重力式三相分離器流體分析

劉　琦，肖文生，吳　磊，谷向郁

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555)①

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重力式三相分離器流體分析

劉琦，肖文生，吳磊，谷向郁

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555)①

油氣水三相分離器是油田集輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)流花16-2油田數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種重力式三相分離器，通過(guò)計(jì)算得出三相分離器尺寸，并以此為依據(jù)進(jìn)行建模。利用Fluent軟件，對(duì)三相分離器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定邊界條件，并進(jìn)行流體分析。通過(guò)分析模型的油氣水三相體積分?jǐn)?shù)云圖、軸線上油氣水三相體積分?jǐn)?shù)分布曲線圖、分離器出口、入口的速度流線圖、截面壓力圖等，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。并驗(yàn)證了增加整流構(gòu)件的必要性。

三相分離器；Fluent軟件；流體分析

原油處理是將開(kāi)采上來(lái)的原油分離出伴生氣及污水，對(duì)原油進(jìn)行處理后外輸。三相分離器是石油工業(yè)中油田集輸系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將油氣水分離，以確保原油生產(chǎn)的進(jìn)行和污水的排出[1]。三相分離器的設(shè)計(jì)原理差別較大，美國(guó)CE-NATCO公司采用“淺池原理”[2]，其分離速度較快；瑞典阿法拉法公司采用“離心分離原理”，其是一種蝶片式離心機(jī)，具有占地面積和質(zhì)量小，停液時(shí)間短，可組合使用，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，適合海上環(huán)境。近年我國(guó)在三相分離器的研制上取得了較大突破，大慶、大港、江漢、中原、河南等油田研制了將游離水分離和沉降分離結(jié)合的“合一裝置”；長(zhǎng)慶油田引進(jìn)了HXS型油氣水三相分離器，取得了良好的測(cè)試效果[3]；大港油田首創(chuàng)了陶粒脫水器，研制了微波脫水技術(shù)[4]。國(guó)外對(duì)重力式分離器的流體分析研究起步較早，S.H.Khor[5]等人利用三相流模型，得出了更為精確的油氣水三相體積分?jǐn)?shù)計(jì)算關(guān)系式。美國(guó)Idhao大學(xué)[6]利用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)做了速度場(chǎng)分布測(cè)試。國(guó)內(nèi)研究在近幾年才開(kāi)始，且大多為油田服務(wù)[7]。本文介紹了一種重力式三相分離器，并對(duì)其進(jìn)行流體分析。

1　重力式三相分離器

1.1結(jié)構(gòu)

重力式三相分離器由入口分流區(qū)、集液區(qū)、重力沉降區(qū)、除霧器區(qū)4部分組成，如圖1所示。采出液首先進(jìn)入入口分流區(qū)，氣液的預(yù)分離在采出液的液流動(dòng)量發(fā)生改變時(shí)完成，預(yù)分離后，液體進(jìn)入集液區(qū)、沉降區(qū)，油聚集到上層，水沉降到底層；采出液通過(guò)集液區(qū)后，上部分的油液溢過(guò)堰板，進(jìn)入油室，由液位控制閥控制其排出、控制油室的油位，下部分的水經(jīng)排水閥排出分離器；預(yù)分離后的氣體在重力沉降區(qū)內(nèi)去除較大的液滴，在除霧器內(nèi)去除較小液滴，液位控制閥控制氣的排出，保證了內(nèi)部壓力。

三相分離器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮液滴沉降、液滴大小、停留時(shí)間3方面內(nèi)容。液滴大小很大程度上影響了三相分離器的處理效果。在氣液部分，三相分離器的重力沉降部分可去除大于100 μm的顆粒，除霧器去除更小的液滴，其可以根據(jù)氣體容量方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在液液部分，預(yù)測(cè)油中水滴尺寸很難，500 μm或者大于500 μm的水滴能夠從油層中析出。停留時(shí)間指氣體或液體在容器中停留的平均時(shí)間[8]，其影響分離器中氣液是否達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖1　臥式三相分離器平面結(jié)構(gòu)示意

1.2內(nèi)部構(gòu)件

選擇三相分離器尺寸時(shí)，如果達(dá)不到油氣水三相分離的目的，需安裝內(nèi)部構(gòu)件或者采用其他方式促進(jìn)分離。一般內(nèi)部構(gòu)件選用入口分流器、除霧器、噴砂嘴、排砂管、整流構(gòu)件、聚結(jié)構(gòu)件等。

1.3尺寸計(jì)算

本文以位于南海深水海域的流花16-2油田為例。其基本參數(shù)及其伴生氣性質(zhì)參數(shù)如表1～2。

表1　流花16-2油田基本參數(shù)

表2　流花16-2油田的伴生氣性質(zhì)參數(shù)

取最大油處理量200 Mbopd(千桶/日)，即Qo=31 796 m3/d= 22.08 m3/min；最大氣處理量180 MMscfd(百萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/日)，即Qg=5.09 702×106m3/d=58.99 m3/s；最大水處理量300 Mbopd(千桶/日)，即Qw=47 694 m3/d=33.12 m3/min。已知油水混合物在0.3 MPa(表壓)、20 ℃下分離，則原油密度ρo=865 kg/m3。根據(jù)相平衡計(jì)算在分離條件下，油相停留時(shí)間等于水相停留時(shí)間，取油相停留時(shí)間為8 min。由于目標(biāo)平臺(tái)處理量較大，原油處理系統(tǒng)選擇采用2套系統(tǒng)并行處理，即Qw1=Qw2=16.56 m3/min，Qo1=Qo2=11.04 m3/min；天然氣處理系統(tǒng)采用3套設(shè)備并行處理，即Qg1=Qg2=19.66 m3/s。則三相分離器尺寸計(jì)算如下：

當(dāng)液滴直徑為500 μm時(shí)，最大油層厚度為

(1)

式中：tro為油的停留時(shí)間，min；ρw為水的相對(duì)密度；ρo為油的相對(duì)密度；dm為液滴直徑，mm；μo為液體黏度，Pa·s。

由于油相停留時(shí)間等于水相停留時(shí)間，分離器中水相橫截面積與分離器橫截面積之比為

(2)

取分離器在半滿狀態(tài)下系數(shù)β=0.18，則分離器的最大直徑為

(3)

取阻力系數(shù)處置0.34，則氣相中液滴沉降速度vt及阻力系數(shù)CD為

vt=0.0108 m/s，CD=1.827

(4)

根據(jù)氣體容量約束方程式可得：

=2.6×105

(5)

根據(jù)停留時(shí)間約束方程式：

d2Leff=4.2×104(Qwtrw+Qotro)

=4.2×104×(10×16.56×60+10×11.04×60)

=6.9×108

(6)

理論上應(yīng)取以上兩式結(jié)果中的較大值為分離器的縫間長(zhǎng)度。且經(jīng)驗(yàn)表明，縫間長(zhǎng)度與直徑比值即最佳長(zhǎng)徑比為3～5。上述方程中停留時(shí)間約束方程的計(jì)算結(jié)果顯然比氣體容量約束方程式的計(jì)算結(jié)果小，故以后者作為依據(jù)。縫間長(zhǎng)度取兩式中較大值，得分離器直徑與長(zhǎng)度關(guān)系如表3所示。

表3　分離器直徑與長(zhǎng)度的關(guān)系

考慮最佳長(zhǎng)徑比的范圍以及分離器尺寸的加工精度，選取分離器直徑為5.6 m，分離器長(zhǎng)度為16.8 m。

根據(jù)三相分離器尺寸可知，分離器為筒體較長(zhǎng)的臥式分離器。采用與分離器軸線垂直的采出液進(jìn)入方式，在入口處設(shè)置分離器的整流構(gòu)件，以防止出現(xiàn)波浪，如圖2所示。在分離器內(nèi)部設(shè)置聚結(jié)構(gòu)件，使油中水滴沉降至水層，水層的油滴升至油層，如圖3～4所示。由于分離器對(duì)氣體純凈度要求不高，故不安裝除霧器裝置。

圖2　整流構(gòu)件

圖3　整流構(gòu)件(上)

圖4　聚結(jié)構(gòu)件(下)

三相分離器大多支撐安裝在平臺(tái)上。罐體是三相分離器的主體，除罐體外，為了方便三相分離器的使用、維修、檢驗(yàn)等，還設(shè)置有一系列的設(shè)施。設(shè)計(jì)的重力式三相分離器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　重力式三相分離器結(jié)構(gòu)示意

2　三相分離器流體分析

2.1分析模型

三相分離器的處理對(duì)象為原油采出液，處理目的為油、氣、水的三相分離，并且其流動(dòng)狀態(tài)以湍流為主，故使用多相流模型和湍流模型進(jìn)行計(jì)算分析。多相流模型可以分為VOF、Mixture、Eulerian 3種模型[9]。VOF模型適用于流體各相之間不能混合的模型；Eulerian模型因確定計(jì)算的方程較大，適于相對(duì)較簡(jiǎn)單的模型；Mixture模型適用于經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的多相流模型，主要由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程構(gòu)成。

Fluent軟件中的湍流模型有S-A、k-ε、RSM、LES、分離渦5種模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于初始的迭代；重整化k-ε模型適用于應(yīng)變率比較高或者流線彎曲比較大的情況；現(xiàn)實(shí)k-ε模型有較高的精度，并且其能夠避免產(chǎn)生正應(yīng)力，適用于均勻剪切流、分離流、分層流等模擬中。

由于重力式三相分離器油氣水互相滲透，故采用Mixture模型。流場(chǎng)模擬可能出現(xiàn)湍流流動(dòng)情況，采用現(xiàn)實(shí)k-ε模型。一方面為控制影響因素變量，另一方面為保證仿真的可靠性，不考慮對(duì)進(jìn)行流體分析的模型添加內(nèi)部構(gòu)件，建立的幾何模型如圖6所示。

圖6　三相分離器的幾何模型

2.2網(wǎng)格劃分

通過(guò)ANSYS Workbench 13.0對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到面223 124個(gè)，節(jié)點(diǎn)42 963個(gè)。網(wǎng)格的過(guò)渡比為0.272，增長(zhǎng)率為1.2。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7。

圖7　重力式三相分離器網(wǎng)格劃分

2.3邊界條件確定

三相分離器流體分析邊界條件主要分為入口邊界條件和出口邊界條件。

Fluent軟件常用的入口邊界條件有質(zhì)量入口、壓力入口、速度入口、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)氣扇等邊界條件。由于所設(shè)計(jì)的重力式三相分離器的質(zhì)量、壓力等條件不確定，故采用速度入口邊界條件。出口邊界條件有出流、壓力出口、排風(fēng)口、排氣扇、壓力遠(yuǎn)場(chǎng)等邊界條件。出流邊界條件限制最少，但出流情況很容易對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)形成干擾。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，分離器使用液位檢測(cè)來(lái)控制油出口的油和水出口的水的出入情況，故采用壓力出口邊界條件。三相分離器的邊界條件如表4。

表4　三相分離器的邊界條件

表4(續(xù))

2.4流體分析

三相分離器的性能取決于氣出口含液、油出口含水及水出口含油[10]?？梢酝ㄟ^(guò)流體分析中密度分布輪廓線和油氣水三相體積分?jǐn)?shù)等值線表征分離器內(nèi)部的分離情況。

首先對(duì)模型的進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代1 000次后，基本達(dá)到平穩(wěn)，變量殘差在10-3以下。

2.4.1密度、體積分?jǐn)?shù)分析

通過(guò)流體密度云圖(如圖8)及油氣水三相體積分?jǐn)?shù)云圖(如圖9～11)，可以看出重力式三相分離器可分為3層，底層流體密度為895～935 kg/m3，中間層及堰板右側(cè)范圍流體密度為700～790 kg/m3，上層流體密度為25.4 kg/m3。各層流體密度范圍基本符合天然氣、原油、水的密度范圍。

由油氣水出口軸線上油氣水三相體積分?jǐn)?shù)分布如圖12所示。可以看出在氣出口處，油相和水相的體積分?jǐn)?shù)接近0，氣相體積分?jǐn)?shù)約為0.98，氣液分離可以滿足設(shè)計(jì)要求。油出口處，油相體積分?jǐn)?shù)約為0.8，水相體積分?jǐn)?shù)約占0.2，氣相體積分?jǐn)?shù)接近0。

水出口處含油率在0.2左右，氣相體積分?jǐn)?shù)接近0。故三相分離器尺寸設(shè)計(jì)基本能滿足要求。

圖8　截面的流體密度云圖

圖9　油相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖10　氣相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖11　水相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖12　軸線上油氣水三相體積分?jǐn)?shù)分布曲線圖

2.4.2速度分析

對(duì)三相分離器速度分布情況進(jìn)行分析，可得截面的速度矢量圖和速度云圖，如圖13～14所示。由圖13～14可知，原油采出液進(jìn)入分離器時(shí)速度較大，在出口處以及分離器器壁部分運(yùn)動(dòng)明顯，在沉降段速度較小，甚至接近0。由此可知，液體在分離器內(nèi)部停留的時(shí)間較長(zhǎng)，能夠滿足停留時(shí)間方面的要求。在分離器入口處液體速度快，要盡量采取措施減小其大小，以防止液體沖擊分離器而產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，使分離液沉降過(guò)程順利完成。

在分離器入口和3個(gè)出口處速度變化較大，故選取入口及出口處的截面進(jìn)一步分析。圖15為4個(gè)截面速度的等值線圖。

由圖15可知，原油采出液進(jìn)入分離器后流體沿圓周擴(kuò)散，引起流體速度變化不大。3個(gè)出口截面速度變化不大，出口處速度變大，內(nèi)部流體速度產(chǎn)生的影響僅限于出口附近。入口和出口的流速基本不會(huì)干擾分離器內(nèi)氣液或者油水的分離。

圖13　速度矢量圖

圖14　速度云圖

圖15　出入口截面速度等值線

入口和出口處速度流線如圖16所示。液體進(jìn)入入口后，部分液體與液面碰撞，然后沿液面開(kāi)始流動(dòng)，部分液體向上流動(dòng)，由于向上部分流動(dòng)不規(guī)則，將阻礙液滴沉降，故需要添加整流構(gòu)件。由圖16b可以看出，氣出口液體流動(dòng)會(huì)影響周?chē)糠謿庀囿w積分?jǐn)?shù)，油出口與水出口液體流動(dòng)會(huì)影響整個(gè)液體部分。液體排出時(shí)會(huì)造成渦流，需要在出口前增加構(gòu)件。

2.4.3壓力及動(dòng)能分析

分離器內(nèi)部堰板前后油室壓力等級(jí)分布云圖如圖17所示。由于自重，下層液體的壓力隨深度增加而增大，堰板后油室壓力等級(jí)比堰板前油室壓力等級(jí)小。湍動(dòng)能分布云圖如圖18。由圖18可知，入口和出口處的湍動(dòng)能較大，表明入口和出口速度較大。

圖16　出入口處速度流線圖

圖17　堰板前后油室壓力等級(jí)分布云圖

圖18　湍動(dòng)能分布云圖

3　結(jié)論

1)通過(guò)分析油氣水三相體積分?jǐn)?shù)云圖和軸線上油氣水三相體積分?jǐn)?shù)曲線圖，設(shè)計(jì)的重力式三相分離器實(shí)現(xiàn)了三相分離的目的。

2)通過(guò)三相分離器出口和入口速度流線圖驗(yàn)證了該設(shè)備增加整流構(gòu)件的必要性。

3)通過(guò)分析堰板前后油室壓力等級(jí)分布云圖以及湍動(dòng)能分布云圖，要求堰板具有足夠的強(qiáng)度和耐沖擊性，以防止堰板由于前后壓力變化而產(chǎn)生變形，甚至破壞。

[1]趙輝，徐學(xué)剛.油田三相分離器優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2013(2)：156-157.

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Fluid Analysis of Gravity Type Three Phase Separator

LIU Qi，XIAO Wensheng，WU Lei，GU Xiangyu

(College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

Oil-gas-water three-phase separator is the key equipment in the oilfield gathering and transportation system，whose design principle is much different.According to data of Liu Hua 16-2 oil field，designing a gravity type three phase separator.The size of three-phase separator is calculated to build model.Using Fluent software to mesh for three-phase separator，boundary conditions are made and a fluid analysis is obtained.According to analyzing three phase volume fraction cloud chart， the curve graph of three phase volume fractiondistributionontheaxis， thespeed streamline chart for outlet and inlet of separator and cross section pressure figure，presenting the demand for structural optimization and verifying the necessity of adding rectifier components.

three-phase separator；Fluent software；fluid analysis

1001-3482(2016)10-0015-07

2016-04-11

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“深海半潛式生產(chǎn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”

劉琦(1994-)，男，天津人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化研究，E-mail：liuqi_xi@163.com。

TE931.1

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.004