基于離散相模型的波紋板油氣分離器優化設計

楊建東，趙鵬，賈海海

（西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018）

基于離散相模型的波紋板油氣分離器優化設計

楊建東，趙鵬，賈海海

（西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018）

蛇行波紋板整流器是一種常見的油氣分離裝置，在油氣集輸過程中起到了非常重要的作用。本文利用 Fluent 軟件提供的離散相模型，對波紋板油氣分離過程的流場進行了分析，并比較了波紋板的結構參數對分離效率的影響，總結不同因素對波紋板分離性能的影響規律，為油氣分離元件的工程設計提供有效的依據。

波紋板；多功能合一設備；優化設計

在石油的開采過程中，油井產出的是油、氣、水、砂等多種物質的混合物，為了得到合格的石油產品，油氣集輸首要任務是氣液分離，通常稱為油氣分離。在油氣集輸過程中，油氣混合物的分離是在一定的設備中進行的。根據相平衡原理，利用油氣分離機理，借助機械的方法，把油井混合物分離為氣相和液相的設備稱為油氣分離器。

長慶油田通過對主要生產工藝流程的優化研究，對涉及的主要生產設施進行集成化、橇裝化和智能化探索，按照”簡短、實用、經濟、快速”的原則，創造性地研制出了油氣混輸一體化集成裝置。其中，多功能合一設備是油氣混輸一體化集成裝置中非常重要的組成部分，配置了蛇行波紋板整流器和絲網捕霧裝置等高效分離元件，滿足油氣分離要求。

本文主要研究對象為蛇行波紋板整流器，通過計算流體力學仿真軟件 Fluent 中離散相模型，分析波紋板的結構參數對波紋板分離效率的影響，總結不同因素對波紋板分離性能的影響規律。這將有利于油氣分離元件的設計和最優運行結構參數的選取，為工程實際中的設計提供有效的依據。

1 波紋板分離原理

波紋板作為油氣分離的一種常見手段，依靠的原理是是慣性分離。慣性分離是利用氣流中液滴在通過波紋板的慣性運動而實現分離。當攜帶有微小油滴的伴生氣通過波形板分離器的波形板組件時，由于波形板流道的結構曲折變化，造成氣流在波形板內作曲線運動。氣流中的油滴和氣體由于密度不同，相對質量不同，造成離心力、慣性力以及附著力不同使得油滴在通過彎道撞擊到波形板上。在吸附力的作用下，吸附在金屬制成的具有較好的吸附力的波形板壁面上，形成油膜，在重力的作用下不斷往下流動，最后離開波形板組件（圖1）。波紋板相對于重力沉降的分離具有效率高，制作簡單、體積小、安裝方便等優越的性能。因此，波紋板作為分離元件在臥式分離器使用情況越來越多，而其性能對油氣集輸過程也有著舉足輕重的作用。

圖1 典型波形板汽水分離器示意圖

2 離散相模型計算理論基礎

對于波紋板分離器的油滴軌跡和分離效率的數值模擬采用離散相模型來計算。離散相模型是兩相流動的一種模擬方法，在由連續流體和離散相組成的多相流體系中，將流體視為連續介質，離散相作為離散介質處理。在 Fluent中，離散相模型適用于液滴的體積份額小于等于 10% 的情況，而波形板油氣分離器作為整個多功能合一設備波紋板氣液分離元件中的分離裝置通常其入口的油氣比都不會高于5%，因此離散相模型計算是適合該工況的。

離散相模型是在歐拉—拉格朗日觀點下建立的數值模型，即以空間點為對象在歐拉觀點下描述氣相流場，而以單個粒子為對象在拉格朗日觀點下計算其運動軌跡。在本文所使用的 Fluent軟件中，通過積分拉氏坐標下的顆粒作用力微分方程來對離散相顆粒的軌道進行求解，顆粒的作用力平衡方程可寫做如下形式（在笛卡爾坐標系x方向）：

其中， ug、 ul分別是連續相氣體和離散相液滴的 速 度 ； ρl、 ρg分 別 為 氣 相 和 液 滴 的 密 度 ；d 為 液滴 粒 徑；Rer為液 滴 的相 對 雷 諾數 ； CD為 曳 力系 數 ，可由下式得到

假定液滴為球形，a1、a2、a3根據相對雷諾數的范圍取不同的值。微分方程右邊第二項為重力作用項，計算時要根據實際情況給定重力加速度的分量。本文將波紋板的氣相流場簡化為二維流場，該項為零。方程第三項為顆粒受力平衡中附加力的合力，比如浮力、溫度梯度力、壓力梯度力、視質量力等。在波紋板的氣液兩相流場中，由于液滴直徑很小（1～ 50μm）且分布稀散，因此，液滴主要受到氣流的曳力作用，而其他力在數量級上與之相比很小，可以忽略不計。

3 波紋板氣液分離的數值模擬計算

因為氣液兩相在波紋板通道內的流動是復雜的三維兩相瞬間過程，由于重力及浮升力垂直于流動方向，且各板之間所形成的通道相同，所以可將幾何模型簡化為二維單通道問題，計算區域由兩塊波紋板組成。其中設定波紋板斜通道的角度為β，計算模型的波紋板角度 β 為 45°，研究對象如圖2所示。

圖2 波紋板單個通道示意圖

為了對波形板的計算模型進行精簡，方便運算，現做出如下假設：

（1）流動的過程視為定常流動，各參數不隨時間變化。

（2）將連續相氣體視為不可壓縮氣體處理，不考慮相變，不考慮相間換熱。

（3）液滴到達壁面即認為被捕集，液滴到達波紋板出口時即認為逃逸。

對于波紋板結構網格的劃分，我們采用結構化網格劃分的方法，通過分析模型的拓撲結構，建立幾何模型與 Block 之間的映射關系，定義拓撲結構的節點單元數目，得到最終的網格。

在對于模型的計算過程，把油氣分離中的伴生氣分為連續相，把原油的液滴分為離散相，這兩者的邊界條件介紹如下：

（1）連續相邊界條件：

介質：伴生氣，密度 0.64861kg/m3，動力學粘度 1.7069×10-5kg/(m?s)。

進口條件：速度入口條件，氣流速度在進口截面均勻分布。

出口條件：壓力出口條件，操作壓力為1.01325×105Pa。

壁面條件：假設波紋板壁面表面粗糙度為零，無熱量交換。

（2）離散相邊界條件：

液 滴 物 性： 原 油， 密 度 0.86t/m3， 動 力 學5.56mPa?S。

進口條件：與連續相相同速度入口條件，氣流速度在進口截面均勻分布。液滴噴射類型為表面surface，在空氣中的體積含量為 0.05%。

壁面條件：選擇捕集 trap 類型，液滴碰到壁面即被捕集，不考慮反彈。

按照上述條件，利用 Fluent進行流場分析，利用離散相模型分析波紋板的氣液分離情況。最終得到結果如圖3所示。圖4表明了在該工況下通過離散相模型計算得到的離散相（油滴）的分布情況，表明了油氣的分離情況。

圖3 流場的速度分布情況

圖3表明了波紋板內部流場的速度分布情況。在圖3中，不同顏色從綠到紅表示內部流場速度的由低到高大小不同。從氣體在波紋板中流動的速度分布情況可以發現，氣體的流速大小和方向在通道內不斷發生改變，在氣體剛進入波紋時速度變化比較緩慢，而經過斜通道時速度明顯增加，并且在截面積開始增大的拐角處速度反而達到最大值，這是因為在斜通道的寬度比較小的原因導致。當氣體重新進入波紋板的直通道的時候，由于寬度變大，導致氣體的速度變小。

圖4 離散相液滴軌跡示意圖

圖4表明了包含在氣體的油滴在進入波紋板之后其濃度的變化情況以及油滴顆粒的運動軌跡。從油滴濃度分布來看，波紋板對天然氣中的油滴有明顯的去除作用，去除過程主要發生在彎道轉角處。在起初的進口階段液滴含量較高，當氣流經過第一個彎通道時，氣流中的油滴和密度大于氣體密度，液滴的相對質量大于氣體，造成油滴離心力較大，使得其在通過彎道撞擊到波形板上，被壁面捕集。通過計算入口液滴數量與出口液滴數量的比值，可以得出該工況下波紋板的分離效率為 97%，表明波紋板的油氣分離效果比較好。

4 波紋板油氣分離器優化設計

在基于以上通過離散相模型仿真計算波紋板油氣分離的基礎之上，通過改變波紋板的結構參數，計算不同結構的波紋板的分離效率，通過對分離效率的比較，探索結構參數變化對分離效率的影響，選擇最優的結構參數，完成對波紋板油氣分離的優化設計。

4.1 波紋板板間寬度對分離效率的影響

設定波紋板的板傾角 β 為 45°，液滴尺寸分布為 10 ～ 30um，入口速度 6m/s和 11m/s，計算該條件下波紋板寬度從 5mm 到 10mm 變化下分離效率的變化情況。得到的結果圖如圖5所示。

圖5 不同寬度對分離效率的影響圖

通過圖5給出的數據分析可以得知，板間距的增大使得分離效率降低。原因主要有兩個：一是板間距的增大使得氣體在通過斜通道時速度方向變化平緩，液滴在轉角處受到的慣性力作用降低；二是板間距的增大使得通道中心的油滴到達波紋板的距離增大，減少了因油滴與波紋板碰撞而被捕捉的幾率。對于外部尺寸確定的分離器而言，波紋板板間距的減小意味著所需的波紋板層數增加，即增加了分離器自身的重量和制造成本，因此，工程實際應用中應該綜合考慮。

4.2 波紋板角度對分離效率的影響

設定波紋板的板間距為 8mm，液滴尺寸分布為10 ～ 30um，入口速度 6m/s和 11m/s，計算該條件下波紋板角度 β 為 35°、45°、55°三個角度分離效率的變化情況。得到的結果圖如圖6所示。

圖6 不同角度對分離效率的影響圖

從圖6的數據可以看到，當氣流速度取相同值時，波紋板傾角β越大，油滴將更容易被波紋板所捕捉，其分離效率也越高。其主要原因是波紋板傾角β越大，使得氣體通過彎角時速度的方向變化非常劇烈，導致氣流中的油滴受到的離心力變大，液滴容易碰撞波紋板壁面而被捕獲。另外，劇烈的氣流方向變化使得其本身的湍流強度也變大，增大了通道中間油滴被捕捉的概率。

5 結語

本文利用流體仿真的離散相模型，分析了長慶油田研制的多功能合一設備波紋板氣液分離元件在不同結構參數下的分離效率。

通過研究發現，板間距的增大使得分離效率降低，而波紋板的傾角越小，也會降低其分離效率，而且分析結果與液滴在波紋板通道中的分離機理得出的結論是一致的。由此證明了離散相模型是一種有效的油氣分離仿真手段，達到了結構優化設計的目的。

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