楊建東，趙鵬，賈海海

（西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018）

基于離散相模型的波紋板油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊建東，趙鵬，賈海海

（西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018）

蛇行波紋板整流器是一種常見的油氣分離裝置，在油氣集輸過程中起到了非常重要的作用。本文利用 Fluent 軟件提供的離散相模型，對(duì)波紋板油氣分離過程的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并比較了波紋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，總結(jié)不同因素對(duì)波紋板分離性能的影響規(guī)律，為油氣分離元件的工程設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。

波紋板；多功能合一設(shè)備；優(yōu)化設(shè)計(jì)

在石油的開采過程中，油井產(chǎn)出的是油、氣、水、砂等多種物質(zhì)的混合物，為了得到合格的石油產(chǎn)品，油氣集輸首要任務(wù)是氣液分離，通常稱為油氣分離。在油氣集輸過程中，油氣混合物的分離是在一定的設(shè)備中進(jìn)行的。根據(jù)相平衡原理，利用油氣分離機(jī)理，借助機(jī)械的方法，把油井混合物分離為氣相和液相的設(shè)備稱為油氣分離器。

長慶油田通過對(duì)主要生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化研究，對(duì)涉及的主要生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行集成化、橇裝化和智能化探索，按照”簡短、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、快速”的原則，創(chuàng)造性地研制出了油氣混輸一體化集成裝置。其中，多功能合一設(shè)備是油氣混輸一體化集成裝置中非常重要的組成部分，配置了蛇行波紋板整流器和絲網(wǎng)捕霧裝置等高效分離元件，滿足油氣分離要求。

本文主要研究對(duì)象為蛇行波紋板整流器，通過計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件 Fluent 中離散相模型，分析波紋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)波紋板分離效率的影響，總結(jié)不同因素對(duì)波紋板分離性能的影響規(guī)律。這將有利于油氣分離元件的設(shè)計(jì)和最優(yōu)運(yùn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取，為工程實(shí)際中的設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。

1 波紋板分離原理

波紋板作為油氣分離的一種常見手段，依靠的原理是是慣性分離。慣性分離是利用氣流中液滴在通過波紋板的慣性運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離。當(dāng)攜帶有微小油滴的伴生氣通過波形板分離器的波形板組件時(shí)，由于波形板流道的結(jié)構(gòu)曲折變化，造成氣流在波形板內(nèi)作曲線運(yùn)動(dòng)。氣流中的油滴和氣體由于密度不同，相對(duì)質(zhì)量不同，造成離心力、慣性力以及附著力不同使得油滴在通過彎道撞擊到波形板上。在吸附力的作用下，吸附在金屬制成的具有較好的吸附力的波形板壁面上，形成油膜，在重力的作用下不斷往下流動(dòng)，最后離開波形板組件（圖1）。波紋板相對(duì)于重力沉降的分離具有效率高，制作簡單、體積小、安裝方便等優(yōu)越的性能。因此，波紋板作為分離元件在臥式分離器使用情況越來越多，而其性能對(duì)油氣集輸過程也有著舉足輕重的作用。

圖1 典型波形板汽水分離器示意圖

2 離散相模型計(jì)算理論基礎(chǔ)

對(duì)于波紋板分離器的油滴軌跡和分離效率的數(shù)值模擬采用離散相模型來計(jì)算。離散相模型是兩相流動(dòng)的一種模擬方法，在由連續(xù)流體和離散相組成的多相流體系中，將流體視為連續(xù)介質(zhì)，離散相作為離散介質(zhì)處理。在 Fluent中，離散相模型適用于液滴的體積份額小于等于 10% 的情況，而波形板油氣分離器作為整個(gè)多功能合一設(shè)備波紋板氣液分離元件中的分離裝置通常其入口的油氣比都不會(huì)高于5%，因此離散相模型計(jì)算是適合該工況的。

離散相模型是在歐拉—拉格朗日觀點(diǎn)下建立的數(shù)值模型，即以空間點(diǎn)為對(duì)象在歐拉觀點(diǎn)下描述氣相流場(chǎng)，而以單個(gè)粒子為對(duì)象在拉格朗日觀點(diǎn)下計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。在本文所使用的 Fluent軟件中，通過積分拉氏坐標(biāo)下的顆粒作用力微分方程來對(duì)離散相顆粒的軌道進(jìn)行求解，顆粒的作用力平衡方程可寫做如下形式（在笛卡爾坐標(biāo)系x方向）：

其中， ug、 ul分別是連續(xù)相氣體和離散相液滴的 速 度 ； ρl、 ρg分 別 為 氣 相 和 液 滴 的 密 度 ；d 為 液滴 粒 徑；Rer為液 滴 的相 對(duì) 雷 諾數(shù) ； CD為 曳 力系 數(shù) ，可由下式得到

假定液滴為球形，a1、a2、a3根據(jù)相對(duì)雷諾數(shù)的范圍取不同的值。微分方程右邊第二項(xiàng)為重力作用項(xiàng)，計(jì)算時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況給定重力加速度的分量。本文將波紋板的氣相流場(chǎng)簡化為二維流場(chǎng)，該項(xiàng)為零。方程第三項(xiàng)為顆粒受力平衡中附加力的合力，比如浮力、溫度梯度力、壓力梯度力、視質(zhì)量力等。在波紋板的氣液兩相流場(chǎng)中，由于液滴直徑很?。?～ 50μm）且分布稀散，因此，液滴主要受到氣流的曳力作用，而其他力在數(shù)量級(jí)上與之相比很小，可以忽略不計(jì)。

3 波紋板氣液分離的數(shù)值模擬計(jì)算

因?yàn)闅庖簝上嘣诓y板通道內(nèi)的流動(dòng)是復(fù)雜的三維兩相瞬間過程，由于重力及浮升力垂直于流動(dòng)方向，且各板之間所形成的通道相同，所以可將幾何模型簡化為二維單通道問題，計(jì)算區(qū)域由兩塊波紋板組成。其中設(shè)定波紋板斜通道的角度為β，計(jì)算模型的波紋板角度 β 為 45°，研究對(duì)象如圖2所示。

圖2 波紋板單個(gè)通道示意圖

為了對(duì)波形板的計(jì)算模型進(jìn)行精簡，方便運(yùn)算，現(xiàn)做出如下假設(shè)：

（1）流動(dòng)的過程視為定常流動(dòng)，各參數(shù)不隨時(shí)間變化。

（2）將連續(xù)相氣體視為不可壓縮氣體處理，不考慮相變，不考慮相間換熱。

（3）液滴到達(dá)壁面即認(rèn)為被捕集，液滴到達(dá)波紋板出口時(shí)即認(rèn)為逃逸。

對(duì)于波紋板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，我們采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法，通過分析模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立幾何模型與 Block 之間的映射關(guān)系，定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)單元數(shù)目，得到最終的網(wǎng)格。

在對(duì)于模型的計(jì)算過程，把油氣分離中的伴生氣分為連續(xù)相，把原油的液滴分為離散相，這兩者的邊界條件介紹如下：

（1）連續(xù)相邊界條件：

介質(zhì)：伴生氣，密度 0.64861kg/m3，動(dòng)力學(xué)粘度 1.7069×10-5kg/(m?s)。

進(jìn)口條件：速度入口條件，氣流速度在進(jìn)口截面均勻分布。

出口條件：壓力出口條件，操作壓力為1.01325×105Pa。

壁面條件：假設(shè)波紋板壁面表面粗糙度為零，無熱量交換。

（2）離散相邊界條件：

液 滴 物 性： 原 油， 密 度 0.86t/m3， 動(dòng) 力 學(xué)5.56mPa?S。

進(jìn)口條件：與連續(xù)相相同速度入口條件，氣流速度在進(jìn)口截面均勻分布。液滴噴射類型為表面surface，在空氣中的體積含量為 0.05%。

壁面條件：選擇捕集 trap 類型，液滴碰到壁面即被捕集，不考慮反彈。

按照上述條件，利用 Fluent進(jìn)行流場(chǎng)分析，利用離散相模型分析波紋板的氣液分離情況。最終得到結(jié)果如圖3所示。圖4表明了在該工況下通過離散相模型計(jì)算得到的離散相（油滴）的分布情況，表明了油氣的分離情況。

圖3 流場(chǎng)的速度分布情況

圖3表明了波紋板內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布情況。在圖3中，不同顏色從綠到紅表示內(nèi)部流場(chǎng)速度的由低到高大小不同。從氣體在波紋板中流動(dòng)的速度分布情況可以發(fā)現(xiàn)，氣體的流速大小和方向在通道內(nèi)不斷發(fā)生改變，在氣體剛進(jìn)入波紋時(shí)速度變化比較緩慢，而經(jīng)過斜通道時(shí)速度明顯增加，并且在截面積開始增大的拐角處速度反而達(dá)到最大值，這是因?yàn)樵谛蓖ǖ赖膶挾缺容^小的原因?qū)е隆．?dāng)氣體重新進(jìn)入波紋板的直通道的時(shí)候，由于寬度變大，導(dǎo)致氣體的速度變小。

圖4 離散相液滴軌跡示意圖

圖4表明了包含在氣體的油滴在進(jìn)入波紋板之后其濃度的變化情況以及油滴顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。從油滴濃度分布來看，波紋板對(duì)天然氣中的油滴有明顯的去除作用，去除過程主要發(fā)生在彎道轉(zhuǎn)角處。在起初的進(jìn)口階段液滴含量較高，當(dāng)氣流經(jīng)過第一個(gè)彎通道時(shí)，氣流中的油滴和密度大于氣體密度，液滴的相對(duì)質(zhì)量大于氣體，造成油滴離心力較大，使得其在通過彎道撞擊到波形板上，被壁面捕集。通過計(jì)算入口液滴數(shù)量與出口液滴數(shù)量的比值，可以得出該工況下波紋板的分離效率為 97%，表明波紋板的油氣分離效果比較好。

4 波紋板油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)

在基于以上通過離散相模型仿真計(jì)算波紋板油氣分離的基礎(chǔ)之上，通過改變波紋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)的波紋板的分離效率，通過對(duì)分離效率的比較，探索結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)分離效率的影響，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成對(duì)波紋板油氣分離的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 波紋板板間寬度對(duì)分離效率的影響

設(shè)定波紋板的板傾角 β 為 45°，液滴尺寸分布為 10 ～ 30um，入口速度 6m/s和 11m/s，計(jì)算該條件下波紋板寬度從 5mm 到 10mm 變化下分離效率的變化情況。得到的結(jié)果圖如圖5所示。

圖5 不同寬度對(duì)分離效率的影響圖

通過圖5給出的數(shù)據(jù)分析可以得知，板間距的增大使得分離效率降低。原因主要有兩個(gè)：一是板間距的增大使得氣體在通過斜通道時(shí)速度方向變化平緩，液滴在轉(zhuǎn)角處受到的慣性力作用降低；二是板間距的增大使得通道中心的油滴到達(dá)波紋板的距離增大，減少了因油滴與波紋板碰撞而被捕捉的幾率。對(duì)于外部尺寸確定的分離器而言，波紋板板間距的減小意味著所需的波紋板層數(shù)增加，即增加了分離器自身的重量和制造成本，因此，工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮。

4.2 波紋板角度對(duì)分離效率的影響

設(shè)定波紋板的板間距為 8mm，液滴尺寸分布為10 ～ 30um，入口速度 6m/s和 11m/s，計(jì)算該條件下波紋板角度 β 為 35°、45°、55°三個(gè)角度分離效率的變化情況。得到的結(jié)果圖如圖6所示。

圖6 不同角度對(duì)分離效率的影響圖

從圖6的數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)氣流速度取相同值時(shí)，波紋板傾角β越大，油滴將更容易被波紋板所捕捉，其分離效率也越高。其主要原因是波紋板傾角β越大，使得氣體通過彎角時(shí)速度的方向變化非常劇烈，導(dǎo)致氣流中的油滴受到的離心力變大，液滴容易碰撞波紋板壁面而被捕獲。另外，劇烈的氣流方向變化使得其本身的湍流強(qiáng)度也變大，增大了通道中間油滴被捕捉的概率。

5 結(jié)語

本文利用流體仿真的離散相模型，分析了長慶油田研制的多功能合一設(shè)備波紋板氣液分離元件在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分離效率。

通過研究發(fā)現(xiàn)，板間距的增大使得分離效率降低，而波紋板的傾角越小，也會(huì)降低其分離效率，而且分析結(jié)果與液滴在波紋板通道中的分離機(jī)理得出的結(jié)論是一致的。由此證明了離散相模型是一種有效的油氣分離仿真手段，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

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