摇摆条件下重力油水分离器的性能研究*

侯 健 俞接成 吴立志

(1.北京化工大学；2.北京石油化工学院)

重力分离器是一种利用重力对互不相溶、存在密度差的不同种流体进行分离的一种设备，广泛应用于石油、化工等行业。重力式油水分离设备是油田地面工程中应用最广、最基本也是最重要的工艺设备之一[1]。随着石油开采向近海和远海的延伸，新问题也随之出现，首先是海上采油浮动平台对体积的要求，重力油水分离器的体积通常较大，根据处理量的不同，有的重力油水分离器长达十多米，海上采油平台的建造成本与平台面积成正比[2]。相对于陆地油田，海上采油平台对空间有着严格的要求，因此必须开发高效、小型化的重力油水分离器；另外，海上采油浮动平台受波浪、海风及水流等因素的影响常处于摇晃状态，还需要分析在这些外力作用下产生的晃动对油水分离器分离性能的影响。用于海洋采油平台或海底水下生产系统的分离器，应具有结构简单、高效紧凑、安全可靠、容易安装及维护等特点[3]。

由于影响油水分离过程和效果因素的多样性和复杂性，很难通过理论方法给出较为精确的结果，而单纯通过试验手段则缺乏对初始设计的指导性，还要面临成本等方面的压力。随着数值模拟技术的发展，数值方法已逐渐应用于多相流动的研究之中。数值模拟比试验的方法周期短、成本低，而且能够刻画流动的细节[4]。近年来，多相流理论和计算机技术的迅速发展极大地推动了分离器的理论研究。

大量的研究者借助于CFD手段对油水重力分离器的性能和内部构件对其分离性能的影响进行了研究。蔡飞超等建立了油水两相分离的数值模型，对油水重力分离器的前半段建立了简化模型，研究了流场流动和分离特性，并进一步分析了进口速度、油滴直径对流动和分离的影响[5]；Derek W等运用PHOENICS V1.5软件，采用k-ε模型，把油水重力分离器简化为二维模型，对其进行了模拟并将结果与试验测量结果进行了比较，两者之间吻合良好[6]；刘洪河通过应用Fluent软件模拟了不同油滴粒径下油水混合物的分离情况，得到了新型油水分离器的适用范围和分离效率[7]；吕宇玲等应用Fluent软件的标准k-ε模型和多相混合模型，对重力式油水分离器的流场进行了三维数值模拟，得到含有两种不同入口构件、4种不同整流构件和6种不同聚结构件的分离器内部速度矢量和流场，分析并比较了不同构件的分离特性[4]。

尽管有众多研究者采用数值手段对重力油水分离器进行了数值模拟，但所研究的重力分离器均为固定情况，对因海浪等作用而处于摇摆情况下的重力油水分离器的数值研究尚未见有相关文献报道。笔者将通过Fluent软件，借助于用户自定义函数(UDF)对处于摇摆情况下的重力油水分离器进行数值模拟，分析摇摆参数(如频率、摇摆幅度等)对其分离性能的影响[8～10]。

1 计算模型

1.1 几何模型

所模拟的重力油水分离器总长为2 000mm、内径376mm、混合液入口内径32mm，水出口和油出口内径均为20mm，分离器包括入口段、整流段、聚结段、重力沉降分离段和出口段5部分，其结构和主要尺寸如图1、2所示。

图1 重力油水分离器三维结构示意图

图2 重力油水分离器尺寸简图

1.2 网格划分

笔者应用Gambit软件进行几何建模和网格划分，为确保所划分的网格为高精度的结构化六边形网格单元，将重力分离器的入口和两个出口分别简化为32mm×32mm和20mm×20mm的方管。在建模时，首先绘制其横截面并完成网格划分，按图2所示的尺寸做出多条沿轴向线段并设置轴向的网格间距，然后以带网格拉伸方式将已划分网格的横截面沿轴向线段进行拉伸。最后指定进口、出口、壁面、整流板和聚结板等边界条件区域，共划分1 893 496个网格单元。划分完毕的重力分离器的网格如图3所示。

图3 油水分离器建模及网格划分

1.3 计算模型及边界条件

采用Fluent软件进行模拟，油水混合物为湍流流动，选用标准k-ε湍流模型。油水混合物选用MIXTURE模型。水为主相、油为离散相，设油相体积分数为20%。油水混合物中的油相和水相分别采用Fluent流体介质库中的煤油和水，其物性参数分别为：煤油的密度为780kg/m3，粘度系数为2.400mPa·s；水的密度为998.2 kg/m3，粘度系数为1.003mPa·s。油水混合物的进口为速度入口边界条件，油相和水相出口条件均设置为outflow出口。选用的离散格式为压力-速度耦合，计算选用SIMPLEC算法, 压力计算选用标准格式，其他均选用QUICK格式。

1.4 模拟方案

在模拟时，首先模拟装置静止时的油水分离情况，其中，煤油粒径考虑了200、300μm两种情况，入口速度分别考虑1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m/s共5种情况，具体方案见表1。

表1 装置静止时的模拟方案

在对装置静止情况下的油水分离情况完成模拟的基础上，再对装置在摇摆情况下的油水分离性能进行模拟。作为对装置在摆动情况下进行模拟的初步尝试，主要模拟了装置在水平正弦运动时的摇摆的频率和振幅对油水分离的影响，摇摆频率可以以摇摆周期形式进行计算。摇摆周期考虑了1.25、2.50、3.75、5.00、6.25s共5种情况，摇摆振幅考虑了0.2π、0.4π、0.6π、0.8π、1.0πm共5种情况，采用Fluent软件提供的用户自定义函数(UDF)功能，编写壁面摇摆的函数并进行编译，然后将装置的壁面定义为振动壁面并进行模拟，具体方案见表2。

表2 装置水平摇摆时的模拟方案

2 计算结果分析

2.1 稳态模拟结果

油水分离器在稳态时(油滴粒径300μm，入口速度1.0m/s)的油相体积分数云图如图4所示，分离器上层为油相，下层为水相，中间区域为含不同油相体积分数的油水混合区域，分离效果良好，右下端油出口基本全部为油，水出口基本不含油，油水混合物基本接近100%分离。图5所示为稳态方案①～⑩下，两种不同油滴直径的混合物在不同入口速度情况下的油水分离情况，从图5可以看出，在相同油滴粒径时，除油率随入口流速的增大而减小；相同入口速度、不同油滴粒径(300、200μm)时，油滴粒径大的除油率相对较高。混合液入口速度1.0m/s，油滴粒径300μm时分离效果最好。

图4 稳态作用下分离器油相体积分数

图5 油滴粒径和入口速度对油水分离的影响

2.2 摇摆情况下的模拟结果

图6为相同摇摆振幅(0.4πm)、不同摇摆周期下分离器分离后的油相体积分数的对比，从图6可以看出，摇摆频率较低(周期较长)时的分离效果明显优于摇摆频率较高(周期较短)时的分离效果。图7为相同摇摆周期(2.50s)、不同摇摆振幅下分离器分离后油相体积分数的对比，从图7可以看出，摇摆振幅较小时的分离效果明显优于摇摆振幅较大时的分离效果。由此可以看出，剧烈的摇摆会降低油水分离器的分离效果。

a. 摇摆周期为1.25s

b. 摇摆周期为6.25s图6 相同摇摆振幅、不同摇摆周期下分离后的油相体积分数的对比

a. 摇摆振幅为0.2πm

b. 摇摆振幅为1.0πm图7 相同摇摆周期、不同摇摆振幅下分离后的油相体积分数的对比

图8为非稳态方案①～⑤下，油水分离器分离效果与稳态方案分离效果(除油率)的对比，从图8可以看出，在同样的油滴粒径和入口流速下，摇摆状态相比稳定状态来说除油率有不同程度的降低。图9为非稳态方案⑥～⑩下，相同摇摆振幅(0.4πm)、不同摇摆周期下分离器的除油率，从图9可以看出，在摇摆作用下，分离器的除油率随摇摆周期的增大、摇摆频率的减小而升高，在摇摆周期为2.50s及以上时油水分离效果较好，剧烈的摇摆将显著影响重力分离器的分离效果。图10为非稳态方案～下，相同摇摆周期(2.50s)、不同摇摆振幅下分离器的除油率，从图10可以看出，在摇摆作用下，分离器的除油率随摇摆振幅的增大显著降低，在摇摆振幅小于0.4πm(约1.26 m)时，水出口除油率较高，剧烈的摇摆将显著影响重力分离器的分离效果。

图8 稳态及摇摆周期2.5s时的除油率

图9 摇摆周期对除油率的影响

图10 摇摆振幅对除油率的影响

3 结束语

模拟计算结果表明：减小分离器入口流速有利于改善分离器分离效果；混合液中油滴粒径越大，分离效率越高；重力分离器在稳态下的油水分离效果优于非稳态下的油水分离效果；重力分离器在非稳态下摇摆周期越长、摇摆频率越低、振幅越小，重力分离器的分离效果越好。在入口流速较低时，各油滴粒径的油水混合物分离效果均比较理想，入口流速小于1.5m/s时分离效果较好。随着流速的增加，分离效果逐渐下降，减小分离器入口流速有利于改善分离器效果；混合液中油滴粒径越大，分离效率越好，该分离器模型在油滴粒径300μm时分离效果较好；摇摆对重力分离器的分离效果有明显影响，摇摆周期越长、频率越低、振幅越小，分离效果越好。在摇摆周期为2.5s及以上，摇摆振幅在0.4πm(约1.26m)及以下时油水分离效果较好，剧烈的摇摆会明显降低油水分离效率。

[1] 陆耀军.油水分离技术及其进展[J].油田地面工程，1999，18(4)：6～9.

[2] 陆耀军.油水重力分离设备技术及进展[J].化工进展，2001，20(4)：50～53.

[3] 邓小伟，杨小红，王恩成，等.软件模拟设计使三相分离器的体积缩小50%[J].国外油田工程，2002，18(10)：63～64.

[4] 吕宇玲，何利民，王国栋，等.含不同构件的重力式分离器内流场数值模拟[J].石油机械，2008，36(2)：12～17.

[5] 蔡飞超，马涛，滕照峰.油水重力分离特性的数值研究[J].石油矿场机械，2009，38(2)：24～27.

[6] Derek W，Brian W， Mohamad Nor M I，et al.Baffle Plate Configurations to Enhance Separation in Horizontal Primary Separators[J].Chemical Engineering Journal，2000，77(3)：221～226.

[7] 刘洪河.新型重力式油水分离器的优化设计[J].油气田地面工程，2009，28(10)：52～53.

[8] 杨显志.重力式油水分离器内部流场仿真及实验研究[J].科学技术与工程，2010，10(33)：8230～8233.

[9] 倪玲英，何利民.含聚结填料分离器的分离特性试验研究[J].石油矿场机械，2007，36(10)：61～64 .

[10] 张黎明，何利民，王涛，等.重力分离器聚结构件数值模拟及优化研究[J].化工机械，2008，35(1)：17～21.