓力下10 μm液滴的運動軌跡示意圖。由圖11可以看出，隨著進口壓力的增大，進入二級分離區(qū)的液滴數(shù)量逐漸增多，從出口逃逸的液滴數(shù)量增多，氣液分離器的分離效率降低。當(dāng)進口壓力為5 MPa時，進入二級分離區(qū)的液滴數(shù)量較少，同時液滴在重力作用下從氣體中沉降的趨勢更加明顯；當(dāng)進口壓力為15 MPa時，進入二級分離區(qū)的液滴數(shù)量增多，液滴在二級分離區(qū)內(nèi)重力沉降的趨勢不明顯，較多的液滴在氣體攜帶下從氣體分離器出口逃逸。圖12為不同壓力下不同粒徑液滴的分離效率。由圖12可以看出，在幾種進口壓力條件下，隨著液滴粒徑的增大，分離效果逐漸增強。當(dāng)進口壓力為5 MPa時，氣液分離器對5 μm液滴的分離效率為94.58%，氣液分離器可以完全分離出粒徑大于20 μm的液滴；當(dāng)進口壓力為15 MPa時，氣液分離器對5 μm液滴的分離效率減小到87.35%，同時在該進口壓力條件下20 μm的液滴的分離效率只有96.79%，與圖10中不同進口速度下對不同粒徑液滴的分離效果趨勢變化相比，進口壓力對氣液分離器分離性能的影響較弱。

圖11 不同進口壓力下10 μm液滴的運動軌跡Fig.11 Movement trajectory of 10 μm liquid droplet under different inlet pressures

圖12 不同進口壓力下不同粒徑液滴的分離效率Fig.12 Separation efficiency of different sizes of liquid droplets under different inlet pressures

由圖12可知，增大進口壓力使得氣液分離器的分離效率降低。其原因是在同等條件下，入口壓力越大，井口天然氣被壓縮的程度越強，氣體的密度越大，對液滴的攜帶作用也越強，因而液滴易被氣體攜帶出氣液分離器，造成分離效率降低。同時，壓力越大，液滴與氣體密度差越小，氣體對液滴的浮力作用越強，液滴在二級分離區(qū)中重力沉降的效果也越差，故從出口逃逸的液滴數(shù)量也越多，分離效率越差。另外，在進口壓力逐漸增大的過程中，氣體分離器分離效率的降低趨勢越來越弱，主要是因為在壓力增大的過程中，氣體密度的增大趨勢逐漸減緩。當(dāng)進口壓力從3 MPa增大到5 MPa時，氣體密度增大了11.28 kg/m3，而進口壓力從13 MPa增大到15 MPa時，氣體密度只增加了約9.49 kg/m3，故在低壓力條件下壓力對分離性能的影響要大于高壓條件。

4 結(jié) 論

(1)參考國內(nèi)外氣液分離器設(shè)計標準，設(shè)計了一種適合橇裝的雙筒臥式氣液分離器，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用性廣，適合邊遠井區(qū)井口氣回收。

(2)設(shè)計的氣液分離器內(nèi)部流場穩(wěn)定，沒有渦流和回流的產(chǎn)生，對液滴的分離效率可達到97.75%，對粒徑大于15 μm的液滴的分離效率可以達到100%。

(3)隨進口速度的增大，液滴在氣液分離器內(nèi)部停留的時間縮短，氣液分離器的分離精度減小，可分離的液滴粒徑逐步增大；當(dāng)進口速度為0.94、2.80和4.67 m/s時，該氣液分離器可以完全分離出的液滴粒徑分別大于15、20和30 μm。

(4)受氣體壓縮強度、氣體攜液能力、液滴沉降的效果等影響，在5～15 MPa進口壓力范圍內(nèi)，隨著進口壓力的增大，氣液分離器的分離效率逐步下降，對于小于15 μm下的液滴，分離效率下降更明顯，且低壓條件下壓力對氣液分離器分離性能的影響更顯著。