三相分離器創新結構數值模擬及優化設計

崔瑋琳，汪瑛，孟陵，杜昌順，周濤，牟井輝

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三相分離器創新結構數值模擬及優化設計

崔瑋琳，汪瑛，孟陵，杜昌順，周濤，牟井輝

（沈陽工業大學遼陽分校 油氣儲運教研室，遼寧 遼陽 111000）

隨著油田進入高含水期，提高三相分離器的分離效率迫在眉睫。本文通過對三相分離器分離原理、分離器內液滴運動情況以及影響分離器效率等因素的分析，選擇合適的油氣分離方法，運用分析、綜合等方法來創新設計捕霧器、油水堰板、集砂斗等部分元件，從而進行結構優化，最后提出了三相分離器的數值計算模型，根據修正后的分離理論和公式對三相分離器提出改進設計。實驗證明新型三相分離器的分離效率可以得到大幅度提高。

三相分離器；分離效率；結構改進；數值分析

三相分離器是油氣田開采的關鍵分離設備之一，它的設計效率決定了能否達到采出液的存儲和運輸標準。若設計地不合理，地表采集系統的工作效率將被大大地限制。目前生產的三相分離器的分離的精度雖然標準較高，但都還存在著普遍適用性較差的問題，無法滿足油氣水分離的預期要求[1-6]。所以本文研究了一種新型油氣水三相分離器，以實現更加高效的油氣水分離效果。

1 三相分離器的創新改進設計

1.1 捕霧器原件改進設計

捕霧器分離原件是油氣田采集系統中進行氣、液分離的流程單元之一[7]。本裝置進行的改進是在原有三相分離器的基礎上，利用碰撞分離的原理在其內部增添了二級捕霧器。這樣能夠更好的解決生產中伴生氣脫水效率不高和液滴的二次夾帶問題。改裝后的分離器在保證采出物分離系統合理運行的前提下，提高了氣霧處理量，形成分離全程密閉、工藝自動和處理高效的循環體系。

工作原理如下：油氣水混合物從油氣水進口切向進入第一捕霧器后形成旋流，在此處能夠去除氣體中攜帶的粒徑為 10~100 μm的油霧，加速了氣液的分離，大幅度地縮短氣體溢出時間；初步分離后的氣體中仍夾帶有大量的小液滴，氣體中夾帶的小液滴通過第一捕霧器后進入第二捕霧器，此處能夠更好的將在分離器重力沉降段內未能除去的較小油滴在捕霧構件中加以捕集，然后從第二捕霧器頂端的氣體出口流出。三項分離器結構圖如圖1所示。

圖1 三相分離器結構圖

1.2 油水堰板改進設計

油水堰板是用于油、水分離的遮擋板，水堰板的高度通常比油堰板低一些，油堰板高度通常是分離器直徑的 0.6 倍左右[8]。普通三相分離器內一般設有一個油槽，一個油堰板和一個水堰板。

工作原理如下：本次設計將三相分離器中的油堰板由原來普通的一級油氣水分離變為二級油氣水分離，在第一級分離后加了一塊與原來相垂直的一塊油堰板來實現油水二次分離，提高分離效率。且將原來的固定油堰板改為高度可以調節的油堰板，油水堰板的高度可以根據油氣井的不同生產時期或油井產液的油水比例變化進行不同的調節，從而延長分離時間，增強普適性，并且其占地面積更小。油水堰板側面圖如圖2所示。

1.3 集砂斗改進設計

集砂斗是一種新型的置于分離器底部用來聚集沙礫等固體沉降物質，并通過底部排出口排出的裝置。常用的三項分離器底部均為平整的底面，其上的沉降物質需要在停工后清理，也有部分的分離器設置了泥沙排出口，但是經過大量的比較分析發現，現有的裝置實際使用效果并不怎么理想[9]，為此改進設計了新型倒圓錐形集砂斗。

圖2 油水堰板側面圖

圖3 集砂斗結構圖

工作原理：新型集砂斗設計為為倒圓錐形，圓錐上圓面接觸分離器底部內壁，圓錐底部延伸到壁外。采用圓錐形集砂斗可在一定程度上，在不停車不改變分離器內部壓力等各項工作指標的條件下，使固體沉降物自動流出。大大降低雜質去除的復雜程度，大程度的提高了排沙效果，降低了清潔三相分離器的難度和費用。同時減少會堵塞管道和設備出口的淤積物，降低油水分離不徹底以及設備損壞的可能，減弱采出液中混合的固體雜質在管道中流動時，對運輸管線中的各種設備產生強烈的摩擦，從而造成損壞。集砂斗結構圖如圖3所示。

2 改進三相分離器的數值模擬分析

2.1 SolidWorks建模

本模型中，油、氣和水物料的分離是主要的處理成分，所以分離器內部流體可以概括為油氣水三相，湍流是分析過程中主要的流動狀態。在軟件模擬的操作中，忽略管道內各流體間的能量傳遞可以達到簡化模型的目的。因為管線內部流體流動性質的影響微乎其微，從而不考慮管線內的壁面條件。所以，在對三相分離器進行數值計算以及模擬的過程中，多相流模型及湍流模型是主要考慮的因素。依照所設計的相關數據及一定的參數，利用 SolidWorks 進行三相分離器建模，所建模型如圖4 所示。

圖4 三相分離器模型圖

2.2 ANSYS模擬分析運行狀況

如圖5三相分離器在FLUENT中的模擬分析,原油由入口進入，經過整流板，天然氣從三相分離器的上部出口分離，水和石油分別從下部出口分離。網格劃分以及內部流場圖如圖6至9所示。

圖5 三相分離器在 FLUENT 中的模擬分析

圖6 FLUENT模擬三相分離器的壓力云圖

圖7 三相分離器速度云圖

圖8 入口截面釋放的流線圖

圖 9 氣出口截面釋放的流線圖

2.3 運行結果分析

（1）分離器按照此前的理論尺寸用軟件模擬之后，最終氣液分離的效果能夠達到標準的要求，而油水兩相的分離效率與管輸的要求存在一定的差距；

（2）二級捕霧器的設計能夠減弱流速在入口處由于存在過快的狀態下，流體對設備的沖擊作用，保證油氣水分離沉降處理過程的正常運行，減少渦流的產生；

（3）油水堰板間距越小，對流體分離運動的阻礙作用越強；當距離降低到一定的數值后，繼續減小間距對分離效果的提升將不起作用。

3 結論

（1）通過對三相分離器捕霧器的改裝，提高了其移除液霧的能力。與傳統的捕霧器相比，具有效率高、可以脫除小液滴以及污垢小等優點，可以承擔更高的氣體處理量。

（2）改進后的增設錐形集砂斗，能有效地及時清除原油中含有泥、沙等固體機械雜質,大大降低了固體雜質分離不徹底以及設備損壞的可能性；

（3）設計可調節式油水堰后，提高三相分離器油水分離效率，提高了對滾動開發式油氣田的適用性，使其分離效果更佳穩定，使其更加經濟效益；

（4）由 FLUENT 模擬結果可得，依照最初設計的要求，三相分離器內部系統運平穩，軟件模擬出的模型中各項指標均顯示正常，其分離效果大致達到標準要求。

［1］姚公弼. 固液分離的應用和發展概況[J]. 過濾與分離，1994

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Numerical Simulation and Optimal Design of Three-phase Separator

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（Shenyang University of Technology, Liaoning liaoyang 111000，China）

After entering the high water cut stage in development of oilfields, it is urgent to improve the efficiency of three-phase separator. In this paper, the separation principle of three-phase separator,droplet movements in the separator were analyzed as well as the factors to affect the efficiency of separator. Suitable oil-gas separation method was chosen, the structure of separator was optimized by innovative design of the mist extractor, oil-gas weir plate and cone desander.And then, a new numerical model of three-phase separator was put forward, improved design of three-phase separator was carried out based on revised separation theory and formula. Experiments proved that the efficiency of the new type separator was substantially enhanced.

three-phase separator; separation efficiency; improvement of structure; numerical analysis

2017-09-28

崔瑋琳（1988-），女，講師，碩士，遼寧省遼陽市人，2014年畢業于東北石油大學油氣儲運專業，研究方向：多相流與流變學。

汪瑛（1996-），女，研究方向：三相分離器創新改進。

TQ 052

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1004-0935（2017）11-1109-03