新型螺旋管氣液分離器分離性能數(shù)值模擬

薛國(guó)民， 郭 嬋， 張永學(xué)， 許 歡， 張新虎

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司 質(zhì)量節(jié)能部，黑龍江 大慶 163453 )

0 引言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，陸上常規(guī)油氣田油、氣、水、砂分離技術(shù)和生產(chǎn)工藝日臻完善;但海洋油氣和陸上非常規(guī)油氣田的大規(guī)模開(kāi)采對(duì)油氣水多相分離技術(shù)[1-9]又提出新的挑戰(zhàn)，如海上石油開(kāi)采所需分離器應(yīng)具有結(jié)構(gòu)尺寸小、分離效率高、處理量大等特點(diǎn).新型旋流三相分離器[10]、柱狀旋流分離器[11]和天然氣凈化旋風(fēng)分離器[12]等結(jié)合重力和離心力的復(fù)合作用原理，可以達(dá)到較好的分離效果.目前把螺旋管作為分離部件的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究還處于摸索階段[13],影響分離效果的因素包括螺距、管徑、回轉(zhuǎn)半徑、圈數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣液密度、氣液黏度、入口速度、含氣率等操作參數(shù).

筆者研制螺旋管氣液分離器，它在小流量低流速時(shí)主要依靠重力分離，在大流量高流速時(shí)主要依靠離心分離;螺旋管采用多圈設(shè)計(jì),以延長(zhǎng)離心力和重力的作用時(shí)間，從而達(dá)到更好的氣液分離效果;采用數(shù)值模擬方法，研究各因素影響螺旋管氣液分離器分離性能規(guī)律，為確定螺旋管分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)、開(kāi)孔方案和操作參數(shù)提供參考依據(jù).

1 計(jì)算模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)

新型螺旋管分離器及其測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1.其中：分離器腔體直徑為325 mm，集液腔高為800 mm，螺旋管分離腔高為400 mm，集氣腔高為300 mm.入口管直徑為25 mm，螺旋管回旋直徑為300 mm.

1.2 多相流模型及介質(zhì)條件

計(jì)算未開(kāi)孔螺旋管幾何模型見(jiàn)圖2，采用歐拉模型，網(wǎng)格數(shù)為350萬(wàn).

氣液介質(zhì)條件為：

(1)氣液混合流體含氣率為0.20～0.80.

(2)液體密度為800～1 000 kg/m3，液體黏度為5×10-3Pa·s，氣體密度為0.9 kg/m3，氣體黏度為1.5×10-5Pa·s.

(3)入口流速為1～30 m/s(處理能力為42～1 200 m3/d).

(4)工作壓力為0.2 MPa，工作溫度為318 K.

(5)分離液滴直徑為10-4m，分離氣泡直徑為10-3m.

圖1 新型螺旋管分離器及其測(cè)試系統(tǒng)(單位：mm)

圖2 螺旋管計(jì)算幾何模型

1.3 湍流模型

綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算量，對(duì)于螺旋湍流的數(shù)值模擬主要采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[14]和RNGk-ε模型[15]，其中RNGk-ε模型對(duì)于彎管流[16]、沖擊射流[17]和旋轉(zhuǎn)流[18]等流動(dòng)類型具有較高的精度.考慮螺旋管模型的螺旋形流道結(jié)構(gòu)，采用RNGk-ε模型比較合適，k和ε方程[19]分別為

(1)

(2)

式中：σk，σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；i取p相和q相；μl,m為湍流黏性系數(shù):

μl,m=ρmCμk2/ε;

(3)

Gk,m為湍動(dòng)能生成率:

Gk,m=μl,m[υm+(υm)T]/υm.

(4)

1.4 邊界條件

計(jì)算邊界包括入口、出口和固體壁面:(1)入口邊界氣液兩相均勻混合，給定速度及含氣率.(2)出口邊界采用自由出流邊界條件.(3)固體壁面采用無(wú)滑移邊界條件.

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離性能的影響

2.1 螺距

入口速度為20 m/s，含氣率為0.20，螺距分別為26.67 mm(緊密排列)和47.22 mm(相差1個(gè)管徑)時(shí)，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)，螺距加大對(duì)分離效果的改善并不明顯，考慮螺距加大將使整個(gè)螺旋管分離裝置高度增加，占用空間大，同時(shí)壓降增大，因此采用緊密排列方式較好.

2.2 管徑

入口速度為20 m/s，含氣率為0.20，螺旋管在管徑為20 mm和25 mm時(shí)，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)，2種管徑螺旋管的分離效果變化不明顯.

圖3 不同螺距時(shí)第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

圖4 不同管徑時(shí)第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

3 操作參數(shù)對(duì)分離性能的影響

3.1 液體黏度

入口速度為20 m/s，含氣率為0.20，液體黏度分別為0.001 Pa·s和0.005 Pa·s時(shí),第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，液體黏度對(duì)分離效果影響很大，黏性越小，分離效果越好.原因是黏性越大，液滴所受阻力越大，氣液分離難度越大.

圖5 不同液體黏度時(shí)第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

3.2 入口速度

入口速度分別為1,5,20,30 m/s，含氣率為0.20時(shí)，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見(jiàn)圖6.由圖6可見(jiàn)，當(dāng)入口速度為1 m/s時(shí)，含氣率分布的梯度方向與水平方向成一定角度，近似為45°，分離受重力分離和離心分離作用相當(dāng).隨著入口速度增大，離心分離作用占主導(dǎo)，該梯度方向接近水平.當(dāng)入口速度達(dá)到30 m/s時(shí)，螺旋管內(nèi)側(cè)含氣率很高，離心分離作用明顯.這是由于速度增加，在同一回轉(zhuǎn)半徑下，離心力也會(huì)相應(yīng)增大.

圖6 不同入口速度時(shí)第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

由圖6還可以得到開(kāi)孔方案的提示，即開(kāi)孔時(shí)應(yīng)充分考慮離心力與重力相互作用，盡量沿其合力方向開(kāi)孔.當(dāng)入口速度較小時(shí)，離心力與重力作用相當(dāng)，氣體主要集中在螺旋管內(nèi)側(cè)偏上約45°的位置，液體集中在螺旋管外下側(cè)約45°位置，沿內(nèi)上側(cè)45°方向開(kāi)氣孔比較合理.隨著入口速度增大，氣液分離效果越來(lái)越明顯，離心力作用遠(yuǎn)大于重力作用，合力主要取決于離心力，使液體主要集中在螺旋管外側(cè)近似水平位置，氣體集中在螺旋管內(nèi)側(cè)近似水平的位置，沿近似水平方向開(kāi)氣孔比較合理.

3.3 入口含氣率

入口速度為20 m/s，入口含氣率分別為0.2，0.4，0.6，0.8時(shí)，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見(jiàn)圖7.由圖7可以看出，當(dāng)入口含氣率為0.2時(shí)，螺旋管內(nèi)側(cè)沒(méi)有形成分離效果很好的氣相帶，螺旋管外側(cè)形成分離效果很好的液相帶.隨著入口含氣率增大到0.4和0.6時(shí)，螺旋管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)明顯的分離效果較好的氣相帶.當(dāng)入口含氣率為0.8時(shí),螺旋管內(nèi)的含氣率梯度不如入口含氣率為0.6的效果.原因是入口含氣率為0.8時(shí)，流體以氣相為主，擾流作用強(qiáng)，液滴聚集難度加大.在相同的入口速度條件下，入口含氣率增加氣相分離效果增強(qiáng).當(dāng)入口含氣率很高時(shí)，液相分離難度增大.

圖7 不同入口含氣率時(shí)第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

4 結(jié)束語(yǔ)

螺旋管氣液分離器是集重力分離與離心分離于一體的新型分離器.在相同入口流速和含氣率時(shí)，螺距和管徑改變對(duì)分離效果的改善并不明顯，采用小螺距的緊密排列較好;液體黏度對(duì)分離效果影響很大，黏性越小分離效果越好.在相同含氣率條件下，入口速度越大，離心分離作用越明顯，氣液分離效果越好，螺旋管開(kāi)孔位置在水平和45°角之間較好.在相同的入口速度條件下，含氣率增加氣相分離效果增強(qiáng)；當(dāng)含氣率很高時(shí)，液相分離難度增大.