基于JAVA的動態重力式油氣水三相分離器仿真模擬

李 喆 王順森

（西安交通大學能源與動力工程學院）

近年來，我國絕大多數油田進入開采的中后期，油田采出液的含水率不低于90%［1］，過高的含水率會帶來許多連鎖反應。 首先，高含水率意味著更高的分離處理難度，使得地面油氣集輸和處理壓力驟升，處理系統中很多環節的儀器超負荷運行，給生產帶來嚴重的安全隱患［2］，導致處理效率大幅降低。其中，油氣水三相分離器受到的干擾最為顯著［3］。 過高的含水率使得經過三相分離器處理得到的油品含水率偏高， 外排污水的含油率偏高甚至不滿足排放標準， 同時造成加熱爐的能耗驟升［4～6］。 除此之外，原油含水率的升高還會使原油處理流程比正常流程更長、相關設備也更多，最重要的是能耗升高導致投資更大， 極大地影響油田的整體經濟效益。筆者通過建立數學模型，編程模擬計算，得到各因素對分離效率的影響［7～9］，將模擬仿真結果與現場實際情況相結合， 實時監控相關設備的運行情況，進而提高運行效率，降低能耗，提高經濟效益，對于油田礦藏的開發、油氣田集輸的節能降耗及油氣集輸工序仿真等方面的研究和工業推廣應用具有重要意義。

1 動態重力式三相分離器模型

1.1 分離器模型

在動態重力式三相分離器模型中，考慮了不同粒徑級別的分散相顆粒的靜態分布。 初始時刻， 所有的分散相水滴均勻分布于整個油層，所有的分散相油滴均勻分布于整個水層。 將整個分離器模型劃分為小的控制體，其中橫向劃分為Nx個區域， 油層和水層豎直方向分別劃分為No、Nw個區域，油層和水層共有（No+Nw）Nx個小控制體。將控制體積內液滴的橫向停留時間和垂直停留時間進行比較，分散相顆粒在控制體內的垂直位置決定了液滴是進入到它的連續相還是繼續以分散相形式橫向移動。

此外，在模型中的水層和油層之間添加了一層稱為致密填充層或乳狀液層的額外層［10］。 在某些情況下，由于某些化學物質（如某些原油中的瀝青質）的表面特性阻礙了分離過程，導致這一層的產生。

筆者以一種簡化的方法建立重力式三相分離器動力學模型，該模型可以動態描述各控制體的分離效率。

1.2 控制體劃分

將模型主要劃分為兩個大的區域：一個是入口區，假設在分離器入口區域發生了混合多相流的初始瞬時完全分離， 如圖1中斜向上花磚圖案的區域所示；另一個是主要分離區，將主要分離區劃分為以（i，j）為索引的小控制體。

圖1 三相分離器控制體劃分

pg——分離器中的氣相壓力，Pa；

Vg——分離器中的氣相體積，m3

1.3 模型構建

1.3.1 油、水層橫向流量

由于體積流動而產生的分散相顆粒的流動稱為對流，由浮力參與驅動產生的分散相顆粒流動稱為非對流，每個控制體對應的具體流動如圖2所示，其中對流用黃色表示，水滴非對流運動用綠色表示，油滴非對流運動用紅色表示。

圖2 分離器模型中小控制體的流動情況

1.3.2 油、水層分散相顆粒運動速度

分散相顆粒的沉降或浮升速度vy按照流態區域來選取相應公式計算［5］。

層流區，斯托克斯公式：

過渡區與湍流區之間的臨界直徑d2計算式為：

1.3.3 液滴數密度

數密度是指單位體積內某種粒子或者物質的數量［6］。 模型中考慮了f類液滴，液滴種類用序號k來標識，第k類液滴單個顆粒的體積Vk計算式為：式中 dk——第k類液滴的直徑，m。

在已知油層含水率的情況下， 第k類水滴所占百分比WCk計算式為：

式中 WC——初始入口油層含水率；

Ψk——第k類水滴占總水滴數的百分比。在已知水層含油率的情況下， 第k類油滴所占百分比OCk為：

式中 OC——入口水層含油率；

ωk——第k類油滴占總油滴數的百分比。流入整個油相的第k類水滴顆粒個數Nw，k的計算式為：

式中 Vw，k——第k類水滴的單個體積，m3。

流入整個水相的第k類油滴顆粒個數No，k的計算式為：

式中 Vo，k——第k類油滴的單個體積，m3。

具體流入油相每層的水滴數目可以用水滴總數目乘以該層控制體橫截面積所占比例得到，流入每層水相控制體中的油滴數目計算方式同理。

1.3.4 油位、水位、壓力控制方程

1.3.4.1 油位

根據三相分離器的半徑、長度、油層體積、水層體積、進液量、出油口流量和出水口流量，得到［7～10］：

1.3.4.2 水位

用類似推導油位方程的方法可以推導得到水位方程［11～14］。 水層體積隨時間的變化率為：

1.3.5 分散相的質量平衡

任意控制體（i，j）中t+1時刻第k類分散相顆粒的數密度等于控制體（i，j）中t時刻的第k類分散相顆粒的數密度加上控制體（i，j）中第k類分散相顆粒的數密度的變化值［18～20］，計算式為：

1.3.6 各區域控制體的質量平衡方程

將流動規律變化相同的網格劃分為一個區域， 分離器模型中的網格控制體大致可以分為8個區域（圖3），可分別得到每個網格控制體的質量平衡方程。

圖3 具有不同方程組的控制體的區域劃分

1.3.7 分離效率

控制體（Nx-1，1）中的含油率即為三相分離器外排污水中的含油率；控制體（Nx，1）中的含水率即為三相分離器處理后所得油品的含水率。t時刻 外 排 污 水 含 油 率OC（Nx-1，1），t和t時 刻 出 油 口 含 水率WC（Nx，1），t的計算式分別為：

2 模型結果與討論

利用JAVA語言對模型進行編程計算，在已知分離器尺寸、 入口含水率及流量等變量的基礎上，對分離器油位、水位、分離效率進行模擬檢測。

2.1 分離器基礎參數設置

三相分離器的基礎參數如下：

分離器長度L 1.4 m

分離器直徑D 0.76 m

油相密度ρo925.6 kg/m3

油相粘度μo24.100 mPa·s

水相密度ρw998.2 kg/m3

水相粘度μw1.003 mPa·s

流量Q 2 m3/h

分散相顆粒粒徑d 0～300 μm

流入分離器的油水混合液的含水率εin0.3

滯留因數α 0.5

進入連續水層的水所占的比例γw0.602 039

進入連續油層的油所占的比例γo0.999 950

2.2 分離器仿真

設置三相分離器的參數后，基于JAVA輸入參數對三相分離器的運行情況進行模擬，經過充裝以后最終水相液位穩定在0.4 m處，堰板前油相液位穩定在0.8 m 處，堰板后方油品高度穩定在0.4 m處（圖4）。 由圖5可以看出，出油口含水率初始迅速從零升高，最終穩定在0.063，出水口污水含油率則穩定在37.78ppm（1ppm=10-6）。該三相分離器模型計算結果符合工程實際情況。

圖4 油/水相液位高度隨時間的變化曲線

圖5 三相分離器的分離效率

3 結論

3.1 建立了一種動態重力式三相分離器模型，并利用JAVA語言編程對該分離器進行了模擬仿真計算。

3.2 仿真得到三相分離器充裝過程中油位、水位、壓力等參數隨時間的變化趨勢，并得到三相分離器出油口含水率和外排污水含油率。 結果證明該分離器模型的可行性和準確性，符合工程實際。