（油气储运工程专业论文）油气分离器结构数值模拟及优化研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：s t r u c t u r en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo i l g a ss e p a r a t o ra n do p t i m i z a t i o nr e s e a r c h s p e c i a l i t y ：o i l g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e ：j i al i n ( s i g n a t u 旧 出垒型丝 i n s t r u c t o r ：d e n gz h i a n ( s i g n a t u r e ) 逝妇 w uf e n g ( s i g n a t u r e ) l 碰燃 a b s t r a c t t h er e g u l a rp a t t e r no ff l u i df l o w i n gi n s i d et h eo i l g a ss e p a r a t o ri sc o m p l i c a t e d , i ti s d i f f i c u l tt op r e d i c tt h ei n t e r n a lf l o wc o n d i t i o n sb yu s i n gt h ea n a l y t i cm e t h o d l i m i t e db yt h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，i tw i l lc o s tl o n gt i m ea n dm u c hm o n e yo nr e s e a r c hs i m p l yb y e x p e r i m e n t s i nr e c e n ty e a r s ，诵mt h eg r e a td e v e l o p m e n to fm u l t i p h a s ef l o wt h e o r ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ho ns e p a r a t o rh a sb e e ng r e a t l yp r o m o t e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha sl e s sc a p i t a li n v e s t m e n t ，r e a d i l yd e s i g n i n ga n d c a l c u l a t i o n , c o m p l e t ei n f o r m a t i o n s 、a n ds t r o n gs i m u l a t i o nc a p a b i l i t y f i r s t , b a s e do nt h em o d e lo fg r a v i t a t i o n a lo i u g a ss e p a r a t o ri nc a ) m i n o su s ei n o i lf i e l d , t h ea r t i c l eu s e dt h em a t u r es o f t w a r eo ff l u e n t6 2 2 6t os i m u l a t et h ef l o wf i e l di nt h em o d e l s w h i c ha r ei n s t a l l e db yt h ei n l e ti n t e r n a l s ，f l o wr e g u l a t i n gi n t e r n a l sa n dc o a l e s c e n c i n gi n t e r n a l s t h a tu s e di nt h ep a s ta n dt o d a y ，a n df o u n dt h a t ：a m o n gt h ed e v i c e su s e di nt h es i m u l a t i o n , t h e f l a t + 5i n l e ti n t e r n a l 、t e s s e r a lf l o wr e g u l a t i n gi n t e r n a la n ds n a k e l i k ep a r a l l e li no p p o s i t e d i r e c t i o nc o a l e s c i n gi n t e m a lh a de x c e l l e n ts e p a r a t i o no fo i la n dg a sc h a r a c t e r s s e c o n d ，b y c h a n g i n gt h ef l o wr e g u l a t i n gi n t e r n a l s a n g l ea i m i n gt od i s c h a r g et h ef a l l i n gl i q u i do nt h e m , t h ep a p e rf o u n dt h a t t e s s e r a l + 5 a n d p a r a l l e l - 4 0 f l o wr e g u l a t i n gi n t e r n a l sh a db e t t e r p e r f o r m a n c e f i n a l l y ，t h ea r t i c l es i m u l a t e dt h ef l o wf i e l di n s i d et h es e p a r a t o r 谢t 1 1c o a l e s c i n g i n t e r n a l su n d e rd i f f e r e n tl i q u i dp a r t i c l ed i a m e t e r ，c o n c l u d i n gt h a tt h es n a k e l i k ep a r a l l e li n o p p o s i t ed i r e c t i o nc o a l e s c i n gi n t e m a la n dt h et e s s e r a lc o a l e s c i n gi n t e r n a lc o u l de f f e c t i v e l y c o a l e s c et h el i q u i dp a r t i c l e sw h o s ed i a m e t e rw e r eb e t w e e n7 5 1 m aa n d17 5 1 a m t h r o u g ht h es i m u l a t i o n sa b o v e ，t h er e l a t i o nb e t w e e np a t t e r no ff u i df l o w i n gi n s i d et h e o i l g a ss e p a r a t o ra n dt h ei n t e r n a l sh a db e e ns t u d i e d , w h i c hp r o v i d e ds c i e n t i f i cf o u n d a t i o n sf o r t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no fo i l g a ss e p a r a t o r k e y w o r d s ： t h e s i s ： o i l g a ss e p a r a t o r f l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s r u c t u r eo p t i m i z a t i o n a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a ls t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 毕6 、l d 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 耸聋 到牡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 地层中石油到达油气井井口并继而沿出油管或采气管流动时，随压力和温度条件的 变化，常形成气液两相。为了满足油气井产品计量、矿厂加工、储存和管道( 或其它输 送方式) 输送的需要，必须将已形成的气液两相分开，这一过程通常在分离器中进行【l 】。 矿场用油气分离器就是用来进行油气混合物的相分离以及挟带的液滴与气泡的分离以 得到规定组份和质量的便于原油和伴生气的集输和预处型2 1 。 1 2 分离器研究现状 近年来，国内外先后研制了各种类型的油气分离装置，其共同特点是：在充分利用 进料流体内能的同时，采用高效内部分离结构。如：进料动能吸收器、旋风进料口、整 流系统、泡沫消除器、蛇型板、p e r f o r m a x 板填料等，取代了以前的空筒结构，使 分离效率明显提高。为保证设备有一个稳定和良好的工作状态，要求设备运行过程中 有稳定的工作压力和液面，国内外还研制了可靠的仪器、仪表供配套使用、使油、气、 水的分离技术有了较大幅度的提高。为简化流程，国内外还设计了多种合一分离设备， 如：分离、缓冲罐；分离、缓冲、沉降三合一；加热、分离、缓冲三合一等【3 l 。 重力式分离器是油田上应用最多、最基本也是最重要的油气水分离工艺设备之一。 它具有结构简单、操作方便、运行稳定以及维护费用低等优点。但是，分离器的工作过 程是一种极其复杂的三维流动、两相或三相运动，并且涉及到液滴间的相互碰撞作用， 以及聚结和破碎现象的复杂流程，致使理论研究遇到了许多现代流体力学中尚未解决的 难题，其应用历史虽然已有百余年，但发展情况却是理论研究始终落后于实践【4 】- 【引。 流体的运动，可以用一组非线性的偏微分方程组来描述。但要用解析法求解这些问 题，只有对极简单的情况方有可能。对于工程上感兴趣的问题，经典的流体力学就无能 为力了。对于这类要么是非线性的，要么是求解域相当复杂的实际工程问题，只能求助 于数值法来求解。随着计算机技术的发展，计算流体力学己发展成为一门与实验流体力 学并行的学科。在研究一种新的基本物理现象时，实验一般说来是领先的，计算总是力 图精确地描述实验得到的物理现象，但数值实验的费用要比实验费用低几个数量级。同 时用数值法可以模拟实验难以做到的条件，如模拟爆炸、航空航天、环境保护、气象预 报等问题。通过改变某些变量和初始条件，可方便地得到不同工况下的工作状况。计算 流体力学的主要微分方程基于质量守衡、动量守衡和能量守衡的自然规律。另一些方程 则通过假定模型对方程组进行封闭，如时间平均的湍流运动、因描绘湍流勃性引入的湍 流模型等等，这些复杂多变的模型只有通过数值法才能进行近似求解。近年来，多相流 理论和计算技术的迅速发展极大地推动了分离器的理论研究，人们已经利用计算机对分 西安石油大学硕士学位论文 离器的流场进行数值模拟。 1 3 数值模拟在分离器流场模拟中的应用现状 1 3 1 国外研究现状 1 9 8 2 年，b o y s o n 等首先用c f d 技术手段采用将k - 模型和代数应力方程相结合的 具有湍动各相异性的代数应力模型( a l g e b r a i cs t r e s sm e t h o d ，简称a s m ) 对旋流器进行了 二维的模拟。d y a k o w s k i 和w i l l i a m s 用修正k 吒模型以及g r i f l i t h s l 9 1 和b o y s a n 用r n gk 模型分别对旋流器进行的c f d 模拟研究。m e i e r p o 】等提出了将k - 模型与标准p r a n d t l 混合模型结合的各相异性模型，用有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，简称f v m ) 将新的 模型与各相同性的k 吒模型比较发现，各相同性的模型在模拟旋流器内部流动时是失败 的，而各相异性模型模拟结果与实验数据非常吻合。a j h o e k s t r a 】等分别采用k - 模型、 r n g k - 模型和雷诺应力模型( r e y n o l d s s t r e s sm o d e l ，简称r s m ) 以及激光多普勒测 计( 简称l d v ) 测量对旋流器进行了实验和c f d 模拟研究，通过与测定速度对照评定 了预测旋流器中强涡旋流动的3 种湍流模型的表现，c f d 预报数值与l d v 实验数据对 照显示，以涡旋黏度方法为基础的湍流模型在预测实验观察到的合成涡旋时是失败的， 标准k 模型、r n gk 吒模型预测的轴向速度和切向速度分布是不真实的，不适用于旋 流分离的流场，而雷诺应力输运模型r s t m 的预测与所有3 个涡旋量的测定轮廓趋势 非常吻合，尽管正常湍动应力比预测的高，还有些差异需要进一步改进。e m e r d a l l l 2 j 采用商业c f x 软件，分别用标准k - 模型和r s m 模型对g l c c 内部重相气液旋流流场 进行了c f d 研究，并与l d v 实验测量结果进行了对照，模拟显示在旋流器内最高的切 向速度在进口处，且这一较高的切向速度随轴向和径向衰减，轴向速度显示2 个区域： 中心附近向上流动的区域和壁面附近向下流动的区域，模拟结果与l d v 实验测量的速 度分布趋势非常相似，而且与实验测量结果比较发现：标准k 吨模型模拟的切向速度结 果比实际测量的高，它描述了一个较高的旋转流动，而r s m 模型模拟的切速度结果比 测量的低，l e g o m e z 1 3 】在颗粒轨迹模型的基础上对重相气液两相旋流分离中颗粒运动 轨迹分布进行了数值模拟计算，并预测了g l c c 中气泡夹带和操作性能情况。j o s e p h m l e e 等【1 4 】对高压与低压生产分离器进行了研究，通过观测泡沫与测定原油含砂含水量 进而确定出分离器设计的不足，并利用c f d 技术来显示其设计上的改进对油气水分离 效率与流动模型的影响。他们得出：节流孔板的不良设计致使隔板间产生回流，从而减 弱了孔板对流体的流量控制和分配所应起的作用。相对于堰设定的液位高度影响着油水 层间的速度差，并致使容器内再次形成回流，从而导致分离器效率降低。改进后的分离 器稳定运行时的油气处理量明显提高，同时处理后的原油含砂含水量均达到了预期的要 求，满足了下游石油加工设备的操作要求。s t e w a r t 等i l5 j 对立式气液分离器内流场进行 了数值模拟，得出：通过改进立式分离器入口装置，合理布置捕雾器，可以提高分离器 2 第一章绪论 的分离性能。并指出，c f d 数值模拟能够较为准确地模拟流场，从而为工程设计提供 依据，节省开支。 1 3 2 国内研究现状 国内应用c f d 软件对分离器的研究主要针对液液两相重力式油气分离器以及气液 两相旋流分离器，已经有很多科研工作者做过这方面的努力并得到了较好的结果。吕宇 玲等【l6 】以油田当前使用较多的重力式分离器为基础，应用f l u e n t 软件对含有2 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流场进行了数值模拟， 得到不同内部构件下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， 得出：耙形入口构件、圆筒整流构件、田字板整流构件、蛇形板相向聚结构件以及斜板 交错搭接聚结构件具有较好的油水分离特性。孙治谦等【1 7 】在应用数值模拟软件的基础 上，结合实验研究分别对入口挡板、斜板、平板及重力沉降区域进行设计，得到一套油 水重力分离器，并在全面测定分离器内分散相油滴的浓度、粒度及中位粒径分布的基础 上，分析油滴在分离器各区域内的浮升规律，深入了解分离器内部的流动形态，总结影 响油水两相流动状态的主要因素，从而为进一步开发高效紧凑的卧式油水分离设备提供 依据。赵立新掣1 8 】基于计算流体动力学( c f d ) 方法，采用g a m b i t 建模，利用f l u e n t 软件，对常规立式离心气液分离器进行了模拟仿真，得出：流场对称性很差，底流出口 附近气体含量较多，说明气液分离效果不好。通过结构优化，包括将底流出口改为正下 方排液，单入口改为双入口结构，减小罐体直径，溢流管伸入分离器内部入口管之下， 以及将分离器下端改为锥形结构等，改善分离器内部流场的轴对称性及气相体积分数分 布情况，并提高分离器的净化程度。张黎明等【l9 】采用f l u e n t 数值模拟软件对分离器内 部流场进行三维数值模拟，通过对比速度场和浓度场分布得出：在流量较大的时候，聚 结板分离效果下降，表现出对粒径选择性的单一分离作用；聚结板的结构和材质对液滴 的聚结沉降影响很大，应根据工况和处理条件进行合理选择。彭维明、张文秀1 2 u j 在研 究切向进口分离器和管道分离器两者内部流场的基础上，应用激光多普勒( l d a ) 技术和 计算流体动力学( c f d ) 计算手段，研究了两者内部流态对分离性能的影响，得出：通过 对两者的分离性能进行了试验测试，结果论证了c f d 和l d a 试验测试结果的正确性， 同时，也揭示了切向分离器的内部流场，即有流体进入圆柱层分离表面，同时沿圆柱层 分离表面的径向速度分布是均匀的，这种流动对分离性能有着较好的作用。李振林、董 守平【2 l 】利用p i v 技术重点对重力式油、气、水三相分离器分离器内部流场进行了测试 并到流动死区、旋涡区、流动“短路 等现象，通过分析其对分离效率的影响，提出从 底部进料、均匀化流速等改进措施。魏立新等【2 2 】对油田当前使用较多的旋流器进行了模 拟分析，根据简化结构对比，入口形式、溢流出口直径、旋流腔长度为参数得出不同结 构尺寸旋流器的分离效率，并通过对比分析得到了最优结果。油田现场中应用计算得到 的优化结构可以提高分离效率6 左右。另外，阎惠民等【2 3 j 用计算流体动力学( c f d ) 的 西安石油大学硕士学位论文 数值方法，采用r s m 模型对油水分离用液液水力旋流器的两相流场进行了研究，初步 揭示了液液两相分离的现象，这都为迸一步研究旋流器特性参数对分离效率的影响和 旋流器的结构优化提供了参考。李文静【2 4 】采用拉格朗日法对旋流气液分离器的结构参数 和工况条件进行模拟研究，得到不同情况下分离效率和压降损失的影响情况。强调有较 好的预分离作用的场合下，离心式入口构件较其他构件性能更优越，可优先选择。 对于气液两相流体在重力式油气分离器中的流场研究尚缺乏系统全面的模拟及优 化，本文就是基于此点展开的。 1 4 本文研究的主要内容及研究意义 1 4 1 本课题研究的主要内容 本文应用当前成熟的流场数值模拟软件f l u e n t6 3 2 6 版本，针对重力式油气分离器 内气液两相流流场及其主要性能进行数值模拟，具体工作如下： ( 1 ) 研究最适合分离器流场数值模拟的算法，包括计算域网格的划分、湍流模型 以及两相流模型的选取、数值计算方法的选择等。 ( 2 ) 考察分离器内不同构件配置下的速度、相分布以及湍流结构特性。 ( 3 ) 在本课题研究基础上，为分离器的结构优化以及性能研究上提供一定的参考 依据。 1 4 2 研究意义 油气分离器内部的流体流动规律非常复杂，因此很难用解析的方法预报内部流动状 况。由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究不尽周期长而且费用高。 近年来，多相流理论和计算技术的迅速发展极大地推动了分离器的理论研究人们已 经利用计算机对分离器的流场进行了数值模拟。数值计算技术具有资金投入少、设计计 算速度快、信息完全( 数值模拟可以完全深入的揭示流体流动的内部结构，不存在因实 验手段的限制而检测不到的“盲区 ) 、仿真模拟能力强等特点。因此，利用数值模拟技 术研究分离器内流体的流动规律，进而优化分离器的结构，可以大大缩短其研发周期， 具有重要的工程应用价值。 4 第二章分离器概述 第二章分离器概述 2 1 分离器的分类 油气分离器可按分离器的结构形式、油气分离的要求和使用的场所及用途分为不同 的类型，按结构方面来分类可分为立式、卧式、球式分离器三种，但最常用的是立式和卧 式两种，卧式分离器又有单筒和双筒之分。卧式分离器可经济有效地用于各种场合，特 别是对处理高油气比，大流量的气体或液体以及泡沫原油更为有利1 2 5 1 。立式分离器通常 用于中等或较低油气比的场合，并且利于清洗，所以对处理含砂、盐、蜡状物质等固体 杂质的原油较为有利。球形分离器是介于分离器和气体洗涤器之间的一种设备，多用于 天然气分离装置或小型矿场上。 按分离器的分离要求来分可分为二相分离器和三相分离器两种；按其使用场所及用 途可分为计量分离器、生产分离器、除油器等。在凝析气田所采用的分离器一般为两相 立式分离器和三相卧式分离器，在设计结构上目前国内除计量分离器采用立式外，生产 分离器多数采用卧式，两相立式分离器主要是进行液体和气体的初分离，以及计量作用。 卧式三相分离器较立式分离器具有气液界面面积大、有利于气液分离、油气流路长、分 离效果好等优点，卧式三相分离器可以进行油、气、水的分离，除了分离油中的游离气 体外，还有分离油、水的功能，将油与游离水分开。 2 2 常用重力式分离器 2 2 1 立式分离器 立式分离器通常用于中等或较低油气比的场合，与卧式分离器相比，具有承受较大 的液体波动能力，对液面控制要求不是十分严格。立式分离器的结构一般由进口处的初 分离区以及内部分离元件组成，初分离区有各种不同的结构，常见如在进料口增设折流 箱、进料口采用切向进入等。一般来说进料口切向进入这种形式多用于中、低压力的分 离，折流箱的方式应用比较广泛，这种装置把入口气流分为相反的两路或只分为一路， 并使之冲击在分离器壁上，流体被分布成一个薄膜，同时贴容器壁成环行螺旋路径运动。 这种运动使流体动量降低，从而允许气体较容易地从油膜中逸出。油井气液流经过初分 离后，气体与液体基本上已经分离，液体向下流入分离器底部集液区，气体则经过分离 器的分离元件进行进一步分离，最后经过捕雾网进行液珠沉降。 图2 1 中的分离元件采用螺旋式分离头，它由上环行板、中心导向筒及绕其外部的 螺旋翅片组成。气液流通过入口进入螺旋通道后，进行高速切向旋转，利用气液动能差 原理，在离心和重力作用下液相沿容器内壁降至储液段，气相通过中心导向筒中的折流 板上升至顶部进入气管道。这种分离器其气液流对液相的扰动较小，分离效果较佳，在 柯克亚凝析气田循环注气先导试验站工程中曾经应用分离效果较好，能满足工艺生产要 5 西安石油大学硕士学位论文 求。 立式分离器还设有安全阀、压力指示器、液位和温度指示器等各种仪表，来保证分 离器在生产运行中的可靠性。 9 卜排涡口2 一防涡流板3 一简体4 _ 伞帽5 一油气进口6 一伞帽7 一分离箱 8 一封头9 一安全阀门1 0 - 气出口11 一人孔1 2 - 油出口1 3 一裙座 图2 1 立式分离器 2 2 2 卧式分离器 一般来说，卧式分离器作为生产分离器，可经济有效地用于各种场合，特别是对处 理高油气比、大流量的气体和液体更为有利。卧式三相分离器与立式分离器相比，卧式 分离器有一个较大的气液界面，这对液珠沉降极为有利。有些卧式分离器的沉降区装有 导流装置，以防止气流扰动。集液区装有防波挡板能使液体沿着流向产生一个平稳区， 这些都有利于气液分离。在卧式三相分离器中，油、气、水分离区与两相分离器有较大 差别，具体结构如图2 2 所示。 图2 2 为卧式分离器的典型结构，在其入口处设置了动能吸收器装置，当具有一定 流速的气液混合物进入分离器时，其运动速度和方向突然发生改变，达到气液的初步分 6 第二章分离器概述 离。气体出口设在容器顶部，并在其出口处设置了除雾器，防止气液夹带。液体出口( 油 水) 设在容器底部，并在其出v i 处设置了破涡器，防止气体扰动液面。在容器内部设有 高效分离元件、油箱、水箱，并通过液位控制器进行油气界面和水油气界面的控制，达 到稳定控制。在气体出口处设置有压力控制阀，保证了设备的操作压力。 l56 78 卜封头2 一挡板3 一油气进口3 一分禹头5 一人孔6 一捕雾网7 一气出e l8 一简体9 一筒体 1 0 - 鞍座11 - 油出口1 2 - 连通管1 3 一排污口1 4 - 防涡流板1 5 - 分离箱 图2 - 2 卧式分离器 本文将主要对卧式分离器进行研究。 2 3 卧式分离器 2 3 1 分离器的基本构成 e 1 入口分流器吸收或控制进入分离器的流体动量，分布气液流路，完成气液相的 初分离，并使气液在各自的流通面积上有均匀的流速。 b 重力沉降区在该区的气体流速减小、湍流强度降低，在重力作用下重力气体携 带的油滴沉降下来。 c 集液区为液体提供必要的停留时间使液体进一步脱气，收集从重力沉降区和捕 雾器分出的液体，平衡进液量和排液量的不均衡，起到一定的缓冲作用。 d 捕雾器利用一系列折板、丝网垫或产生离心力的部件，从气流中截留更小的油 滴，使分离器出口气体带液量控制在某一允许数量之下。 e 压力、液位控制。 f 安全防护部件。 2 3 2 工作原理 进入分离器的原油，经入口分流器初步分离后，在重力作用下流入分离器的集液区。 集液区有一定的体积是的来流在此区有足够的停留时间，以便被原油挟带的气泡有足够 的时间上升至液面并进入气相，同时集液区也提供缓冲容积，均衡进出分离器原油流量 7 西安石油 学硕士学位论文 的波动，集液区原油流经分离器全长后，经液面控制器控制的出油阀流出分离嚣。来自 入口分流器的气体水平地通过液面卜方的重力沉降区，被气体挟带的油滴在该区依靠重 力沉降至集渡区。未沉降至波面的、粒径更小的油滴随气体流经捕雾器，在捕雾器内聚 结、合并成太油滴，在重力作用下流入集液区。脱除油滴的气体在压力阀的控制下进入 集气管线。 2 3 3 分离器内构件及其研究进展 a 入口构件油气分离器入口构件的主要功能是吸收进入设备快速气液流的动能。 减少进口射流对流场的冲击。 早期入口构件是结构简单的挡板，当人们认识到入口构件能有效改善入口气液流的 分布状况后，各种结构形式的入口构件大量出现。图2 - 3 中是三种典型的入口构件m 】 结构。 n 妒 ( a ) 挡板式( b ) 空箱式( c ) 离心式 图2 - 3 典型入口构件结构 挡板式入口构件出现的最早，这种构件结构简单，但是分布性能较差，容易在其下 游的分离空间形成涡流、短路等现象。 孔箱式入口构件是河南石油勘探局在h n s - i i 型分离器中最先采用的，其特点是在 吸收上孔箱式入口构件特点的同时，通过将入口构件下置有效地引入了重力效能和水洗 作用，从而较上孔箱式进口件的预分离效果更好。 离心式入口构件的最大特点是利用了离心力的作用，囡离心分离的效果远好于惯性 分离，且便于控制与调节，因此其预分离作用更加明显实用。 之后，离心式预分离筒下加装了耙形以及倒t 形布液构件，以改善分离器流体进几 处的液相分布旧，如图2 4 所示。 o ( 也就是，相p 的质量传递到相q ) ，= ；如果聊用 o ， = v q 和= 。 3 7 5f l u e n t 中的常用的边界条件 a 压力进口( p r e s s u r e i n l e t ) 压力进口边界条件用于定义流动进口的压力及流动的 其他标量特性参数。这种边界条件对可压和不可压流动计算均适用，可用于进e l 的压力 已知但流量或速度未知的情况。 b 速度进口( v e l o c i t y i n l e t ) 速度进口边界条件用于定义在流动进口处的流动速度 及相关的其他标量型流动变量。 西安石油大学硕士学位论文 c 质量进口( m a s s f l o w - i n l e t )质量进口边界条件用来规定进口的质量流量。设置 进口边界上的质量总流量后，允许总压随着内部求解进程而变化。该边界条件与压力进 口边界条件正好相反，在压力进口边界条件中，质量流量变化，总压固定。 d 压力出口( p r e s s u r e o u t l e t ) 压力出口边界条件需要在出口边界处设置静压( 注意 是相对压力) ，静压值的设置只用于亚音速流动。如果当地流动变为超音速，所设置的 压力就不再被使用了，此时的压力要从内部流动中判断。 e 出流( o u t f l o w )出流边界条件用于模拟在求解前流速和压力未知的出1 ：3 边界。该 边界条件适用于出口处的流动是完全发展的情况( 完全发展意味着出流面上的流动情况 由区域内部外推得到，且对上游流动没有影响) 。 周期周期性边界条件用于模拟通过计算模型内的两个相反平面的流动是相同的 情况。f l u e n t 提供了两种类型的周期性边界条件。第一种类型不允许通过周期性平面 具有压降( 对于f l u e n t 4 用户来说：这一类型的周期性边界是指f l u e n t 4 中的圆柱 形边界) 。第二种类型允许通过平移周期性边界具有压降，它是你能够模拟完全发展的 周期性流动( 在f l u e n t 4 中是周期性边界) 。 g 进气口进气口边界条件用于模拟具有指定损失系数、流动方向以及环境( 入口) 压力和温度的进气口。 h 进气扇进气扇边界条件用于定义具有特定压力跳跃、流动方向以及环境( 进气1 ：3 ) 压力和温度的外部进气扇流动。 i 排气扇 排气扇边界条件用于模拟具有指定压力跳跃和周围( 流出) 环境压力的 外部排气扇。 j 壁面壁面边界条件用于限制流体和固体区域。在粘性流动中，壁面处默认为非滑 移边界条件，但是你也可以根据壁面边界区域的平动或者转动来指定切向速度分量，或 者通过指定剪切来模拟滑移壁面( 你也可以在f l u e n t 中用对称边界类型来模拟滑移壁 面，但是使用对称边界就需要在所有的方程中应用对称条件。 第四章油气分离器流场数值模拟 第四章油气分离器流场数值模拟 4 1 引言 重力式油气分离器是利用油气两相密度的不同分离油气混合物的分离设备，为了得 到较好的油气分离效果，设备内流体流动形式应尽可能达到或接近柱塞流( 层流) ，以 利于油气两相的分离。为了达到这个要求，一般通过优化内部构件的形式来改善分离器 的流场分布。 本章从考察设备的流动特性入手，研究分离器内部设备结构与流场分布之间的关 系，为设计和优化油气分离器的结构提供技术指导。 本文主要研究分离器内部构件对分离器性能的影响，故对原有分离器做了一些简 化，去掉了现实分离器中两边的封头。 基础模型尺寸：分离器长1 8 0 0 r a m ，直径3 8 4 m m ，入口直径3 2m m ，气体出v i 直 径1 0 m m ，液体h 口直径1 5 m m 。如图4 - l 所示。 围4 _ 1 基础模型 数值模拟对计算机配置要求较高，本文所使用的计算机主要配置如下： c p u ：i n t e lc o r e 2e 7 4 0 0 ，主频28 0 g h z ，内存4 g b ： 硬盘：2 5 0 g b ： 显卡：g e f o r c g9 5 0 0 g t 4 2 入口构件 4 2 1 几何模型 由第二章我们知道，分离器可以分为进口区，初分离区，整流区，沉降分离区，集 液区和油气出口。初分离区的主要功能是将气液混合物分开，得到以气相流为t 和液相 流为主的两部分。为了达到这个目的，尽可能将油气分开，使其便于向两个方向流动， 同时还要求不产生过多的气泡以免造成下一步分离困难。 由于进入分离器的油井气液流足高速的、扰动的气液混合流体，当其进入分离器后， 其惯性作用必须得到有效克服，使得气液流在分离器尺、j - 下以正常流速产生自然的重力 分离。因此必须加装入口装置，以碰撞或其他机理使来流减速。而入口构件作为分离器 入口处的主要构件，应起到降低油气流速，分散气液流，减少油气挟带的作用。 西安石油大学硕士学位论文 本文中采用平板、凹板、凸板、以及带一定倾斜角度的平板作为入口构件进行模拟， 其中平板+ 5 是指在原先平板基础上逆时针旋转5 度所形成的入口构件，平板一5 指在原 先平板基础上顺时针旋转5 度所形成的入口构件。入口构件位于分离器内部距入口 3 0 m m 处，其中轴线与入口中轴线重合。入口构件横向截面均为圆形，直径6 4 m m ，板 厚l m m 。模拟用入口构件横向与纵向截面图如图4 2 所示： n l 一 ( a ) 横截面 b ) 平板( c ) 平板一5( d ) 平扳+ 5 ( e ) 凸板( f ) 凹板 圈4 - 2 入口构件横向与纵向截面图 由于模型为对称结构，为了减少网格数量，缩短模拟时间所以在模拟中取分离器 的一半进行数值模拟。 4 2 2 网格划分 由于分离器内部几何形状比较复杂，因此本文采用丁非结构化网格与结构化网格相 结台的方式对流场进行离散化处理。其中，入口区域和出口区域，由于几何形状比较复 杂，采取了非结构化网格中的四面体单元对其进行划分，其余区域则采用六面体单元划 分。网格划分后的几何模型如图4 3 所示。 3 0 第四章油气分离器流场数值模拟 图4 - 3 网格划分后的几何模型 4 2 3 材料特性与边界条件 本文中所采用的舟质为水和空气，空气密度i2 2 5 岵i n 3 ，粘度为17 8 9 4 x 1 0 4k g ( ms ) ， 水的密度为9 9 82 蚝m 3 粘度为00 0 1 0 0 3k g ( ms ) 。入口设为速度入l _ _ l ( v e l o c i t y - i n l e t ) 边 界条件，入口速度为08 lm s ，气相体积分数为5 0 0 ；气出u 和水出口设为出流( o u t f l o w ) 出口边界条件。定义纵向对称面为对称( s y m m e t r y ) 边界条件。 4 2 4 模型选取与求解器设置 采用有限体积割分的s i m p l e 算法，差分格式选取为阶迎风格式，压力插补格 式以标准格式为基础；采用f l u e n t 提供的标准k - e 模型和多相混合模型模拟分离器内流 场模拟过程。 4 2 5 模拟结果分析 本文就以r 五种入口构件进行了数值模拟由于分离器为对称结构，故本文采用分 离器对称面处数据作为主要研究对象。 ( 1 ) 速度矢鼍 馕垂 a ) 平板 曲安t - 油人学硕十学忙论文 b ) 平扳+ 5 。萋 霹若l ； 【囊。ll l 熬善 c ) 平板一5 d ) 凸板 第四章油气分离器流场数值模拟 i鋈l 黔 曲宜f t 油人学硕十学位论文 气液流流动方向与构什表面法向夹角小于9 0 。，构件对流体在重力作用下的流动起不到 良好的缓冲作用，使得气液流在发生碰撞后，在构件下方区域产生了涡流，同时平板一5 型构件角度对于气液相分离年利，使得液相在碰撞后不能有效地分离，反而被气相接带 至上方区域，返点从下面的液相体积分数云图中可以看到。幽4 4 ( d ) 凸板型构件入门区 域速度矢量阁。圈中我们看到， 板上部涡流区域较大，且强度较高，涡流中心区域速 度00 7 m s ，边缘速度03 7 4m s ，构件后方心流速度约为o2 5m s 。气液流经构件改变 流向后大部分流体向下流动，速度为08 5 m s 。其丰要原因是：气液流流向与凸板表向 法向火角随高度的降低逐渐变大，对构件前碰撞后向下流动的气液流有很好缓冲作用， 流体动能没有得到充分吸收，而是以较快的速度流向构件f 方区域。并且，气液流与构 件碰摘后流向上方的流体流动方向随高度的引高而逐渐变大，为涡流范围的打大创造了 客观条什。这种构什对于流体的动能既没有很好的吸收，也没有以漩涡形式将其转化， 只足起到了疏导和改变方向的作用。国( e ) 为凹板型入口构件区域速度矢量图。型中显示， 凹板入口构件| j 上r 方区域均存在漩涡区域，上方涡流中心区域速度为00 5 m s ，边缘 速度达到018m s 。f 方涡流区域较小，强度较低。构件f 方区域气液流向下流动，速 度大小为07 6 4m s 。构件后方凹流速度为02 2 5m s 。其主要原闻是：气液流n 一与凹板 发生近于9 0 啪碰撞后，气液流向发生改变，有发生涡流趋势，而凹板表面切甲面方向 证与；呙流趋势方向致，碰撞所产，七的涡流在h 板的不断引导下产生涡流，凹板形状促 使了涡流形成的范崮不会太大，相对于平板和凸板型构件而占，凹板更有利于减小涡流 区域的范。综合分析可知，半板5 平板+ 5 以及凹板型入几构件产生涡流区域较小， 强度较低，且扳后流体同流速度较小。 板型构件区域涡流现象明显，且强度较大，流 体动能投有得到充分吸收。 ( 2 ) 体积分数云图 a ) 平板 第四章油气分离器流场数值模拟 b ) 平板+ 5 藤i i 一翟 _ 。戮 矧【1 慢兰二- c ) 平板5 d ) 凸扳 j e霜一霭一 - j _ 一 阿直l i 油人学硕】学位论文 ( e ) 凹板 图4 - 5 口构件区域液相体积分数 剖4 - 5 ( a ) 一( e ) 中显示了入口构件区域液相体积分数盂图。从图中可知，气液束流在 入u 构件的作用下，气液两相得到了宵效地分离。入口束流叶 液相含量为5 0 ，而经过 入f 1 构件的韧步分离后，液相体积分数下降至3 7 ，各相分布集中且均匀，入u 装胃埘 气波束流起到了很好的预分离作用。图4 - 5 ( a ) 为平板型入u 构件区域体积分数五图，从 图r - 可以看到，平板型构件前l 方液相高台量区域弥散分布，液相体积分数为7 1 。、t 板构件后方液相体积分数约为3 7 。分析其原因为：入几平板构件没有很好的吸收气液 流与甲扳发生碰撞后的能量，而足以较强的涡流形式在构件上方释放，产生的负爪作用 导致构件后方流体回流速度较快，气液桐返混现象出现，从而造成了液相与气相不能较 好地分离丌柬。幽4 - 5 ( b ) 为平板+ 5 构件入【 区域体积分数云图，相比f 平板型入口构件， 平板+ 5 型构件l 狮j 方医域液相高俞暮区域明显减少，且仅分布r 近入几尚件壁面处和 漩涡边缘处，液十h 体秋分数为6 2 ，构件后方液相体积含量约为3 7 。其 ：要原凼为： 平扳十5 型构件上方存在漩涡区，在涡流的离心力作用f ，液帕被分离山柬在近入r 构件擘面处及漩涡边缘处聚集。罔4 - 5 ( c ) 为半板一5 型入几陶件区域体积分数云图，与，卜 板+ 5 型构件相似，平板5 型构件前1 方区域液相高含到夏域日j j 艋减少，目仅分布于近 入 构件壁面处和漩涡边缘处液柏体秘分数y , j6 3 ，其原因为：山于气液流在入ii 构 件前i 方与卜方区域均产生了涡流现象，涡流区中心液柑体秘分数较小，边缘区域被帕 体积分数较大。幽4 - 5 ( d 1 和图4 - 5 ( c ) 分别为 板形构件和凹板形构件k 域的液桐体积分 数西罔，从图巾我们可以明显看f | h 板型入口构件时i ：方还存作局部的液相高禽啭恹， 其中液相含量达到6 5 ，板厉近构件区域液梢体积分数为4 3 ，远构件处为3 7 。卡 埘j 凸板而言，凹板构什i 甜i f 乃均出现讣形液相高含量分如【 域，液棚体积分数为 6 l6 ，这是山于气被水流血板酊j 。7 h 的涡流所戥。分析其原凼为：山j 凸板形构件 刈j 。流体的j i 足起到j , - 疏导和战，业方向的作h 从m 使得小郇分气液束流# e 、板| 打f t 第四章油气分离器流场数值模拟 接进入了后方区域，由于这部分流体克服重力做功，故而水平流动速度较小，从而在板 后区域聚集。由于凹板性构件对所产生的涡流有一定的引导作用，促使了涡流形成的范 围不会太大，气液流与凹板有效碰撞促使气液两相很好的分离丌来。 对比分析可知，凸板型构件周围液相高含量区域较多，且板下方液相高含量区较 广，涡流现象严重，分离性能较差。其中，平板+ 5 ，平板5 以及凹板型构件分离效果 较为优秀。从液相体积分数云图中我们可以看到，这三种构件下方液面上液相高含量区 域分布较少，液面波动较小，结合速度矢量图可知，这是因为分离后液相向下流动，液 面波动，部分液相被气流再挟带所致。对比可得，平板+ 5 型构件下液面波动较小，液 相再挟带作用较弱，性能最优，平板5 及凹板型构件次之。 4 2 6 小结 ( 1 ) 本节采用标准k - e 模型和多相混合模型，对五种结构的入口构件的分离流场进 行了模拟研究，较为真实地反应其内部流场。 ( 2 ) 通过对入口构件的流场速度矢量和体积分布云图分析发现，在分析模拟的入口 构件中，平板+ 5 型入口构件对气液来流的分离效果最优，平板5 及凹板型构件次之， 凸板分离效果较差。 ( 3 ) 通过对凸板入口构件