重力式三相分离器内件布置对分离效果影响的数值模拟

李 巍， 于同川 ， 张晓敏， 刘国栋， 范学君， 陈万贵

(1． 海洋石油工程股份有限公司特种设备公司， 天津 300451； 2． 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院， 哈尔滨 150001)

重力式三相分离器内件布置对分离效果影响的数值模拟

李 巍1， 于同川1， 张晓敏1， 刘国栋2， 范学君1， 陈万贵1

(1． 海洋石油工程股份有限公司特种设备公司， 天津 300451； 2． 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院， 哈尔滨 150001)

对重力式油气水三相分离器的不同内件布置形式进行分析，旨在不增加内件用量的前提下，通过优化布置，达到更好的油水分离效果。提出一种新型内件布置形式，并对新型内件布置结构的油水分离效果进行数值模拟研究。评估不同工作环境下的油水分离性能。研究表明，采用相间布置聚结板组和均流孔板的分离器内件布置形式获得的油相浓度在分离区域比常规分离器高，油水分界面较窄且更加清晰。为提升海洋平台油水分离器的分离效率提供依据。

重力式分离器；油-气-水三相流动；内件布置；数值模拟

0 引言

油田原油采出液通常含有伴生气、水等物质，无法满足原油深加工的需要。如果不去除原油中的杂质，在原油管输过程中会造成一系列的问题，增加运输成本。因此，需要对原油采出液进行分离后分别处理输运。在对油田原油采出液进行油气水分离的三相分离器中，油气水重力分离器以其结构简单、造价低廉、操作方便、运行稳定等优点，成为油田上应用最多、最基本也是最重要的油气水分离设备之一[1]。近年来，海上油田开发逐步加快，海上油田原油采出液含气量较大，含水原油物性也较为复杂，传统的单纯依靠重力作用对油气水进行分离的设备已无法满足实际需求。对海洋石油平台而言，设备尺寸的要求越来越高，需应用高效的分离内件提高分离效率，适应新的生产要求。

目前，国内学者[2-5]运用FLUENT，STAR-CD等大型软件对油水重力分离器内部流场与油水浓度分布进行数值模拟，并通过在分离器内部添加构件以及对构件结构进行优化，提升分离器分离性能。王国栋等[6]利用重力式分离模拟试验系统，以白油和水作为工作介质，研究了卧式油水分离器的分离特性和流动规律。研究表明：分离器内存在一个最佳的油水界面位置，该位置油层中的水滴分离效果最好；油相黏度是决定最佳油水界面位置的重要参数。李双胜等[7]运用数值计算方法对4种不同结构的入口构件流场的流动特性进行模拟，对分离器入口构件的形式进行探讨。张黎明等[8]选用不同结构的整流和聚结构件，采用FLUENT数值模拟软件对分离器内部流场进行三维数值模拟，通过对比速度场与浓度场发现：蛇形背向平行板组和斜板交错搭接平行板组具有较好的油水分离特性。孙治谦等[9]为考察聚结构件对油水重力分离器分离性能的影响，通过实验研究发现：网状波纹板结构对小液滴有较好的聚结作用；良好的亲油疏水性与较大的接触面积是性能优良的聚结构件应具备的条件。倪玲英等[10]运用计算流体力学的方法对波纹板油水分离器内部流动过程进行了数值模拟，研究发现：在波纹板顶部适量开孔，分离效率可进一步提高；随着波纹板板长和板间距的增加，分离效率先增加后减小。

本文以某海洋平台的油水分离器为基础模型(模型1)，改进该基础模型的孔板、聚结板的数量与布置方式，得到了一套改进后的油水重力分离器(模型2)。采用流体力学计算软件FLUENT，对重力式油气水三相分离器内的流场进行数值模拟，并对二者的分离性能进行对比。

1 模型描述

1.1 工况参数

为更好地对比模型1与模型2的油水分离性能，本文列举了3种不同的分离器运行工况，对分离器在3种不同工况下的分离性能进行数值模拟。各工况参数见表1。

表1 模拟所用各工况的参数

1.2 数学模型

1.2.1 连续性方程

油气水三相在Euler-Euler双流体模型中满足如下关系：

(1)

1.2.2 动量守恒方程

对于连续的三相流体，其动量方程满足如下关系式：

(2)

式中：μm为流体动力黏度；p为压力梯度；为流体相间作用力；剪切应力m为

(3)

1.2.3 湍流模型

分离器内油水两相的分离过程属于一般的湍流问题，由于油水两相的密度差比较小，故应用混合湍流模型可以较好地模拟这一过程。定义如下：

(4)

(5)

其中湍流黏度为

(6)

湍动能生成的增量为

(7)

式中：k为湍动能；ε为湍流耗散率；σk，σε，C1ε，C2ε，Cμ为湍流常数，分别取为1.0，1.33，1.44，1.92和1.99。

1.3 几何模型

图1为改进前模型1的油水分离器。该模型中3个模块的聚结板聚合在一起，两个孔板分别布置在聚结板两侧。图2为改进后模型2的油水分离器。该模型中3个聚结模块相间布置，仅有的1个孔板布置在聚结区域前侧。两种模型中，分离器直径均为3.6 m，直段长度为14 m，左上部为油气水入口，右上侧为气体出口，右下侧从左到右的两个出口依次为油出口和水出口。在模拟分离器油水分离的过程中，从起始到分离器内液面超过油堰板高度的范围内，油出口与水出口是关闭的；当内部液体流过油堰板且分离达到稳定状态后，油出口与水出口开启。

图1 模型1结构示意图 图2 模型2结构示意图

1.4 边界条件

对于分离器油气水三相入口，选用质量流量边界条件，各相的质量流量根据工况的不同而有差异。壁面选用定温边界条件；气体出口选用压力出口边界；油出口、水出口在油水稳定分离之前为定温边界；稳定分离之后为压力出口边界。

2 模拟结果与分析

2.1 最大含油量工况

图3和图4分别为最大含油量工况下分离器达到稳定分离后的油相浓度分布云图。由图3和图4可以看出：2种分离器中孔板与聚结板由于布置数量与位置的不同，油浓度分布在进口区域与聚结区域有明显的不同。在有效分离区，分离器内油水分离均达到了稳定状态。对比2种分离器模型的油相浓度分布，可以看出：2种分离器都有较好的油水分离效果，但是模型2有效分离区油相区域的油水界面更清晰，油水混合相在流经每一级聚结板组后，油相浓度递增趋势明显。

图3 模型1稳定分离后油浓度分布图 图4 模型2稳定分离后油浓度分布图

图5和图6分别为最大含油量工况下模型1和模型2在达到稳定分离状态时，油相浓度在不同高度上沿分离器轴向的分布曲线。

图5 h=0.5 m处油相浓度沿轴向的变化 图6 h=2.55 m处油相浓度沿轴向的变化

由图5和图6可知：沿分离器轴向方向大致分为入口区、聚结区和有效分离区3个区域。在入口区域，由于良好的入口构件，混合液体在入口即发生了一定的油水分离；当流体流经聚结区域时，由于在聚结板区域内油滴发生聚并，导致油相浓度曲线出现较大的波动；在有效分离区内，液体流动趋于平缓，部分油滴由于浮升作用上升，该区域油相浓度达到最大。由于模型2油水界面更清晰，在h=2.55m高度上，模型2已处于稳定油相区域，而模型1处于油水乳化层边缘区域，因此浓度明显低于模型2的浓度。模型1与模型2在稳定分离时油相体积分数在不同高度沿轴向的分布对比见表2。

表2 稳定分离时油相体积分数在不同高度沿轴向分布对比

2.2 实际工况

图7和图8为2种分离器实际工况下达到稳定分离时油相的浓度云图。对比实际工况下2种分离器有效分离区域的油相浓度分布发现：模型1有效分离区域油水两相分离效果较差，上层油区油相体积分数较小，主要集中在0.7～0.9之间，油水界面宽度较大，表明分离不彻底；模型2有效分离区域油水分离效果较好，上部油层较厚且体积分数高，主要集中在0.95～1.0之间，油水界面宽度较窄且比较清晰，表明分离效果较好。

图7 模型1稳定分离后油相浓度分布 图8 模型2稳定分离后油相浓度分布

图9和图10分别为实际工况下模型1和模型2在达到稳定分离状态时油相浓度在不同高度上沿分离器轴向的分布曲线。在h=0.5m处，模型1中的油相浓度沿轴向逐渐降低，模型2的油相浓度则一直保持在较低位置。在h=2.55m处，模型1的油相浓度沿轴向出现下降的趋势并稳定在油相浓度约0.7的位置。通过对比发现，模型2可以获得分离区域较高的油相浓度从而有利于油水分离。

图9 h=0.5 m处油相浓度沿轴向的变化 图10 h=2.55 m处油相浓度沿轴向的变化

模型1与模型2在实际工况下稳定分离时，油相体积分数在不同高度上沿轴向分布的对比见表3。

表3 模型1与模型2实际工况下油相体积分数分布对比

3 结论

应用Euler-Euler双流体模型结合混合湍流模型对2种工况下的油气水分离器进行数值模拟计算，对比2种分离器的油相体积分数云图与轴向体积分数变化曲线得到2种不同运行工况下的油水分离特性。研究结果表明，改进内件布置结构后的油气水分离器的分离性能明显优于常规分离器。因此，相间布置的聚结板结构优于整体布置的聚结板结构，更有利于油水的分离。

[1] 倪玲英. 复杂通道中油滴的运动规律与颗粒周围剪切力场研究[D].山东：中国石油大学(华东), 2008.

[2] JAWORSKI A J, DYAKOWSKI T. Measurements of Oil-Water Separation Dynamics in Primary Separation Systems Using Distributed Capacitance Sensors[J]. Flow Measurement and Instrumentation，2005, 16: 113-127.

[3] BHARDWAJ A, HARTLAND S. Dynamics of Emulsification and Demulsification of Water in Crude Oil Emulsions[J].Fuel and Energy, 1995, 36(1): 11-19.

[4] 孙治谦, 王振波, 金有海. 油水重力分离原理及聚结破乳机理初探[J].化工机械, 2009, 36(6):636-639.

[5] 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): 12-16.

[6] 王国栋, 何利民, 吕宇玲, 等. 重力式油水分离器的分离特性研究[J].石油学报, 2006, 27(6): 112-116.

[7] 李双胜, 孙雷, 曹永, 等.海洋平台用重力分离器内件设计[J].石油化工设备, 2011, 40(2): 50-53.

[8] 张黎明, 何利民, 王涛, 等. 分离器整流聚结构件分离性能[J].中国石油大学学报(自然科学版), 2008, 32(6): 118-124.

[9] 孙治谦，王振波，吴存仙，等. 油水重力分离过程油滴浮升规律的实验研究[J].过程工程学报, 2009, 9(1): 23-27.

[10] 倪玲英, 张洋洋, 郭长. 开孔波纹板油水分离器在不同结构参数下的数值模拟[J].化工机械, 2013,40(1):73-76.

Numerical Simulation on Effect of Separation Caused by Different Internal Setting in Gravitational Oil-Gas-Water Separator

LI Wei1, YU Tongchuan1, ZHANG Xiaomin1, LIU Guodong2,FAN Xuejun1, CHEN Wangui1

(1.Special Equipment Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China；2.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

A new type of the scheme for the arrangement of internal parts in a gravitational gas-oil-water three-phase separator is proposed to find better layout of internals to get better effect for oil and water separation.Two different types of internal parts distributions are analyzed. The effect of the new scheme for the internal parts is numerically simulated, and its effect on the water-oil separation is also evaluated in two different working conditions. Simulated results show that the sectional type of the coalescent pack with flow equalized pore platescould result in higher oil volume fraction distribution in the separation region in the three-phase separator compared with the original internal parts arrangement, and a more clear and thinner interface between the oil and water could also be obtained. It is indicated that the new scheme for the distribution of internal parts including coalescent pack and flow equalized pore plates are propitious to the separation of oil and water. It provides basis for improving the separation efficiency of oil-water separator.

gravitational separator; oil-gas-water multiphase flow; internal setting; numerical simulation

2016-06-12

李 巍(1980-)，女，高级工程师

1001-4500(2017)02-0049-06

TQ051

A