模型重力式油水分離器內部結構數值模擬

束方啟 何巖峰 鐘 明 張 凱 唐東德 趙承胤 常州大學石油工程學院

模型重力式油水分離器內部結構數值模擬

束方啟 何巖峰 鐘 明 張 凱 唐東德 趙承胤 常州大學石油工程學院

針對油水分離器油水分離效果難度加大的現狀，基于CFD軟件對安裝整流構件及聚結構件的分離器模型的流體流動進行了數值模擬，通過對比分離器的速度矢量和流場，分析不同內部構件對流動特性的影響。模擬分析結果表明，圓筒形整流構件達不到理想的整流效果，“田”字形整流構件安裝在入口構件后0.5D處可以起到較好的整流效果；綜合對比各種聚結構件，平行板聚結構件可以產生最好的油水分離效果。

重力式油水分離器；數值模擬；整流構件；聚結構件

引言

隨著國內各油田的開發進入后期，原油的含水率不斷上升，為了進一步挖掘老油田的開發潛力，化學驅技術（聚合物驅、堿驅、三元復合驅等）的應用也越來越多，油田采出液的成分和物性變得越來越復雜，導致油水分離的難度不斷加大。重力式油水分離器操作方便、運行穩定、運行成本低，是目前油氣田地面工程中應用最廣泛的油水分離設備之一。分離器的內部構件會改變分離器內油水兩相流動特征，從而會影響油水的分離效果，因此研究分離器內部構件對內部流動過程的影響，優選分離器內部構件種類和安裝位置，對油水分離具有現實意義。

理論方法很難對分離器內部的復雜流動特征進行精確定量分析；試驗研究成本較高，也很難對內部構件設計參數進行優化研究。隨著計算流體力學以及計算機技術的迅速發展，流場數值模擬[1]已經成為研究流體流動規律的重要方法，流場數值模擬成本低、周期短，能對流體的流動過程進行精細描述和定量分析。

重力式油水分離器入口構件的主要作用是減少流入過程中引起的渦流擾動，整流構件可以使流動更加均勻，聚結構件則是通過增加油滴聚結碰撞幾率以更利于油相的上浮分離。關于內部構件對分離器分離過程的影響[2]，前人做了很多相關的研究[3-5]，油田現場目前仍有很多重力分離設備由于設計不當或者內部構件安裝位置不合理，導致相當多的液體沒有經過充分分離就排出了分離器，油水分離效果不好，所以有必要對分離器內部構件的種類及合理安裝位置開展深入的研究。應用CFD軟件模擬分析了各種整流構件和聚結構件對分離器內部流場的影響，根據模擬結果對構件的選型及安裝提出了合理化建議，可為優化油水分離器的內部結構提供一定指導。

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，以及入口構件、整流構件、聚結構件等，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。按照分離器的相關參數建立分離器的幾何模型并劃分網格。網格生成在Gambit軟件中實現，采用非結構網格，提高網格的適應能力，保證計算結果的準確可靠，該模型的網格數量為482 658。

2 CFD模型及求解

2.1 模型選擇

研究對象為油水兩相流，選取混合湍流模型，輸運方程如下

2.2 數值解法

流場網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，將控制方程在每個單元控制體上離散獲得代數方程，用數值迭代方法求解代數方程組。計算采用基于有限體積法的SIMPLE算法，動量、湍動能及湍動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

初始條件是研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況，初始時刻給定的參數，邊界條件是在求解區域的邊界上所求解的變量及其導數隨空間和時間的變化規律。在本問題中混合流體的入口設置為速度入口，設置兩相流體的入口速度以及兩相的體積分數，分離器的兩個出口設為壓力出口邊界，油水分離器除入口、出口外設為壁面邊界條件，壁面處流體絕熱無滑移。

2.4 網格劃分及相關計算參數

幾何模型劃分網格采用自適應非結構化四面體網格，同時對不同結構的具體構件劃分不同數目的網格，提高計算網格的自適應能力。計算選取標準k-ε湍流模型，流動介質為油和水，設置混合液入口速度為0.8 m/s，含油體積分數40%，15℃時油的密度為880 kg/m3，動力黏度0.17 Pa·s。

3 模擬結果及分析

3.1 整流構件模擬

（1）整流構件模擬設置。選擇兩種常見的圓筒形和“田”字形整流構件進行模擬，其橫截面示意圖如圖2所示。將兩種整流構件安裝在入口構件后不同距離處，模擬分離器內部流動的速度場，并計算構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均勻程度的無因次參數，數值越小說明流動越接近水平柱塞流，越有利于油滴的聚結分離過程。分別設置在距離入口后80、120、160、200 mm（設置為與內徑D的適當比例）的位置安裝整流構件，圓筒形構件的最大、最小橫截面半徑分別為150、30 mm，“田”字形構件的橫截面外接圓半徑為150 mm，正方形流動通道的邊長約為30 mm。

圖2 圓筒形和“田”字形整流構件橫截面示意圖

（2）模擬結果分析。圖3為圓筒形構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，更加不利油相后續的聚結分離過程。圖4為“田”字形構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”字構件安裝在入口后80、120 mm處，渦流的影響范圍沒有減??；“田”字構件安裝在入口后160 mm位置處時渦流的范圍和長度更大；“田”字構件安裝在入口后200 mm處渦流的范圍及長度明顯變小，更有利于油水分離。選取距離入口構件后260 mm處的橫截面，計算上述各種情況下該截面上速度不均勻度f，計算結果如表1所示。通過表1計算結果可以發現，圓筒構件幾乎沒有使f值減少，田字構件安裝在入口后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?！疤铩弊謽嫾狗蛛x器的橫截面分離更均勻，能緩解流體的徑向流動，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件的速度矢量圖

圖4 油水分離器安裝“田”字形構件的速度矢量圖

表1 整流構件安裝在不同位置處的速度不均勻度

3.2 聚結構件模擬

（1）聚結構件模擬設置。一般情況下，整流構件后配合安裝聚結構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-派克三種聚結構件，幾何模型如圖5所示。聚結構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。根據整流構件的模擬優化結果，在入口后200 mm處安裝“田”字型整流構件，在入口后240 mm處安裝聚結構件。分別模擬安裝三種聚結構件后油水分離器的流動特征，為聚結構件的優選提供初步的指導。

圖5 不同聚結構件的重力式油水分離器的幾何模型

（2）模擬結果分析。模擬完成后分別統計計算入口構件后6個位置橫截面上的速度不均勻度f，綜合統計結果如圖6所示。由圖6可以看出，無任何構件時，f值會隨著距離的增加先增大后減小，增加整流構件后f值隨著距離的增加而減小，數值整體上有所降低。同時安裝聚結構件后，三種聚結構件的f曲線趨勢相同，數值比未安裝聚結構件時進一步降低。比較三種聚結器，平行板聚結器的f值最低，具有最穩定的水平流動特性，因此判定平行板聚結構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件與橫截面的距離關系

4 結論

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

（2）對安裝平行板、斯托克斯-派克和普雷特-派克三種聚結構件的分離器流場進行了數值模擬，結果表明，平行板聚結構件可以提供最有利的油滴浮升運動環境，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部流場仿真及實驗研究[J]．科學技術與工程，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]．石油學報，2006，27（6）：112-115．

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

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

[5]呂玉玲，何利民，王國棟，等．含不同構件的重力式分離器內流場數值模擬[J]．石油機械，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研究。

2015-06-17

18729538416、petrowb@163.com.cn