CO2驅(qū)采出液新型氣液旋流分離器分離特性數(shù)值研究

張平 朱國承 穆中華 李晨 王昌堯

1長慶工程設(shè)計(jì)有限公司

2青海油田采油三廠花土溝聯(lián)合站

石油開采過程中會伴隨大量氣態(tài)混合物的產(chǎn)生，為了得到合格的石油產(chǎn)品，油氣集輸?shù)闹匾蝿?wù)是氣-液分離及液-液分離[1]。隨著三次采油技術(shù)的發(fā)展，CO2驅(qū)油技術(shù)得到規(guī)?；瘧?yīng)用[2]，這增加了油氣兩相分離的難度，對氣液分離提出了更高的要求。常見的油氣分離裝置有重力式分離器[3]、過濾式分離器[4]和旋流離心式分離器[5]等。旋流分離由于具有投資成本低、處理量大、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛關(guān)注[6]。

ROSE 等[7]通過流體動力學(xué)軟件計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對比分析了多級旋風(fēng)分離器的流場。結(jié)果顯示，該氣液分離器對氣液固三相以及氣液兩相都有很好的分離功能。GAO 等[8]在一個直徑為65 mm 的切向入口式柱狀氣液分離器上，從實(shí)驗(yàn)和模擬的角度均發(fā)現(xiàn)，分離中位粒徑約60 μm的液滴，當(dāng)入口氣速超過16.8 m/s 時，分離效率有所下降。WANG 等在一個環(huán)形流通區(qū)域內(nèi)模擬旋風(fēng)分離器中的旋轉(zhuǎn)流動，從液滴碰撞、液滴破裂和液滴與壁面的碰撞這三個角度來模擬液滴的運(yùn)動情況，較為充分地考慮到液滴在旋轉(zhuǎn)分離運(yùn)動過程中可能會發(fā)生的形變，從而建立了一個分離效率模型來預(yù)測旋風(fēng)分離器的分離效率。王振波等[9]利用現(xiàn)代多相流理論、湍流原理和計(jì)算流體動力學(xué)理論，采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對軸流式氣液旋流分離器內(nèi)部的氣相流場、液滴的運(yùn)動軌跡及其破碎碰撞機(jī)理、分離性能及其影響因素進(jìn)行了較深入的研究，對旋流分離器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。于長錄[10]提出了一種新型氣液兩相分離器，針對傳統(tǒng)的氣液分離器分離效率低、體積大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型夾套旋風(fēng)分離器。

雖然目前國內(nèi)外氣液旋流器的研究成果很多，但大多基于傳統(tǒng)的氣液旋流器開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)和模擬研究，局限性比較大，如今實(shí)際生產(chǎn)中的氣相含量高且成分復(fù)雜，單純依靠傳統(tǒng)的旋流裝置很難滿足油品分離的要求。本文基于中國石油大學(xué)（華東）開發(fā)的新型氣液旋流單管裝置，設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)性強(qiáng)且分離性能優(yōu)良的并聯(lián)式氣液旋流器，并采用數(shù)值模擬的方法研究了不同工況下的氣液分離效率，對于新型氣液旋流器的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 湍流模型

湍流數(shù)值模擬方法主要包括直接數(shù)值模擬（DNS）方法、大渦模擬（LES）方法和Reynolds平均法。Reynolds 平均法中包含Laminar、k-ε、k-omega以及Reynolds應(yīng)力模型[11]。k-ε兩方程模型是在一方程模型的基礎(chǔ)上，再引入湍流耗散率ε的方程后形成的，是目前應(yīng)用最為廣泛的湍流模型。該模型又包含標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相對于零方程和一方程模型有很大改進(jìn)，但對于強(qiáng)旋流、彎曲壁面流動或彎曲流線流動會產(chǎn)生一定程度的失真。為彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的不足，學(xué)者們提出應(yīng)用較為廣泛的RNGk-ε模型，該模型對湍流黏度進(jìn)行修正，如式（1）所示：

式中：μt，μt0分別為修正后和修正前的湍流黏度，kg/(m·s)；αs為漩渦因子；Ω 為特征旋轉(zhuǎn)量；k為湍動能，m2/s2；ε為湍流耗散率，m2/s2。

考慮流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動問題，湍動能k方程和湍流耗散率ε方程如式（2）（3）所示

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；ui為i方向的速度，m/s；xi，xj分別為i方向和j方向的坐標(biāo)，m；αk，αε分別為k方程和ε方程的湍動普朗特?cái)?shù)；μeff為有效動力黏度，kg/(m·s)；Gk為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)，kg/(m·s2)；Gb為浮力引起的湍流能產(chǎn)生項(xiàng)，kg/(m·s2)；YM為可壓縮湍流動脈膨脹造成的耗散率，kg/(m· s2)；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Rε為ε方程附加項(xiàng)，kg/(m·s2)；Sk，Sε為用戶定義的源項(xiàng)。

考慮到RNGk-ε模型所得到的模擬結(jié)果準(zhǔn)確性更高，氣液分離器的湍流模型采用RNGk-ε模型。

1.2 多相流模型

多相流模型包括Mixture 模型和歐拉雙流體模型，前者主要是針對氣液兩相的混合模型，適用于氣相濃度較低的情況；而后者考慮到氣泡之間、氣泡與混合液之間的相互作用，可得到氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)分布，目前在國際上的應(yīng)用越來越廣泛。為使模擬數(shù)據(jù)更符合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，結(jié)合所要模擬的氣液分離工況，以氣體為連續(xù)相，液體為分散相，使用歐拉-歐拉法的Eulerian 模型對氣液兩相間的相互作用進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模擬方法

（1）幾何模型。針對CO2驅(qū)油采出液的特性，基于新型氣液旋流單管裝置，設(shè)計(jì)出一種高效的氣液分離裝置，其幾何模型如圖1所示，具體尺寸參數(shù)如表1所示。該分離裝置工作流程為：氣液兩相同時由切向入口進(jìn)入分離器內(nèi)置的旋流器單管內(nèi)，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；由于兩相密度的差異，在離心力的作用下，液相匯集于側(cè)壁形成外旋流，而氣相匯聚于中心形成內(nèi)旋流；進(jìn)入錐段后，由于在錐段內(nèi)直徑變化緩慢，旋轉(zhuǎn)加速度逐漸減小，密度較大的液相通過底流管流至集液腔排出，在背壓的驅(qū)動下，密度較小的氣相向上運(yùn)動，通過內(nèi)旋流由溢流管流出至氣體腔，再經(jīng)過頂板的二次除液后排出，從而實(shí)現(xiàn)氣液兩相的分離。其中，旋流單管的兩個切向入口可增加離心作用力，強(qiáng)化氣液兩相分離，設(shè)置隔板，不僅可以防止兩相返混，而且可以對旋流單管進(jìn)行固定。

圖1 氣液分離裝置模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas-liquid separation device model

表1 氣液旋流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of gas-liquid cyclone device

（2）網(wǎng)格劃分。本文使用Mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到網(wǎng)格對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，為保證足夠的計(jì)算精度，采用高密度的四面體網(wǎng)格劃分整個流域，并在局部區(qū)域進(jìn)行必要的網(wǎng)格加密處理。同時進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終使用總數(shù)約54 萬個四面體網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，生成的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division

（3）介質(zhì)物性參數(shù)。采用混合氣體（包含C1～C6、H2O和CO2）和混合液體（油水混合液）作為氣液兩相體系進(jìn)行模擬計(jì)算，環(huán)境溫度為30 ℃，壓力為0.3 MPa。

混合氣體：密度ρ=3.827 kg/m3，動力黏度μ=1.324×10-5Pa·s。

混合液體：密度ρ=921.95 kg/m3，動力黏度μ=2.81×10-3Pa·s。

（4）邊界條件和初始條件。兩相分離器入口采用質(zhì)量流量入口邊界，不同工況下的入口液相質(zhì)量流量皆為3.125 kg/s，入口氣相質(zhì)量流量分別為0.115 9，0.231 8，0.463 5，0.618 0，0.880 7 kg/s，入口湍流邊界選擇湍流強(qiáng)度和黏度比，分別為5%和10%?？紤]到液出口滿足充分發(fā)展的狀態(tài)，分離器出口采用自由出流邊界。壁面認(rèn)為不可泄漏，采用無滑移條件。

（5）數(shù)值解法。因?yàn)榇嬖谳^大曲率和高速旋流的計(jì)算域，壓力離散格式選用PRESTO！，其余方程離散采用QUICK差分格式，殘差設(shè)置為10-5，完全滿足計(jì)算的精度要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對每一個工況進(jìn)出口進(jìn)行物料衡算，如式（4）所示：

式中：Δ 為凈流量，kg/s；mgo,l，mgo,g分別為氣出口液體質(zhì)量流量和氣體質(zhì)量流量，kg/s；mlo,l，mlo,g分別為液出口液體質(zhì)量流量和氣體質(zhì)量流量，kg/s；mi,l，mi,g分別為進(jìn)口液流量和氣流量，kg/s。

通過計(jì)算，各個工況的進(jìn)出口流量差均小于0.02 kg/s，基本滿足物料衡算的條件。

3.2 氣液兩相分布云圖

圖3為入口流量分別為135、256、532、746和961 m3/h 的液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。從圖中可以看出，連續(xù)相混合氣體和分散相混合液體進(jìn)入旋流裝置后高速旋轉(zhuǎn)，由于兩相存在密度差，較輕的氣相向軸線位置靠近，向上由氣出口排出，較重的液相被甩向邊壁，向下由液出口流出，在旋流單管錐段附近發(fā)生氣相和液相的反向輸送。由于旋流器的錐段管徑不斷減小，此處流速急劇增大，產(chǎn)生較高的離心力，使得液相在此處容易破碎形成小液滴，隨氣體內(nèi)旋流從溢流口逃逸出去，以及液相中容易產(chǎn)生氣泡隨液體外旋流從底流口排出。隨著進(jìn)口流量的增加，總體上氣出口的液相濃度在下降，這是由于進(jìn)氣量的增加，導(dǎo)致液相的占比下降，液出口的液相濃度呈一定的下降趨勢，并在進(jìn)氣量大于等于746 m3/h 后保持基本不變，這是因?yàn)闅馑俚脑黾訉?dǎo)致一部分液滴被卷揚(yáng)到氣相當(dāng)中，導(dǎo)致液出口的液含量降低。

圖3 不同入口流量下液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.3 Cloud diagram of liquid phase volume fraction distribution under different inlet flow

3.3 不同進(jìn)口流量對分離特性的影響

進(jìn)口流量是氣液分離器的一個重要的操作參數(shù)，進(jìn)口流量對于旋流器內(nèi)部的離心場和停留時間都有顯著的影響。為此，研究了不同流量下進(jìn)出口的氣液分離情況。氣出口含液量和液出口含氣量皆為考察氣液分離器的關(guān)鍵指標(biāo)，通過計(jì)算氣出口液體質(zhì)量濃度(Cgo)、液出口液體體積分?jǐn)?shù)(vlo)和不同出口的分離效率(η)來討論分離裝置的分離性能，各性能指標(biāo)可由式（5）～式（8）計(jì)算：

式中：Vm為摩爾體積，m3/kmol；pgo,g為氣出口壓力，Pa；T0為標(biāo)況溫度，K；p0為標(biāo)況壓力，Pa；Tgo,g為氣出口溫度，K；Mg為氣體平均摩爾質(zhì)量，kg/kmol；ρl，ρg為液體密度和氣體密度，kg/m3。

（1）不同進(jìn)氣量對除液效率的影響。在135～961 m3/h 的進(jìn)口流量下，氣出口的氣液質(zhì)量流量如圖4 所示。由圖4 可知，在不同工況下，氣液兩相經(jīng)過旋流裝置后，幾乎全部的氣相從氣出口排出，僅有少量的液相被夾帶著從氣出口逃逸出去。這是由于混合氣液進(jìn)入旋流單管后，產(chǎn)生較強(qiáng)的離心力，由于氣相比液相密度小，主要向旋流器中心移動，在壓差的作用下沿著溢流口向上排出，而液相則被甩向邊壁，在重力作用下從底流口流出。在高旋流條件下，少量的微小液滴被帶入到中部氣流之中，無法通過密度差移向邊壁，從而被氣流裹挾著從上部出口排出，導(dǎo)致氣出口出現(xiàn)液相。在入口液相質(zhì)量流量不變的前提下，隨著入口流速的增加，氣出口的液相含量有升高的趨勢，這是由于氣速的增大使得邊壁處的液相被卷揚(yáng)起來形成較小的液滴，又因?yàn)橥Ａ魰r間降低，液滴來不及重新被邊壁捕集便被返氣夾帶著從氣出口逃逸出去。

由圖5可知，隨著進(jìn)口流量增加，氣出口的除液效率在不斷下降，最低效率低于78%，這說明被帶出的液相是增多的，這是由于氣速的增加導(dǎo)致氣液湍流強(qiáng)度升高，增加了液滴在壁面處的碰撞和彈跳概率，使得更多的液滴被氣相帶出。從圖中還可以看出：隨著進(jìn)口流量的增大，氣出口的液體質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先快速下降后緩慢下降趨勢。結(jié)合圖4可知，這是由于氣出口液相的增加率不及氣相導(dǎo)致的，愈來愈大的進(jìn)口氣速減緩了液體濃度的下降趨勢。

圖4 不同進(jìn)口流量對氣出口氣液流量的影響Fig.4 Influence of different inlet flow rates on the gas-liquid flow rate at the gas outlet

圖5 不同進(jìn)口流量對除液效率的影響Fig.5 Influence of different inlet flow rates on the efficiency of liquid removal

雖然提高入口流量可以降低氣含液濃度，但并不能提高除液效率，反而氣夾液的現(xiàn)象更加嚴(yán)重，使得效率呈線性下降的趨勢，因此應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎確定合適的入口流量。

（2）不同進(jìn)氣量對脫氣效率的影響。在不同的工況下，液出口的氣液質(zhì)量流量如圖6所示。當(dāng)進(jìn)口流量從135 m3/h 增加到961 m3/h 時，液出口幾乎無氣體逸出，這可能是因?yàn)榛旌弦后w作為液相，處于一種結(jié)構(gòu)比較緊湊的狀態(tài)，在錐形的集液腔內(nèi)形成液封，導(dǎo)致氣體很難通過。但隨著進(jìn)口流量的增加，即使進(jìn)口液流量保持不變，液出口的排液量仍在減少，這是由于氣速的增加，導(dǎo)致部分液相在邊壁處破碎，被氣體帶入內(nèi)旋流，其次分離器內(nèi)部壓力也隨之增大，使得與氣出口之間的壓差加大，進(jìn)而液滴更容易從氣出口逃逸出去，這種推斷可以從圖4中的氣出口液相流量當(dāng)中得到驗(yàn)證。因此，入口氣速應(yīng)當(dāng)恰當(dāng)設(shè)置，否則會出現(xiàn)氣出口夾液嚴(yán)重和液出口液量降低的現(xiàn)象。

圖6 不同進(jìn)口流量對液出口氣液流量的影響Fig.6 Influence of different inlet flow rates on the gas-liquid flow rate at the liquid outlet

從圖7中可知，隨著進(jìn)口流量的增加，液出口的液相體積分?jǐn)?shù)呈線性下降的趨勢，其次液出口的脫氣效率也出現(xiàn)了波動，這是由于隨著氣速的增加，氣出口的液相排量增加，液出口的排氣量也有略微的升高，進(jìn)而導(dǎo)致上述趨勢的產(chǎn)生。但發(fā)現(xiàn)液相體積分?jǐn)?shù)下降不超過0.1‰，效率波動不超過1.5%，且液相含量和脫氣效率都保持在較高的范圍內(nèi)，這說明流量變化對于液出口脫氣的影響并不十分明顯，并且脫氣性能表現(xiàn)較為優(yōu)異。

圖7 不同進(jìn)口流量對脫氣效率的影響Fig.7 Influence of different inlet flow rates on degassing efficiency

因此，在確定旋流裝置操作參數(shù)時，關(guān)鍵是氣出口的除液效率是否滿足要求。

3.4 氣液分離器現(xiàn)場運(yùn)行效果分析

長慶油田A綜合試驗(yàn)站為CO2驅(qū)油采出流體處理站場，A 綜合試驗(yàn)站日處理液量約為800 m3～1 000 m3，原油密度為0.845 t/m3，原始地層氣油比為105 m3/t。在A 綜合試驗(yàn)站旋流分離器氣相出口和液相出口處取樣化驗(yàn)。不同流量下氣相出口氣體除液效率及液相出口液體脫氣效率如表2所示。

由表2 可知，在流量為34～41 m3/h 時，氣相出口的除液效率在95%以上，液相出口的脫氣效率在94%以上，與圖5 及圖7 的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。液相出口的脫氣效率實(shí)際值相對于模擬值較高，這主要是因?yàn)锳綜合試驗(yàn)站處理的CO2驅(qū)采出流體氣液比較高，進(jìn)入旋流分離器前已有較大比例的伴生氣從原油中分離。

表2 氣液旋流裝置分離效率Tab.2 Separation efficiency of gas-liquid cyclone device

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法對自行設(shè)計(jì)的旋流氣液分離器的氣液分離性能進(jìn)行研究，分析了不同進(jìn)口流量下的氣出口除液和液出口脫氣效率，得出如下結(jié)論：

（1）混合氣液兩相經(jīng)過旋流裝置的處理，基本實(shí)現(xiàn)了兩相的分離，但是從分離效率上來看，脫氣效果要優(yōu)于除液效果。

（2）隨著進(jìn)口流量的增加，氣出口的液相流量不斷上升，隨之除液效率從90.93%下降至77.82%，可見入口流量的升高，降低了氣液分離器除液性能，這主要是過高的氣速增加液相破碎的概率以及停留時間降低導(dǎo)致的。

（3）在不同工況下，液出口的脫氣效率雖然有一定的波動，但皆保持在94%以上，液出口液相體積分?jǐn)?shù)也都在99.99%以上，因此液出口的脫氣效果較好，這主要是得益于液封的存在，使得氣體很難從液出口排出。

因此，在確定進(jìn)口流量時，應(yīng)主要考慮氣出口的液相夾帶問題，防止因流量過高造成氣出口除液效率的降低。