模型重力式油水分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

束方啟 何巖峰 鐘 明 張 凱 唐東德 趙承胤 常州大學(xué)石油工程學(xué)院

模型重力式油水分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

束方啟 何巖峰 鐘 明 張 凱 唐東德 趙承胤 常州大學(xué)石油工程學(xué)院

針對(duì)油水分離器油水分離效果難度加大的現(xiàn)狀，基于CFD軟件對(duì)安裝整流構(gòu)件及聚結(jié)構(gòu)件的分離器模型的流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)比分離器的速度矢量和流場(chǎng)，分析不同內(nèi)部構(gòu)件對(duì)流動(dòng)特性的影響。模擬分析結(jié)果表明，圓筒形整流構(gòu)件達(dá)不到理想的整流效果，“田”字形整流構(gòu)件安裝在入口構(gòu)件后0.5D處可以起到較好的整流效果；綜合對(duì)比各種聚結(jié)構(gòu)件，平行板聚結(jié)構(gòu)件可以產(chǎn)生最好的油水分離效果。

重力式油水分離器；數(shù)值模擬；整流構(gòu)件；聚結(jié)構(gòu)件

引言

隨著國內(nèi)各油田的開發(fā)進(jìn)入后期，原油的含水率不斷上升，為了進(jìn)一步挖掘老油田的開發(fā)潛力，化學(xué)驅(qū)技術(shù)（聚合物驅(qū)、堿驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等）的應(yīng)用也越來越多，油田采出液的成分和物性變得越來越復(fù)雜，導(dǎo)致油水分離的難度不斷加大。重力式油水分離器操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行成本低，是目前油氣田地面工程中應(yīng)用最廣泛的油水分離設(shè)備之一。分離器的內(nèi)部構(gòu)件會(huì)改變分離器內(nèi)油水兩相流動(dòng)特征，從而會(huì)影響油水的分離效果，因此研究分離器內(nèi)部構(gòu)件對(duì)內(nèi)部流動(dòng)過程的影響，優(yōu)選分離器內(nèi)部構(gòu)件種類和安裝位置，對(duì)油水分離具有現(xiàn)實(shí)意義。

理論方法很難對(duì)分離器內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)特征進(jìn)行精確定量分析；試驗(yàn)研究成本較高，也很難對(duì)內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。隨著計(jì)算流體力學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，流場(chǎng)數(shù)值模擬[1]已經(jīng)成為研究流體流動(dòng)規(guī)律的重要方法，流場(chǎng)數(shù)值模擬成本低、周期短，能對(duì)流體的流動(dòng)過程進(jìn)行精細(xì)描述和定量分析。

重力式油水分離器入口構(gòu)件的主要作用是減少流入過程中引起的渦流擾動(dòng)，整流構(gòu)件可以使流動(dòng)更加均勻，聚結(jié)構(gòu)件則是通過增加油滴聚結(jié)碰撞幾率以更利于油相的上浮分離。關(guān)于內(nèi)部構(gòu)件對(duì)分離器分離過程的影響[2]，前人做了很多相關(guān)的研究[3-5]，油田現(xiàn)場(chǎng)目前仍有很多重力分離設(shè)備由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或者內(nèi)部構(gòu)件安裝位置不合理，導(dǎo)致相當(dāng)多的液體沒有經(jīng)過充分分離就排出了分離器，油水分離效果不好，所以有必要對(duì)分離器內(nèi)部構(gòu)件的種類及合理安裝位置開展深入的研究。應(yīng)用CFD軟件模擬分析了各種整流構(gòu)件和聚結(jié)構(gòu)件對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)構(gòu)件的選型及安裝提出了合理化建議，可為優(yōu)化油水分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供一定指導(dǎo)。

1 模型建立

圖1 重力式油水分離器模型幾何示意圖

選取油田地面工程中常見的重力式油水分離器模型，如圖1所示，油水分離器為臥式，主要包括分離器腔體，以及入口構(gòu)件、整流構(gòu)件、聚結(jié)構(gòu)件等，分離器主體總長度為1 500 mm，分離腔圓筒直徑D為400 mm，兩端均為半橢球形封頭，最左邊混合流體進(jìn)口直徑40 mm，右邊下部水出口直徑30 mm，右端上部油出口直徑20 mm。按照分離器的相關(guān)參數(shù)建立分離器的幾何模型并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格生成在Gambit軟件中實(shí)現(xiàn)，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，提高網(wǎng)格的適應(yīng)能力，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，該模型的網(wǎng)格數(shù)量為482 658。

2 CFD模型及求解

2.1 模型選擇

研究對(duì)象為油水兩相流，選取混合湍流模型，輸運(yùn)方程如下

2.2 數(shù)值解法

流場(chǎng)網(wǎng)格劃分采用有限體積法，把模型劃分成眾多微小的單元控制體，將控制方程在每個(gè)單元控制體上離散獲得代數(shù)方程，用數(shù)值迭代方法求解代數(shù)方程組。計(jì)算采用基于有限體積法的SIMPLE算法，動(dòng)量、湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率的差分選擇FirstOrderUpwind格式，壓力差分選擇Standard格式。

2.3 初始及邊界條件

初始條件是研究對(duì)象在過程開始時(shí)刻各個(gè)求解變量的空間分布情況，初始時(shí)刻給定的參數(shù)，邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量及其導(dǎo)數(shù)隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律。在本問題中混合流體的入口設(shè)置為速度入口，設(shè)置兩相流體的入口速度以及兩相的體積分?jǐn)?shù)，分離器的兩個(gè)出口設(shè)為壓力出口邊界，油水分離器除入口、出口外設(shè)為壁面邊界條件，壁面處流體絕熱無滑移。

2.4 網(wǎng)格劃分及相關(guān)計(jì)算參數(shù)

幾何模型劃分網(wǎng)格采用自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)件劃分不同數(shù)目的網(wǎng)格，提高計(jì)算網(wǎng)格的自適應(yīng)能力。計(jì)算選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，流動(dòng)介質(zhì)為油和水，設(shè)置混合液入口速度為0.8 m/s，含油體積分?jǐn)?shù)40%，15℃時(shí)油的密度為880 kg/m3，動(dòng)力黏度0.17 Pa·s。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 整流構(gòu)件模擬

（1）整流構(gòu)件模擬設(shè)置。選擇兩種常見的圓筒形和“田”字形整流構(gòu)件進(jìn)行模擬，其橫截面示意圖如圖2所示。將兩種整流構(gòu)件安裝在入口構(gòu)件后不同距離處，模擬分離器內(nèi)部流動(dòng)的速度場(chǎng)，并計(jì)算構(gòu)件后一定位置橫截面上的速度不均勻度f，這是表征流體軸向流動(dòng)均勻程度的無因次參數(shù)，數(shù)值越小說明流動(dòng)越接近水平柱塞流，越有利于油滴的聚結(jié)分離過程。分別設(shè)置在距離入口后80、120、160、200 mm（設(shè)置為與內(nèi)徑D的適當(dāng)比例）的位置安裝整流構(gòu)件，圓筒形構(gòu)件的最大、最小橫截面半徑分別為150、30 mm，“田”字形構(gòu)件的橫截面外接圓半徑為150 mm，正方形流動(dòng)通道的邊長約為30 mm。

圖2 圓筒形和“田”字形整流構(gòu)件橫截面示意圖

（2）模擬結(jié)果分析。圖3為圓筒形構(gòu)件安裝在分離器不同位置處的速度矢量圖，比較各速度矢量圖可以看出，圓筒構(gòu)件安裝在入口后80、120 mm位置處，入口渦流的影響范圍幾乎沒有變化，沒有起到整流作用；而圓筒構(gòu)件安裝在入口后160、200 mm處渦流的范圍和長度反而更大，更加不利油相后續(xù)的聚結(jié)分離過程。圖4為“田”字形構(gòu)件安裝在入口后不同位置的速度矢量圖，比較各速度矢量圖可以看出，將“田”字構(gòu)件安裝在入口后80、120 mm處，渦流的影響范圍沒有減小；“田”字構(gòu)件安裝在入口后160 mm位置處時(shí)渦流的范圍和長度更大；“田”字構(gòu)件安裝在入口后200 mm處渦流的范圍及長度明顯變小，更有利于油水分離。選取距離入口構(gòu)件后260 mm處的橫截面，計(jì)算上述各種情況下該截面上速度不均勻度f，計(jì)算結(jié)果如表1所示。通過表1計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，圓筒構(gòu)件幾乎沒有使f值減少，田字構(gòu)件安裝在入口后80、120 mm和160 mm處f值也沒有減小，只有安裝在200 mm處f值顯著降低。“田”字構(gòu)件使分離器的橫截面分離更均勻，能緩解流體的徑向流動(dòng)，使流體軸向流速分布更為均勻。

圖3 油水分離器安裝圓筒形構(gòu)件的速度矢量圖

圖4 油水分離器安裝“田”字形構(gòu)件的速度矢量圖

表1 整流構(gòu)件安裝在不同位置處的速度不均勻度

3.2 聚結(jié)構(gòu)件模擬

（1）聚結(jié)構(gòu)件模擬設(shè)置。一般情況下，整流構(gòu)件后配合安裝聚結(jié)構(gòu)件才有更好的分離效果，選擇工程上常用的平行板隔油池、斯托克斯-派克和普雷特-派克三種聚結(jié)構(gòu)件，幾何模型如圖5所示。聚結(jié)構(gòu)件板層與水平的夾角為45°，板層長度為800 mm，板層間距2.5 cm。根據(jù)整流構(gòu)件的模擬優(yōu)化結(jié)果，在入口后200 mm處安裝“田”字型整流構(gòu)件，在入口后240 mm處安裝聚結(jié)構(gòu)件。分別模擬安裝三種聚結(jié)構(gòu)件后油水分離器的流動(dòng)特征，為聚結(jié)構(gòu)件的優(yōu)選提供初步的指導(dǎo)。

圖5 不同聚結(jié)構(gòu)件的重力式油水分離器的幾何模型

（2）模擬結(jié)果分析。模擬完成后分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算入口構(gòu)件后6個(gè)位置橫截面上的速度不均勻度f，綜合統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，無任何構(gòu)件時(shí)，f值會(huì)隨著距離的增加先增大后減小，增加整流構(gòu)件后f值隨著距離的增加而減小，數(shù)值整體上有所降低。同時(shí)安裝聚結(jié)構(gòu)件后，三種聚結(jié)構(gòu)件的f曲線趨勢(shì)相同，數(shù)值比未安裝聚結(jié)構(gòu)件時(shí)進(jìn)一步降低。比較三種聚結(jié)器，平行板聚結(jié)器的f值最低，具有最穩(wěn)定的水平流動(dòng)特性，因此判定平行板聚結(jié)構(gòu)件可以起到最好的油水分離效果。

圖6 速度不均勻度和入口構(gòu)件與橫截面的距離關(guān)系

4 結(jié)論

（1）建立了重力式油水分離器的流動(dòng)模型，用CFD方法對(duì)安裝圓筒形整流構(gòu)件和“田”字型整流構(gòu)件后分離器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，圓筒整流構(gòu)件對(duì)流動(dòng)的改善作用不大，將“田”字整流構(gòu)件安裝在入口構(gòu)件后0.5D（200 mm）位置處可以使流體的流動(dòng)更為均勻，有利于油水分離。

（2）對(duì)安裝平行板、斯托克斯-派克和普雷特-派克三種聚結(jié)構(gòu)件的分離器流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，平行板聚結(jié)構(gòu)件可以提供最有利的油滴浮升運(yùn)動(dòng)環(huán)境，能起到較好的油水分離效果。

[1]楊顯志．重力式油水分離器內(nèi)部流場(chǎng)仿真及實(shí)驗(yàn)研究[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（33）：70-72．

[2]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(xué)報(bào)，2006，27（6）：112-115．

[3]鄧志安，袁敏，徐建寧．重力式油氣水分離場(chǎng)中液滴沉降模型分析[J]．石油學(xué)報(bào)，1999，20（1）：82-87．

[4]陸耀軍，王軍，張慶珍．重力式油水分離設(shè)備的分離特性研究[J]．石油學(xué)報(bào)，1997，13（1）：88-95．

[5]呂玉玲，何利民，王國棟，等．含不同構(gòu)件的重力式分離器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬[J]．石油機(jī)械，2008，36（2）：12-16．

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.027

束方啟：碩士研究生在讀，主要從事采油工程方法技術(shù)研究。

2015-06-17

18729538416、petrowb@163.com.cn