一種油水分離聚結構件結構數(shù)值分析

趙雪峰

大慶油田有限責任公司, 黑龍江 大慶 163453

0 前言

中國高含水老油田儲量已達到230×108t,年產(chǎn)量1.34×108t,占全國原油產(chǎn)量的70%以上,是石油儲量和產(chǎn)量的主體。隨著油井采出液含水量的升高,高含水老油田地面處理系統(tǒng)油水分離設備負擔不斷增加,擴增設備投資過高，工程建設周期過長,如果能夠通過改造在用設備來提高設備油水分離效率和處理能力,將是既省錢、又見效快的途徑。中國油田在用的三相分離器、游離水脫除器等油水分離設備都屬于重力式油水分離器,該類型油水分離器通常包括入口構件、穩(wěn)流構件、聚結構件三部分結構,其中,聚結構件是影響油水分離效率的主要因素。從實際使用經(jīng)驗上看,板式聚結構件不僅可以顯著提高油水兩相的分離效果,而且占據(jù)設備的有效分離體積極小[1]。不同類型的板層具有不同的效果特點,若逐一開展試驗,研究費用過高、周期過長,無法滿足生產(chǎn)需要[2-9]。近年來,計算流體力學已經(jīng)成為工程設計中的重要工具,同時也成為很多學科中的科研方法[10-20]。因此,本文通過對一種油水分離裝置聚結構件不同結構形式進行數(shù)值模擬計算,并對計算結果進行對比分析,最終確定聚結構件結構,并加工制造開展現(xiàn)場試驗,應用效果良好。

1 模型油水分離裝置幾何結構和計算參數(shù)

為了滿足高含水老油田采出液大處理量要求,在用油水分離設備尺寸巨大(如Ф 2.0 m×20 m游離水脫除器),如果直接采取計算流體力學方法對其內部流場進行數(shù)值計算,計算量大,無法實現(xiàn)精細數(shù)值模擬。為了實現(xiàn)精細數(shù)值模擬,按照實際設備尺寸進行了比例縮小,實現(xiàn)模型油水分離裝置內部工況與生產(chǎn)工況一致。模型油水分離油水分離裝置結構見圖1,尺寸為Φ 0.3 m×1.8 m,介質停留時間、進出口流速等運行參數(shù)都與生產(chǎn)工況一致。模型裝置主要有三方面結構特征:一是模型油水分離裝置傾角可調節(jié),有9°、12°、15°三種傾角;二是內置斜板式聚結構件,斜板角度可調節(jié),有9°、12°、15°三種斜板角度;三是斜板有無折邊、帶折邊、帶折邊+L槽三種結構。本文分別針對這三方面結構特征開展數(shù)值分析,給出最佳聚結構件結構,指導工程設計,提高油水分離設備處理效率,為油田開發(fā)降本增效提供技術支持。四種典型聚結構件截面見圖2。

圖1 模型油水分離裝置結構圖

a)9°帶折邊

當介質含水量太高時,由于油相很少,斜板內部的油水分離效果不是很清晰,因此模擬計算介質含水率取50%,在數(shù)值模擬計算結果中可以清晰地看出導油槽、折邊對油水分離效果的影響。其他介質條件:介質溫度40 ℃、油密度860.0 kg/m3、水密度992.2 kg/m3、油黏度35 mPa·s、水黏度0.656 mPa·s等。壓力邊界條件取進口壓力0.2 MPa，介質流量取1 m3/h和3 m3/h兩種。

2 聚結構件數(shù)值分析

油水分離器包括入口構件、穩(wěn)流構件、聚結構件等三部分，結構十分復雜。為了提高計算效率,對內部結構進行了簡化:本文主要考慮不同聚結構件對油水分離效果的影響,因此可忽略入口構件、內部支撐構件等;油水分離器采用了穩(wěn)流構件,可忽略來液量波動。利用通用流體模擬計算軟件Cfdesign分別對不同油水分離裝置傾角、不同斜板角度、不同斜板結構情況下的介質流動和油水分離效果進行數(shù)值模擬計算,并對計算結果進行數(shù)值分析。

2.1 計算幾何模型和數(shù)學模型的建立

為提升計算精度及效率,計算網(wǎng)格全部為map網(wǎng)格，計算網(wǎng)格總數(shù)900 000以上。求解器:應用基于壓力的非定常隱式算法求解方法;湍流模型:應用k-ε兩方程RNG湍流模型;多相流模型:應用包含隱式體積力格式的VOF模型;油水分離器入口邊界條件:速度入口(VELOCITY_INLET);油水分離器油液出口邊界條件:流動出口(OUTFLOW);壓力速度耦合求解算法:PISO算法;描述流體運動的方程包含連續(xù)性方程、動量方程、能量方程,湍流模型應用k-ε兩方程RNG湍流模型。計算內流場三維實體圖和網(wǎng)格劃分情況見圖3。

a)三維實體圖

式(1)中第一個為連續(xù)性方程，第二、三、四個是動量方程,第五個是質量方程。

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;V為流體的速度矢量,m/s;T為溫度,K;u,v,w分別為x,y,z三個坐標方向上的速度分量,m/s;x,y,z為直角坐標系下的三個方向坐標,m;k為導熱系數(shù),W/(m·K);cp為定壓比熱容,J/(kg·K)；t為時間，s。

k-ε兩方程RNG湍流模型如下:

Gb-ρε-YM

(2)

(3)

2.2 分離設備傾角對分離效果影響的數(shù)值分析

油田生產(chǎn)實際中的油水分離設備通常長度超過20 m，充滿液體后重量很大,如果設備傾角過高,支撐非常困難,經(jīng)過結構分析,傾角不宜超過15°,因此選取9°、12°、15°三種傾角開展數(shù)值模擬計算。分離設備不同傾角三維實體圖見圖4。裝置內置式聚結構件,斜板角度9°、12°、15°,斜板為帶折邊無L槽結構。

a)9°

1)裝置處理油水混合介質流量1 m3/h時,三種傾角油水分離數(shù)值計算結果見圖5(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表1。

表1 處理量1 m3/h時不同傾角分離設備油水分離數(shù)值計算結果表

a)9°

2)裝置處理油水混合介質流量3 m3/h時,三種傾角油水分離數(shù)值計算結果見圖6(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表2。

a)9°

表2 處理量3 m3/h時不同傾角分離設備油水分離數(shù)值計算結果表

3)根據(jù)上述計算結果,繪制不同傾角角度與出水口油相比例關系曲線見圖7。從圖7可見，隨著傾角角度增加,出水含油量單調減小;在1 m3/h較低入口流量下,12°和15°傾角角度對出水含油量的影響不顯著;在3 m3/h較高入口流量下,傾角角度的增加可以顯著降低出水含油量,但是出水含油量整體過高,分離效果較差。

圖7 不同傾角角度與水出口油相比例關系曲線圖

2.3 斜板式聚結構件斜板角度對油水分離效果影響的數(shù)值分析

板式聚結構件提高油水分離效果,主要依靠淺池原理,如是斜板效果更好,因此選取9°、12°、15°斜板角度開展數(shù)值模擬計算。油水分離設備傾角為9°、12°、15°,斜板為帶折邊無L槽結構。不同斜板角度截面圖見圖8。

a)9°

1)裝置處理油水混合介質流量1 m3/h時,三種斜板角度油水分離數(shù)值計算結果見圖9(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表3。

表3 處理量1 m3/h時不同斜板角度分離設備油水分離數(shù)值計算結果表

a)9°

2)裝置處理油水混合介質流量3 m3/h時,三種斜板角度油水分離數(shù)值計算結果見圖10(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表4。

表4 處理量3 m3/h時不同斜板角度分離設備油水分離數(shù)值計算結果表

a)9°

3)根據(jù)上述計算結果,繪制不同斜板角度與出水口油相比例關系曲線見圖11。從圖11可見，隨著斜板角度增加,出水口油相比單調增大;在1 m3/h較低入口流量下,斜板角度對出水口油相比的影響不顯著;在 3 m3/h 較高入口流量下,斜板角度對出水口油相比的影響顯著增加,但出水含油量整體過高,分離效果較差。

圖11 不同斜板角度與水出口油相比例關系曲線圖

2.4 聚結構件結構對油水分離效果影響分析數(shù)值

板式聚結構件結構是直接影響油水分離效果的主要因素之一,經(jīng)過分析,針對無折邊、帶折邊、帶折邊+L槽三種結構開展數(shù)值模擬計算。分離設備傾角為12°,斜板角度為12°。不同聚結構件結構截面圖見圖12。

a)無折邊

1)裝置處理油水混合介質流量1 m3/h時,三種聚結構件結構油水分離數(shù)值計算結果見圖13(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表5。

表5 處理量1 m3/h時不同聚結構件結構分離設備油水分離數(shù)值計算結果表

a)無折邊

2)裝置處理油水混合介質流量3 m3/h時,三種聚結構件結構油水分離數(shù)值計算結果見圖14(圖中紅色為油相,藍色為水相)和表6。

表6 處理量3 m3/h時不同聚結構件結構分離設備油水分離數(shù)值計算結果表

a)無折邊

3)根據(jù)上述計算結果,繪制不同聚結構件結構與出水口油相比關系曲線，見圖15。從圖15可見，折邊對出水口油相比的影響較大;從機理分析上,折邊的存在抑制了混合液在周向的流動,使油水分離更加充分;L槽對降低出水含油量效果明顯,但在1 m3/h較低入口流量下,作用不顯著;在3 m3/h較高入口流量下,L槽可以有效降低出水含油量,但是出水含油量整體過高,分離效果較差。

圖15 不同聚結構件結構與水出口油相比例關系曲線圖

2.5 數(shù)值分析結論

1)分離裝置在介質流量為1 m3/h時(停留時間 8 min),油水分離效果較好。

2)隨著分離裝置傾角角度的增加,出水含油量單調減小;介質流量小于1 m3/h(停留時間大于8 min),傾角超過12°時對分離效果影響較小。

3)隨著斜板角度的增加,出水含油量單調增大;介質流量小于1 m3/h時(停留時間大于8 min),斜板角度對分離效果影響較小。

4)斜板折邊對出水含油量的影響較大。

5)L槽在較高流量下對降低出水含油量效果明顯;介質流量小于1 m3/h時(停留時間大于8 min),L槽對分離效果影響較小[10]。

3 新型油水分離設備現(xiàn)場試驗

根據(jù)油水分離設備傾角、板式聚結構件結構對油水分離效果的數(shù)值分析結果,研制出全新結構的Ф 2.0 m×20 m新型高效游離水脫除器,設備處理量依據(jù)模擬分離裝置介質流量為1 m3/h時的停留時間設計。根據(jù)數(shù)值分析結果,該設備主體容器選取傾角12°,內置多層斜板式聚結構件,斜板角度12°,斜板帶折邊,為了排泥方便斜板帶L槽,見圖16。新型油水分離設備現(xiàn)場照片見圖17。

圖16 內部聚結構件截面圖

圖17 新型油水分離設備現(xiàn)場照片

為了試驗新型油水分離設備分離效果,開展了與常規(guī)設備現(xiàn)場比對的試驗,試驗結果見表7。在進液含水率為91.2%、處理液量為7 400～11 200 t/d、溫度為38 ℃、破乳劑加藥量為10 mg/L、脫后油和水的質量指標相近的條件下,Ф 2.0 m×20 m新型油水分離設備比Ф 4.0 m×20 m 常規(guī)油水分離設備的處理時間縮短22.2～34.4 min,油水分離效率提高了2.7～2.8倍。

表7 兩種油水分離設備對比試驗數(shù)據(jù)表

4 結論

1)通過對油水分離設備傾角、斜板式聚結構件角度和結構進行數(shù)值分析,確定介質停留時間8 min以上,傾角超過12°時分離效果影響較小;斜板角度對分離效果影響較小;L槽對分離效果影響較小。

2)依據(jù)數(shù)值分析結果,研制了新型油水分離器,現(xiàn)場比對試驗顯示,新型油水分離器的油水分離效率提高了2.7～2.8倍。