U型管油水分離特性及影響研究

顧中浩，胡 坤，徐鵬旭，何歡歡，付必偉

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

管道式油水分離技術(shù)是未來(lái)油田開(kāi)發(fā)中油水分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1]，它不但能有效地節(jié)省產(chǎn)液處理設(shè)備的占地空間，極大地節(jié)省油田開(kāi)發(fā)投資，提高生產(chǎn)效率，而且可突破海上采油平臺(tái)和采油井井底的空間限制及深海海底的水壓限制，解決井底和深海水下油水分離的難題[2-3]。管式是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的分離裝置，其由一系列同徑的管道相互連接而成，可以方便地布置在海洋平臺(tái)上[4-5]。因此，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效的管式結(jié)構(gòu)，有助于提高海洋平臺(tái)油水分離能力，極大地提高了產(chǎn)油效率[6]。目前，管道式油水分離技術(shù)的研究主要集中在T型分岔管的研究上[7]，Hong[8]采用水平布置的等徑T型分岔管路，在波浪狀和環(huán)狀流型下，發(fā)現(xiàn)隨著氣相速度的增加或者液相速度的減小，進(jìn)入分支管路內(nèi)的液相比例逐漸增大；Azzopadi等[9]研究了入口管路內(nèi)氣液兩相流型對(duì)相分配的影響，包括環(huán)狀流型、塊狀流型和泡狀流型，發(fā)現(xiàn)分岔接頭處的相分配不均現(xiàn)象對(duì)氣液兩相流型非常敏感；Buell等[10]研究了低壓下入口流型對(duì)相分配的影響，發(fā)現(xiàn)隨著液相速度的增大，越來(lái)越多的氣相將進(jìn)入分支管；楊利民等[11]設(shè)計(jì)了一種新型T型管，并采用實(shí)驗(yàn)方式研究了新型T型管分離效率；蒙偉安等[12]采用計(jì)算流體力學(xué)的多相流數(shù)值計(jì)算方法，比較了混合多相流與歐拉多相流在計(jì)算T型管內(nèi)部流場(chǎng)中的差異；王來(lái)順等[13]利用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬了水平主管內(nèi)為泡狀流時(shí)兩相流經(jīng)支管時(shí)的分離情況。以上研究多對(duì)T型管進(jìn)行研究，但T型管分離效率偏低[14]，針對(duì)此問(wèn)題，文章提出一種新型管式分離結(jié)構(gòu)——U型管油水分離裝置，采用基于CFD(computational fluid dynamics)商業(yè)開(kāi)發(fā)軟件Fluent定量研究各種外部參數(shù)對(duì)U型管油水分離性能的影響，以便為油水分離型U型管設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

單個(gè)油水分離U型管模型如圖1所示，支管與主管相切，支管的位置根據(jù)α角確定；主管和支管的內(nèi)徑均為D=0.04 m，主管長(zhǎng)度L1=0.9 m，U型管旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4 m，管道壁厚1 mm,重力方向和Y軸相反，豎直向下。采用ICEM CFD軟件對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格離散，劃分網(wǎng)格并對(duì)主管和支管接口處進(jìn)行局部加密。油水混合物從主管入口流入管道，在U型管流動(dòng)過(guò)程中油水兩相受重力和離心力的作用，密度較大的水相向U型管外側(cè)移動(dòng)，沿支管出口1流出，密度較小的油相向U型管內(nèi)側(cè)移動(dòng)，沿主管出口2流出，達(dá)到分離效果。

圖1 油水分離U型管模型Fig. 1 Oil-water separation U-tube model

1.2 邊界條件

根據(jù)Trallero等[15]繪制的水平管路油水兩相流程圖，油水混合物在管中是分層流動(dòng)的，所以采用速度入口；出口采用壓力出口邊界，出口壓力為大氣壓；計(jì)算域壁面邊界采用壁面無(wú)滑移條件；U型管內(nèi)油水混合物壓縮性較小，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，因此可視作穩(wěn)定不可壓縮兩相湍流；油水混合物μm(混合物粘度)不發(fā)生變化，所以研究的流體為牛頓流體。混合液油相和水相的物性參數(shù)分別為：油相密度780 kg/m3，動(dòng)力粘度0.106 Pa·s；水相密度998 kg/m3，動(dòng)力粘度0.001 Pa·s。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型

U型管內(nèi)涉及到油水混合物的分離，多相流計(jì)算采用Mixture模型，該模型可用于計(jì)算各相速度相同的流動(dòng)問(wèn)題，湍流模型選擇Realizable k-epsilon模型，可對(duì)分層流的湍流特性進(jìn)行很好的計(jì)算。

U型管內(nèi)流動(dòng)控制方程包括連續(xù)方程與動(dòng)量方程為

連續(xù)方程

(1)

(2)

(3)

動(dòng)量方程

(4)

式中：f為質(zhì)量力；ρm為混合相密度，kg/m3；p為壓強(qiáng)梯度；2為拉普拉斯算子；μm為混合粘度，Pa·s，為

(5)

(6)

其中

f=-∏，

(7)

其中，∏為力勢(shì)函數(shù)。對(duì)于重力場(chǎng)，則有

∏=gz。

(8)

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為保證CFD數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)值解收斂于物理解，需要對(duì)網(wǎng)格的依賴(lài)性進(jìn)行驗(yàn)證。為此分別劃分3萬(wàn)、8萬(wàn)、14萬(wàn)、25萬(wàn)4種不同數(shù)量的網(wǎng)格，對(duì)U型管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，比較主管出口2油相平均質(zhì)量流量及CPU耗時(shí)，如表1所示。

表1 不同密度網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparison of different density grid calculation results

如表1所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為8萬(wàn)、14萬(wàn)和25萬(wàn)時(shí)，主管油相平均質(zhì)量流量基本保持穩(wěn)定，而網(wǎng)格數(shù)為3萬(wàn)計(jì)算結(jié)果則誤差較大。從計(jì)算時(shí)間上考慮，選擇數(shù)量8萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算比較合理。因此，本次研究U形管模型的網(wǎng)格數(shù)采用8萬(wàn)。

1.5 分離效率的計(jì)算

油水分離裝置，一般其分離效率為油相出口的油相質(zhì)量流量與入口的油相質(zhì)量流量的比值，為

2 U型管流動(dòng)特性分析

圖2為U型管內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布。從圖2中可以看出，油水混合物進(jìn)入U(xiǎn)型管后，在主管水平段內(nèi)，由于油和水的密度不同，油相密度小于水相密度，并且油和水不相容，使得混合物逐漸分層，密度較小的油相逐漸上浮，水相在下面；隨著混合物繼續(xù)流動(dòng)，在主管圓弧段水相和油相由于密度不同，在相同的速度下所產(chǎn)生的離心力不同，密度較大的水受到的離心力較大，逐漸向主管圓弧段的外側(cè)移動(dòng)，最終由支管出口1流出；密度較小的油相在主管圓弧段內(nèi)側(cè)，由主管出口2流出，達(dá)到分離效果。

圖2 U型管內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)Fig. 2 Oil phase volume fraction in U-tube

3 U型管分離效率影響因素分析

3.1 U型管和T型管分離效率比較

在相同的油滴粒徑和入口含油率情況下，U型管和T型管分離效率如表2所示。

表2 U型管和T型管分離效率Table 2 U-tube and T-tube separation efficiency

從表2可以看出，U型管分離效率與T型管相比，有了較大的提高，為進(jìn)一步提高U型管的分離效率，展開(kāi)了U型管關(guān)鍵參數(shù)對(duì)分離效率的影響。

3.2 入口速度對(duì)分離效率的影響

研究U型管入口速度對(duì)其分離效率的影響，分別研究速度為v=0.5，1，1.5，2，2.5，3 m/s，假設(shè)入口含油率均勻分布，旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4，α=45°，入口含油率為30%，油滴粒徑d=1 mm時(shí)的分離效率，得到U型管分離效率隨入口速度變化曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，U型管的分離效率η隨入口混合物速度的增大而降低。隨著入口速度的增大，油水混合物受到的離心力也越大，但是在入口含油率一定的情況下，隨著入口速度的增大，其混合物攜帶的油相質(zhì)量流量也隨之增大，從而有更多的油相從支管出口流出，導(dǎo)致分離效率的下降。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中，應(yīng)適當(dāng)控制U型管的入口速度，避免其分離性能由于過(guò)大的速度而降低，但入口速度不能過(guò)小，因?yàn)槿肟谒俣忍〉脑挘幚砹烤蜁?huì)下降，增加時(shí)間成本。

3.3 入口含油率對(duì)分離效率的影響

研究U型管入口含油率對(duì)其分離效率的影響，分別研究入口含油率分別為10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，假設(shè)入口含油率均勻分布，速度為v=1.5 m/s，旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4，α=45°，油滴粒徑d=1 mm情況下U型管的分離效率，得到U型管分離效率隨入口含油率變化曲線如圖4所示。

圖3 分離效率隨入口速度變化曲線Fig. 3 Separation efficiency as a function of inlet velocity

圖4 分離效率隨含油率變化曲線Fig. 4 Separation efficiency with oil content curve

從圖4中分析可知，U型管的分離效率η隨入口混合物含油率的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)，存在最優(yōu)含油率，在0.3～0.5之間，U型管有最佳的分離效率，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，U型管適用于含油率中等偏下的分離場(chǎng)合。對(duì)于這種變化趨勢(shì)是由于當(dāng)油水混合物經(jīng)過(guò)主管圓弧段時(shí)，油相由于動(dòng)量較低且通常分布在管路內(nèi)側(cè)，更容易通過(guò)主管出口流出，但是由于入口混合物含油率的增加，從支管流出的混合物中含有較多的油相，從而間接減少了主管出口流出的油相，降低了其分離效率。

3.4 旋轉(zhuǎn)半徑對(duì)分離效率的影響

研究U型管旋轉(zhuǎn)半徑R對(duì)其分離性能的影響，在入口速度為v=1.5 m/s，含油率0.3，α=45°, 假設(shè)入口含油率均勻分布，油滴粒徑d=1 mm的情況下分別研究旋轉(zhuǎn)半徑R=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 m時(shí)U型管的分離效率，得到分離效率吧與旋轉(zhuǎn)半徑R之間的關(guān)系如圖5所示。

從圖5中分離效率可見(jiàn)，隨著旋轉(zhuǎn)半徑R的逐漸增大，U型管的分離效率η隨之增大，這是由于隨著R的增大，當(dāng)入口混合物質(zhì)量流量一定時(shí)，油相受到的離心力逐漸減小，更多的油相匯集到管路內(nèi)側(cè)，使得從主管出口流出的油相質(zhì)量流量增加，但當(dāng)R增大到0.6 m 時(shí)，U型管的分離效率η僅增加了0.1%，因此，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，不可以盲目地增大U型管的旋轉(zhuǎn)半徑R。

3.5 油滴粒徑的影響

研究油滴粒徑分別為d=0.1，0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm，入口速度v=1.5 m/s, 假設(shè)入口含油率均勻分布，含油率0.3，α=45°，旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4 m時(shí)U型管的分離效率，得到分離效率與油滴粒徑關(guān)系如圖6所示。

圖5 分離效率隨旋轉(zhuǎn)半徑變化曲線Fig. 5 Separation efficiency as a function of radius of rotation

圖6 分離效率隨油滴粒徑變化曲線Fig. 6 Separation efficiency with oil droplet size variation curve

4 結(jié) 論

文中利用Fluent軟件對(duì)U型管油水分離裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，討論了入口速度、入口含油率、旋轉(zhuǎn)半徑、油滴粒徑等4種因素對(duì)U型管分離效率的影響，得到了以下結(jié)論：

1)在U型管主管水平段油水混合物由于重力作用，存在油相聚集現(xiàn)象，在圓弧段由于油相和水相的密度不同，因此所受到的離心力不同，水相向管道外側(cè)移動(dòng)，油相向管道內(nèi)側(cè)移動(dòng)，提高了油水兩相的分離效果；

2)入口速度對(duì)U型管的分離效率影響很大，隨著入口速度的增大，U型管的分離效率大幅度減小。因此，U型管適合入口速度較低的油水混合物的分離；

3)U型管的旋轉(zhuǎn)半徑對(duì)分離效率有較大的影響，但當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑增大到0.6 m 時(shí)，分離效率不在顯著提高，在工程運(yùn)用中，應(yīng)該適度增大U型管的旋轉(zhuǎn)半徑，以免造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；

4)U型管的分離效率隨著油滴粒徑的增大逐漸提高，說(shuō)明U型管對(duì)大粒徑的油水混合物分離效果較好；

5)入口含油率對(duì)U型管的分離效率影響不大，但存在一個(gè)最優(yōu)含油率，使分離效率最高。