海上平台用开排沉箱内油水两相流动分布数值模拟

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

海上平台用开排沉箱内油水两相流动分布数值模拟

张棣，高华，谭新越

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

开排沉箱是海上平台开式排放系统中的主要设备之一，因其简单、经济、可实施性强等优点而具有非常广阔的应用前景。应用Fluent软件，采用标准k-ε湍流模型和混合模型对沉箱内的流场进行模拟。模拟计算结果表明，采用等有效面积开口式管口可以将入口的垂直速度转化为水平速度，延长油水在沉箱内停留时间；有斜板式沉箱因流道变窄，流速增大，斜板间存在不利于油水分离的漩涡，需要合理选择斜板间距；在斜板与筒体的夹角区速度很小，称为静态区，可以延长油水停留时间，改善分离效率。

开排沉箱； 海上平台； 油水两相； 数值模拟

在海上平台的作业过程中，不可避免会产生一些含油污水、生活污水、甲板排水以及雨水等等[1]。为了保护海洋的生态平衡，遵循可持续发展的战略，这些污水不能直接排入大海，需要通过开排沉箱来收集和处理[2-3]。

开排沉箱是海上平台开式排放系统中的主要设备之一[4-6]。开排沉箱与海洋平台相连，延伸至海水以下，并与大气相通，主要利用重力沉降和油滴聚结原理来实现油水的分离。为了延长油水在沉箱内的停留时间，开排沉箱的筒体会比较长，一般在60 m左右。

采用开排沉箱的水处理工艺具有经济、简单、有效、可实施性强等显著特点，具有非常广阔的发展前景。目前，开排沉箱已经在我国的南海平台上应用，例如HZ25-3/1、HZ32-2、HZ26-1、LF13-2等海上平台[7]。但是国内对开排沉箱的研究尚不成熟，仍有许多地方需要完善，对沉箱的设计多数仍然处于模仿的阶段[7-9]。沉箱尺寸的增大和斜板数量的增加会使油水分离效果有一定的提升，但是会导致成本和结构负荷的增加。第1块斜板距污水入口的距离以及斜板之间的距离都会对油水分离效果产生影响。因此，研究开排沉箱内的油水两相运动可以为开排沉箱的设计提供依据。

随着计算流体力学的发展，数值模拟以其简单、直观、经济的特点，越来越多地应用到工程实践中[10-12]。为了研究开排沉箱内的流动特性，分析开排沉箱的分离性能，采用Fluent软件进行模拟计算。

1 物理模型和数值方法

1.1

物理模型

沉箱的顶部连通大气，沉箱主体大部分浸没在海水中，并且可以隔离箱体外海浪的影响，筒体内部按照一定的角度和板间距布置斜板，以利于油、水利用重力原理进行分离。

本次模拟选用的模型总长约为59.2 m，其中海平面以上为9.8 m。进液管内径为644 mm，沉箱主体内径为1 600 mm，开排沉箱的结构简图见图1。

图1 开排沉箱结构示图

为了延长油水在沉箱内的停留时间，进液管的端部由挡板封死，油水两相从侧面6个进液孔流入沉箱内，进液孔为等面积开孔，即6个进液孔的面积之和与进液管截面面积相等，等有效面积开口结构示意图见图2。

图2 等有效面积开口结构示图

模拟时，先对无斜板的沉箱进行模拟，然后改进模型，在沉箱内添加4对斜板，斜板角度为45°。为了减小流体对聚集油相的影响，在靠近边壁处布有升油管。第1对斜板在海平面以下0.4 m，第1对斜板与第2对斜板间距5.6 m，其余间距为3.2 m，两边斜板间距为1.6 m，斜板布置简图见图3，第1对斜板模型图见图4。

图3 斜板布置简图

图4 第1对斜板模型图

采用六面体和四面体网格对计算模型划分网格，无斜板模型网格总数约为197万，有斜板模型网格总数为491万。

1.2数值方法

开排沉箱内的雷诺数可以达到106，流动属于湍流状态，选用标准的k-ε模型。

油水为不可压缩流体，用基于压力的算法，采用两相混合模型分别对无斜板沉箱和有斜板沉箱内油水两相的流动进行模拟，相关的计算公式参见文献[6，13-15]。

1.3边界条件

油水混合流入口温度为87 ℃，入口体积流量为1 126 m3/h，其中油相的体积分数为1%。在该温度条件下，水的密度为967.23 kg/m3，油的密度为870.2 kg/m3。

数值模拟计算时，需要定义计算区域的边界条件。本例中边界条件分别为速度入口、压力出口，其余的边界定义为固壁。

2 模拟计算结果分析

2.1

无斜板开排沉箱内的流动

为了加强油水分离的效果，则需要延长油水在开排沉箱中的停留时间，进液管的端部由挡板封死。由此以来，油水两相可从侧面6个进液孔流入沉箱内，使流体在垂直方向的速度变成水平方向的速度。

无斜板开排沉箱等有效面积开口处速度矢量图见图5。

图5 无斜板开排沉箱等有效面积开口处速度矢量图

从图5中可以看到油水两相流体在等有效面积开口处速度的变化，在出口处由于重力的影响，有一个小的速度梯度的变化，即靠近出口下部的速度比较大一些。速度由垂直方向向水平方向变化，经出口后，流体垂直速度明显减小，水平速度显著提高，会对出口处沉箱两侧的筒体产生冲击。

经过一段时间后，可以发现在开排沉箱筒体上部的静态区有油相的聚集，无斜板开排沉箱顶部油相体积分率分布云图见图6。

图6 无斜板开排沉箱顶部油相体积分率分布云图

从图6可以看出，为了防止后续流动将聚集的油相重新带回到油水两相流体中，每经过一段时间，需要将收集的油从开排沉箱顶部的出油管抽出。

2.2带斜板开排沉箱内的流动

带斜板开排沉箱速度云图见图7，斜板间速度云图、速度矢量图见图8。

从图7可以看出，沉箱内稳定的速度流场被打破，不同区域的速度波动较大。有斜板的区域横截面积会变小，在流量不变的情况下，流道内油水两相的流速就会增加，紊流强度增大。

图7 带斜板开排沉箱内速度云图

图8 斜板间速度云图和速度矢量图

从图8a可以看出，由于斜板和重力的作用，斜板下方会出现静水区，此处流速会变得很小。从图8b可以看出，①油水两相从筒体上部流下，与斜板发生碰撞，造成开排沉箱中流体质点的剧烈互相混杂。②斜板的存在使得流体的流速增大，并且方向不断发生变化，由此增大油滴碰撞的几率，这些都有助于油滴从小粒径向大粒径聚结，所以有斜板的沉箱可以分离较小粒径的油滴。③在斜板和筒壁的夹角区域内流体速度非常小，静态区的流体在沉箱内的停留时间增加，并且流动稳定，有助于油水的分离。④斜板间有一个非常明显的漩涡，来自上方的流体与斜板发生碰撞，由于流道变窄，斜板间流体紊流强度增大，质点的运动速度有不规则的脉动现象，一部分流体会折回向上流动，并与斜板间向下流动的流体汇合，形成漩涡。漩涡的存在会增加流体的不稳定性，同时将静态区聚集的油相重新携带进油水混合流中，影响分离的效率。

斜板间距离过小会产生不利的漩涡，影响油水分离效率，因此可以适当增加斜板间的距离，但斜板间距离过大就不能充分发挥斜板的作用。

带斜板等有效面积开口处的速度矢量图见图9。

图9 带斜板等有效面积开口处速度矢量图

从图9看出，入口处流动比较复杂，流动方向差别很大，流体的紊流强度很大，还存在漩涡。为减小漩涡对沉箱顶部聚集油相的影响，防止造成返混，将第1对斜板布置在入口的上方，这样可以隔离下方流体对聚集油相的冲击，对顶部油相有保护作用。

经过一段时间后，在沉箱顶部会有油相的聚集，带斜板开排沉箱顶部油相体积分率分布云图见图10，斜板间油相体积分率分布云图见图11。

图10 带斜板开排沉箱顶部油相体积分率分布云图

图11 斜板间油相体积分率分布云图

从图10、图11中可以看出，与无斜板的沉箱相比，斜板与筒体的夹角区域油相含量比较高。为了收集斜板间聚集的油相，在斜板上开有小孔，并且在斜板间布有升油管。布置升油管是为了防止上游来流对收集的油相产生冲击，造成返混现象。

3 结语

采用等有效面积开口形式可以将流体入口的垂直速度变为水平方向的速度，可延长油水在沉箱内的停留时间，提高油水分离效率。

沉箱内有斜板时，流道截面变窄，流体速度增大，紊流强度增强，斜板间存在不利于油水分离的漩涡。第1对斜板布置在等有效面积开口的上方，可以减小开口处流体对收集油相的影响。在斜板和筒体夹角处存在静态区，该区域流体的速度非常小，有利于油相液滴的聚集。

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(许编)

NumericalSimulationofOil-waterTwo-phaseFlowinOpenDrainageCaissonforOffshorePlatform

ZHANGDi,GAOHua,TANXin-yue

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

The open drainage caisson is one of main equipments in the open drainage system of offshore platform. It has a very wide application prospect because of its simplicity, economy and practicability. Based on the Fluent software, the standardk-εturbulence model and the mixed model are used to simulate the flow field in the caisson. It is found that the equal effective area inlet can be used to convert the vertical speed of the inlet to the horizontal velocity and prolong the residence time of the oil and water in the caisson. The inclined plates cause the flow channel narrow so that the flow velocity increases. There is a vortex between the sloping plate, which is not conducive to the separation of oil and water. It is important to select the inclined plates distance reasonably. In the space between inclined plate and the cylinder, the velocity is very small, it is called the static zone, which can prolong the retention time of oil and water and improve the separation efficiency.

open drainage caisson; offshore platform; oil-water two-phase; numerical simulation

TQ050.2； TE969

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.005

1000-7466(2017)04-0023-05①

2017-02-26

张 棣(1986-)，男，山东滨州人，工程师，博士，主要从事海洋石油装备研究。