重力式油水分离器入口形式对其内部流场影响的数值模拟研究

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(1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2.中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司, 天津 300451； 3.中海油能源发展采油服务公司, 天津 300451)

重力式油水分离器入口形式对其内部流场影响的数值模拟研究

李巍1，沈志恒1，刘超2，李勇3，韩旭1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451； 2.中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司,天津300451； 3.中海油能源发展采油服务公司,天津300451)

该文通过对国内某海洋平台上的重力式生产分离器内多相流体的流动进行数值模拟分析，得出了采用不同的入口形式时,分离器内部油相浓度的分布规律。结果表明，采用具有内伸结构的入口形式可以有效减小入口影响区的面积，但由于气相的作用，反而影响了整体分离效果。研究结果为设计人员进一步优化入口形式提供了理论依据。

数值模拟；重力式分离器；多相流；RNG k-ε 模型；入口形式

0 前言

重力式油水分离器以其操作简便及后期维护成本低而获得使用方的青睐，海洋平台上大都采用重力沉降形式的分离器。但影响重力式油水分离器分离效果的因素有很多，例如油气水三相密度差，混合相的体积流量，分离器内所采用的稳流内件形式，分离内件形式及油水各相所占的体积浓度等。

分离器内部结构的设计方法大致可以分为两种：一种为实验研究，一种为数值模拟研究。实验研究主要是搭建实验台，通过实验来对各种油水混合物的流态及内件在分离过程中所起的作用进行分析[1-5]，实验结果相对更接近实际情况，但由于其周期长，投资相对较高，并且对于不同结构的分离器适应性较差，因而探寻另一种方式来解决这类问题就变得更加紧迫。数值模拟计算方法近年来发展迅速，多种数值模拟软件已在许多课题的研究中发挥了重要作用[6-10]。FLUENT作为国际上应用最广泛的流场模拟软件而受到流体研究工作者的青睐，该文旨在通过应用FLUENT软件对采用内伸式入口形式及半开管式入口形式的分离器内部的油、气、水三种组分的流动情况进行模拟，通过对结果的分析，得出影响分离效果的因素，获得改善分离效果的途径。

1 模型描述

1.1几何模型

该文以某海洋平台上的一台生产分离器为基础进行几何模型的建立，图1所示为采用具有内伸结构入口形式的分离器几何模型，图2所示为采用半开口圆管入口形式的分离器几何模型。两种模型中，分离器直径均为2 600 mm，直段长度为8 900 mm,左侧为DN250的油气水入口，右上侧为DN100的气体出口。在实际的运行中，下部的油水出口是关闭的，只有当分离器内的液面达到一定值后，才会对油水进行泄放。为了简化模型，忽略下部的油水出口，数值模拟计算中的相关工艺参数详见表1。

图1 内伸结构入口形式分离器几何模型(模型1) 图2 半开口圆管入口形式分离器几何模型(模型2)

表1 分离器内介质工艺参数

1.2数学模型

1.2.1 连续性方程

(1)

1.2.2 动量守恒方程

(2)

1.2.3 湍流模型

由于油水两相密度差较小，该文应用混合k-ε湍流模型。定义如下：

(3)

(4)

湍流粘度以及湍动能生成由以下公式计算得出：

(5)

Gk,m=μt,m[um+(um)T]∶

(6)

1.3边界条件

对于分离器混合相入口，选用质量流量边界条件，分别设定气相质量流量V气=0.23kg/s，油相质量流量Q油=5.91kg/s，水相质量流量Q水=3.69kg/s，壁面选用定温壁面边界，气体出口选用压力出口边界。

2 模拟结果及分析

图3、图4分别为模型1及模型2在400s时油相的浓度分布图。从图3、图4中可以看出，对于模型1，在初始阶段油水并没有很好的分开，而是相互混合在一起，但受入口来流冲击，影响区域比模型2要小；对于模型2，虽然油水也相互混合在一起，但油相的高浓度区主要位于油水混合空间的上部，而水相的高浓度区主要位于油水混合空间的下部，分离趋势较模型1明显。

图3 模型1在400 s时油相体积分数分布图 图4 模型2在400 s时油相体积分数分布图

图5、图6分别为模型1及模型2在800s时油相的浓度分布图。从图5、图6中可以看出，随着时间增加，分离器内靠近入口一侧的油水没有被很好的分离。对于模型1而言，并未出现明显的局部油相高浓度区或水相高浓度区，即油水并未明显分离；而模型2的计算结果表明，沿分离器轴向方向，油水逐渐分离开，水相主要位于油水混合空间的下部，体积分数主要集中在0.95 ～1.00范围内，且越靠近堰板区域浓度越高，而油相则主要位于油水混合空间的上部，体积分数主要集中在0.85～0.95范围内，同样是越靠近堰板一侧浓度越高。

图5 模型1在800 s时油相体积分数分布图 图6 模型2在800 s时油相体积分数分布图

由以上结果可知，对于模型1，由于采用了内伸式的入口形式，直接将入口液流引入分离器底部，因而减小了液流对液面的冲击影响区域的范围，但由于来流为油气水三相的混合，该种形式在将油水引入分离器底部的同时，也将大量气体引到了液面以下，气体在液面以下上浮的过程中，对分离器底部的液体产生了扰动，反而影响了油水的分离；对于模型2，由于采用半开管式入口，液流顺入口以抛物线形状流入分离器，因而液面受入口来流冲击影响区域较大，但在超过影响区范围以外的区域，油水在密度差主导的浮升力的作用下逐渐平稳地分离。

图7、图8分别为模型1及模型2在1 200s时油相的浓度分布图。从图7、图8中可以看出，对于模型1，随着时间增加，液相中间部分出现了一个油相的相对高浓度区，浓度约为0.75～0.85，但油水混合区域范围较宽，且无明显的油水界面。对于模型2，油相及水相浓度均沿分离器轴向方向逐渐增加，且越靠近堰板区域浓度越高，油相及水相浓度均接近1，且存在较为明显的油水界面。

图7 模型1在1 200 s时油相体积分数分布图 图8 模型2在1 200 s时油相体积分数分布图

图9、图10分别为模型1和模型2在1 200s时水相及油相浓度在不同高度上沿分离器轴向分布图。由图9、图10可知，沿分离器轴向方向，大致可以分为两个区域：(1)入口影响区；(2)稳定分离区。在入口影响区，由于液面不断受到入口来流液体的冲击而产生了较大的浓度波动，即很难形成稳定的油水分离界面，因此，油水很难在该部分得到稳定的分离。在稳定分离区，由于距离入口对液面的冲击区域较远，因而油水可以较好的分离，这部分区域也可以称为有效分离区，是真正的油水开始可以稳定分离的区域。同时，随着距离入口影响区越来越远，沿分离器液面高度增加，油相浓度越来越大，而沿相反方向，水相浓度越来越大，即油水已达到分离。模型1与模型2在1 200s时油相浓度在不同高度沿分离器轴向分布对比见表2。

图9 模型1在1 200 s时油相浓度在 不同高度沿分离器轴向分布 图10 模型2在1 200 s时油相浓度在不同高度沿分离器轴向分布

表2 模型1与模型2在1 200 s时油相浓度在不同高度沿分离器轴向分布规律对比

3 结论

应用Eulerian模型和混合k-ε湍流模型对在某一工况下，采用不同入口形式的重力式油水分离器内多相流流场进行数值模拟计算。得到如下结论：

(1) 该分离器自身尺寸可以满足油水重力分离的要求，不需要再填加分离内件。但值得注意的是，对于模型1而言，虽然内伸至液面以下的入口形式降低了来流对液面的冲击，缩小了入口影响区的范围，使得入口影响区后的油水浓度分布较为均匀，但由于气相的存在，反而影响了分离器的整体分析离效果，因此，在将来流引入液面以下之前，应该对来流中的气相加以预分离。对于模型2而言，由于选用了开放式入口，因而扩大了入口影响区域，即降低了分离器内有效的分离长度。因而，在不增加成本的前提下，设计人员应该不断探寻优化入口形式的可能性。

(2) 数值模拟的方法得出的结果与理论分析的结果基本一致，同时可以得到采用内伸式入口和半开管式入口形式对不同时刻各相分布规律影响的定量结果，为后续改进分离器内部分离结构提供了依据。

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NumericalSimulationAnalyseonMultiphaseFlowinGravityOil-gas-waterSeparatorwithDifferentInletType

LI Wei1, SHEN Zhi-heng1, LIU Chao2, LI Yong3, HAN Xu1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China;2.QHD32-6 Operating Company CNOOC, Tianjin 300451, China;3.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

Multiphase flow in a typical horizontal gravity separator on some offshore platform was simulated and RNG k-ε model was adopted. Distributions of oil phase at different time were obtained by numerical simulation. Results show that affected area could be reduced by using extension inlet. But it affects separate result because of the existence of gas phase. This result provides theoretic support for optimization of inlet type.

numerical simulation; gravity separator; multiphase flow; RNG k-ε turbulent model; inlet form

2014-02-29

李 巍(1980-)，女，高级工程师。

1001-4500(2015)01-0048-05

TQ051.8

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