[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】石油生产设备中三相重力分离器的建模与控制-中文翻译

石油生产设备中三相重力分离器的建模与控制 Atalla F. Sayda ,James H. Taylor 著， 摘要 ： 石油生产设备内部有着剧烈的动态变化。而研究这些设备的动态变化模型是为了更好地解决这些设备的设计，控制和优化问题。本文的重点在于研究三相分离器每一个分离阶段的动力学模型。液 -液分离设备的流体力学模型基于美国石油学会的设计标准。鉴于一些简化假设，油气分离阶段的动态行为建模最好假设此时油面处于气液相平衡的状态。而石油生产设备是基于该模型模拟的结果进行设计并实现的。仿真模型由一个三相分离设备与一个两相分离设备构成。通过改变在输入流中油的成分来分析其在不同过程变量的影响下产生油的质量。最终仿真结果表明，模型的复杂性与它本身设计是否简单无关。 一、 引言 石油生产设施的主要功能是将油井流分为三部分或称为“相” （油，气，水） ，并转化这些相到一些产品或其他环境中可以利用的形式。这机械装置被称为“分离器” ，气是从液相分离的， “自由水”是从油相中分离。这些步骤将通过去除足量的轻质碳氢化合物来生产出达到销售标准的石油。如果气相单独从总液流分离出来则称之为“两相分离器” ，而那些分离液相中包含原油和水的成分的则称为“三相分离器” 。分离出的气体经过压缩处理的步骤制成成品后再进行销售。所以这些设施的建模要经过控制器设计、过程优化、故障检测等步骤，这些和动态模拟都是非常重要的。在本文中，我们专注于三相重力分离器在上游石油行业中的主要运用，以及对成品油质量的影响。 三相分离器包含有丰富和复杂的动力学知识，它跨越了流体力学，热力学和守恒定律。同时也有非常多的建模技术被用于三相分离器模型的建立。至于该类分离器在热力学方面的建模要点已经在别的文献中有很多提及。相平衡的建模方法已使用了 50年，这种方法也为闪蒸罐和蒸馏塔这样的设备的建立提供了令人满意的答案。这种模式的基本方程是物料平衡和平衡关系组成的总和方程与焓方程。非平衡模型已经发展到描述真实的物理分离过程；而其他的建模方法如计算模型，配置模型和气泡停留时间模型也被相当关注。 历史上，在分离器用来描述聚结和解决油水分散油滴所使用的水动力部分已使用复杂的数学函数模型。这样的模型需要考虑分离器的尺寸，流速，流体物理性质，流体的质量和液滴尺寸分布。这些模型的输出结果是输出成品油的质量。另一方面，在低雷诺兹数下油滴聚结的分散体模型，已发展到分离的混合相与融合油滴的程度。一个对三相分离器计算流体动力学（ CFD）模型的开发，基于时间平均的三相纳维叶斯托克斯方程；考虑了分离器入口 /出口和内部环境的增强部分的非理想流动。 “路径选择模型的方法 ”是利用在三相分离器油相和水相的停留时间分布（ RTD）的，开发给水动力学应用里的定量描述和水相混合。随着美国石油学会（ API）重力分离器设计标准的普及，设计游离水脱除容器会有更好的容量和性能。事实说明 API的设计标准，可以通过实际的 RTD实验对非理想流动的模拟来证明。本文扩展了 API静态设计标准中三相分离器的流体动力学模型里其中一个简单的建模方法的结果。此外，还会通过对分离器的热力学分析进行一个简单的相平衡模型的开发。我们将在第二部分讲诉重力三相分离器的操作。三相分离器每个相的动态模拟在第三部分，他可以用来估计稳定状态的流量，或研究其他分离过程中的操作条件。石油生产设施的仿真模型的设计、实验和测试，分离器在正常操作期间行为的验证和展示在第四部分。最后，仿真结果的讨论和总结在第 5部分。 二、 三相重力分离过程说明 三相分离器被设计用作从混合原油中分离并去除游离水。流体进入分离器的水平隔板，并击中其中的入口分流器。这突如其来的势头在最初分离总混合物时发生。在大多数设计中，进气口分流器中包含一个低于油 /水界面引导液体流动的降液管。这将迫使含有油和水的进口混合物的混合水连续相在容器底部，并上升到油 /水界面。这个过程被称为 “水洗 ”，它促进了水滴的聚结。入口分流确保一点进行气体与液体，并确保没有注入液体上方的气 /油或油 /水接口，该接口将保留在容器中的液体混合难以控制的油 /水界面。 一些气体流过的入口分流器，然后通过重力沉降的手段到水平液体以上。作为气体流通过这部分，小滴气体中夹带的液体，而不是分离的入口分流分离出来，通过重力下降到气 - 液界面。一些小滴有着非常小的直径，它们不容易在重力作用下在沉降段被分离。之前的气体离开容器，它通过聚结部分，或薄雾提取凝聚并去除它们，在气体之前离开容器。 三、 三相重力分离器数学建模 当碳氢化合物流体流进入一个三相分离器，会有两个鲜明的现象发生。第一 现象是流体动态的，其特点是夹带着油和水的微滴的重力分离，在水相和油相分别的重力分离流中夹带的气泡，并使重力分离的液滴分散在气相中。第二个现象是热力学的。在某种意义上说，一些轻质碳氢混合物和气体溶液分离出来的油相，由于在分离器中的压力降达到一个平衡状态。由于这种现象的复杂性，我们要通过流体力学和热力学知识从油相中分离油中夹带的水性相液滴、分离的气体和碳氢化合物。水洗过程将具有非常大的帮助，即最大限度地减少了在油相中夹带的水。此外，前述重力分离过程也应该最大限度地减少主流中夹带的气体量。 在简化的分离过程中，油井流体与摩尔流量 天然气，石油，和水的摩尔inF分数 ， ， 分别进入分离器。烃组分的流体分离成两部分；第一分流gZow 1hF因重力分离进入油相，而第二个流 由于不完全分离保持在水相中。从水相2h中排放的液体是由倾销水流 加和未分离碳氢化合物流 的组合。在分outwFwF2h离出的烃类流中的气体组分，进油相分离成两部分，第一部分气流 由于压力1g下降分离出油相隔板；第二部分气体流 保持溶解在油相中。从分离器的排出2g的油的流体流 含有分离出包含油成分的烃类 和溶解的气体成分 。从分out oF2gF离器流出的分离气体 ，将被用于进一步的处理。 outgF为了简化建模的过程我们将在后面的章节中模拟分离器模型各相的动态。此外，还要作出一些简化方案的假设。各个阶段在分离过程中被认为是等温在100 分离的。我们还假定，特别是在水相中液相流模式是外挂流动的。此F外，油在水相中的微滴具有均匀的大小分布直径约为 500微米。油液滴的上升速度也被假定为服从斯托克斯定律。热力学现象在模拟平衡态的假设下，拉乌尔定律是有效的。我们假设只有一个轻烃气流被从油相分理出到气相中，即甲烷。甲烷蒸汽也可认为是一种理想的气体。最后，还有一个液 - 气平衡在油面和液 - 液平衡的水 - 油交界面。 A.水相 为了模拟分离器中的水相，我们将按照 API标准进行静态设计，并按照通常的标准简化假设。 API规范允许碳氢化合物水滴（如石油和溶解光气）从分离器底部的设计直径大于保水性期间内表面。位于气缸底部的烃液滴有穿越油 -水的交界面的最大距离。因此，油分离流体力学建模是基于确保去除所有其他具有相同或更大直径的液滴。鉴于这样的简化假设，穿越碳氢化合物液的滴会在其路径上的油 - 水界面进行的垂直斯托克斯定律，上升的速度分量 受插头v水平速度分量 水相的流动模式的影响。垂直速度分量从斯托克斯定律估计方hv程（ 1）可知： 110786. 2wmhv dSG与 是液滴和水在烃中的比重， 是液滴的直径单位是微米， 是hSGw mdwCP在 100 时水中的粘度在。水平速度分量估计从水相保留为 ，其中F /Lvh是分离器的长度和 保留时间为水相 ; 是水相的体积， 是水LwattFV/watVatF的流出量。水平面 是油水交界面，它是由公式（ 2）得出的： cos1in5.0/22RhLAatc其中 是水相的横截面的面积， 是分离器的半径， 是定义的角圆弧段cA 与横截面面积 的夹角。最长的液滴在油 - 水界面的路径形成的角 可以从方程（ 3）来估计： 3tan1hv在水相中的设计参数 将会使其标称值低于三相分离器在正常工,hAc作阶段 的值，即图三所示。然而，我们的模型也必须是有效的象征式值。watF在较高的流量值时这是复杂的，因为不再能实现完全分离。让我们假设，增加了水 的流出由于流入相应增加 的值。这将导致增加 到 的最watFwatFhvh长的路径将是穿越碳氢化合物角度的变化液滴从 到 。图 4示出的概1念，在几乎完全延伸的罐体上，将会在 实现完全分离，尽管这是虚L1构的。假设设计参数 保持不变，如在图 4中示出，则可知： ,hAc4cotan11hLvh我们必须做一个更加简化的假设，来估计未分离的碳氢化合物的体积分数。图 5中所示，我们假设未分离的油滴在水相中可以形成一个 “尾巴 ”的延伸到虚拟隔板延伸，还示出在图 5中的虚线，进行湍流流动和出液水。当然对此准确性的假设应取决于几何形状的水和油的销货罐和结构。 根据这一假设，在底部的图中的区域 S3代表未分离碳氢化合物流体的体积。从图 5可以看出，区域 是烃流体体积之间的差异在虚拟的分离器（区域3SV3S所代表的体积） ， 和在实际的分离器中烃类流体的量 （区域 所代表11V2SV的体积） 。体积 可以用圆柱部分的体积之间的差异计算所定义的参数S ,1Lh，和圆柱形楔子参数 ，如等式（ 5）： 1,Lh5cos13insin2si5.0312 RS此外，再次参照图 5，体积 的体积可估计为圆筒段之间的差异，并可设2SV计圆筒段参数 ，和圆柱形楔子参数 ，如方程（ 6）： ,Lh1,1Lh 6cos13insin2si5.011312 LRVS虚拟的油 - 水界面 和角度 可由方程（ 7）定义的： 1h1costan11RhL因此，我们可以估算出未分离碳氢化合物流体体积分数 ，公式（ 8）： 8,0112其 他 情 况 LVS估计未分离的烃类流体体积分数 ，我们可以计算出分离与未分离的烃类流体的体积流量体积 ， 。最后，在我们转换后的摩尔体积流量流向后，vhF1v2可以通过使用方程（ 9）编写动态物料平衡水相： 943.62.43.621.12 voutinvhout hv hv hWwiwatinWwinoghiFSGMFdVZSGMFZF表示烃，水和传入混合物分子量； 是烃inwhM, inwhSG,类，水和传入的混合物比重； 表示水相的体积； 表示流出水的体积。 wat outwB.油相 为了模拟在热力学现象下的油相，我们不能使用最直接的方法去估计被分离出的气体量。既然我们假定理想的相位平衡状态是有效的，那就应该应用拉乌尔定律，这样我们就可以知道会有多少甲烷被留在油相中的带走。拉乌尔定律相关的蒸气压力由组合物溶液的成分决定。这就可以列出等式： 。iviPxy其中 的 i是组分在气相中的摩尔分数， 是 i在液体组分的摩尔分数， 为气y x相的总压力， 是组分 i的蒸气压力。 ivP由于产物只有一个轻烃（即甲烷） ，这意味着甲烷的摩尔分数在汽相中是，和带走在液相中的甲烷的摩尔分数为 。鉴于由组合物1y vPx/1,ogZ分离出的碳氢化合物 流，我们可以估算甲烷 和在油相中溶解的甲烷 。1hF1gFF也可估计出排出的油流 及其均分子量 和其比重 。完整的动态模型out owM1oSG油相通过考虑方程（ 10） ，然后可以制定的服从的物料平衡： 101112121 oilgoilooghoilghggSGNMwxSxGMwFdtNFxZutut是液体在油相中的摩尔数； 是油排出流 中的摩尔油成分；oilNoFout是油和气体的分子量； 是气体和油的比重。 gMw, gSG,C.气相 在理想气体定律的假设下，分离器的气相建模物料平衡。我们可以应用理想气体定律来判断的气体压力 ，方程（ 11）所描述的： P143.6211gasoilwatsepgailooilggasVRTNPSGMFdtNout指的是气体中的气体摩尔数； 是从分离器中流出的气体相的摩尔gasNoutgF数； 分别指油相体积，气相体积以及分离器容积； 是通用气体sepoilV, R常数， 是分离器温度的绝对值。 T四、 分离器模型验证 在获得三相重力分离器的动态模型后，我们设计一个模拟模型来模拟石油生产设施，用来验证模型在以下几种情形下的行为。仿真模型基本上由三个过程组成，如图 6中所描绘的。第一个是一个两相分离器中的碳氢化合物从油井的流体分离成两相（气油 +水）并尽可能去除更多的轻烃气体。分离器是 15英尺长，并且一个直径为 5英尺。两相分离模型是根据三相分离器的油相和气相模型的基础上制定的。也就是说，我们要运用热力学原理来模拟气体从水相中分离的场景。该液体随后抽运到三相分离器（即第二个进程） ，进行水与固体从油相中分离的操作。这样生产出来的石油，随后抽出并处理成符合炼油厂和石化厂需求的规格并出售。三相分离器的长度为 8.6英尺，直径 4.8英尺。轻型和中型气体从分离过程被送到一个气体洗涤器中，将烃和其他液体残余从气体中分离出来并送回气体洗涤器作进一步处理。然后，生成的气体（即第三个过程）抽出并向外进行销售。为了简单，第三种方法不包括在仿真模型中。 仿真模型中的两个分离过程需要控制使影响最小化，以保持在其额定工作点的值和避免干扰生产的油品质量。在图 6中所示，第一分离过程控制着两个 PI控制器循环。在第一个循环中，液体通过操作电平使液体流出阀保持不变。第二环路控制两相分离器的气体放电管来操纵压力。 PI控制器的接口通过操纵排水阀保持在油 /水界面的水平高度，而油位是受第二 PI控制器操纵排油阀的。第三 PI控制器使容器内压力保持恒定。 五、 仿真结果 在液体的两相分离过程操作的体积为 146立方英尺和工作压力为 625PSI。与此相反，三相分离器工作时水相体积为 77.5立方英尺，油相体积为 46.5立方英尺，工作压力为 200 PSI。两个分离过程的工作温度均为 100。该设施以 25.23摩尔 /秒的速度处理碳氢化合物流通过 1900 PSI压力下的井。输入的气体流为22:61%摩尔分数的气体， 7:79%的油， 69:6%的水。为了演示分离器的动态行为，其含油量以 2mol/s的速度增加，并在时刻 t1 =150s和 t2= 250s之间呈线性增加的。图 7描绘这种输入流其摩尔组成凡人变化；引油摩尔分数的增加而减少的水和气体的摩尔分数。 油性成分的增加有着巨大的倾角，因输入流引起的液体体积与气体压力在两相分离的峰值分别为 167立方英尺和 630 PSI，如图 8所示。因两个 PI控制回路的干预，来纠正这种操作在两相分离点因错误操作引起的液体和气体流出。这个工作点干扰了约 300秒到分离器控制系统完全拒绝。图 8还显示了分离器两相之间的动态差异。液相的动态变化相较于气相的动态变化慢，即液体体积比气体压力的变化速度慢。有趣的是，要注意液体流出的摩尔数是以 2摩尔 /秒增加的，这是因为输入流施加了相同的变化。这反映出在质量方面产生的液体 比重增加从 31:7API到 35:3 API。质量的变化可以通过绘制产生的液体摩尔组成来表现，如图 9所示。所生成的液体油的摩尔分数增加，而溶解与水的气体的摩尔分数下降。 虽然输入流被拒绝并在两相分离器中被校正，单由此产生的生产液体的数量和质量会影响在三相分离器中的下一个流程。如图 10中所示，分离过程变量并没有受到太多的影响，是因为收到了 3个 PI控制回路的校正。鉴于三个阶段的动态之间的差异（即两个液相的气相动态差异） ，会在约 300秒时被完全阻断。然而，应该注意的还有两个主要事件；第一个事件是排放废水中的油摩尔分数略有增加。这可以归因于在