高壓和低壓生產分離器的瓶頸分析與CFD研究

編譯:賈琳 (西安石油大學)

審校:鄧志安 (西安石油大學)

高壓和低壓生產分離器的瓶頸分析與CFD研究

編譯:賈琳 (西安石油大學)

審校:鄧志安 (西安石油大學)

針對沿海大型石油生產平臺所面臨的油氣水分離設備改進問題,基于計算流體力學 (CFD)對平臺用高壓與低壓分離器進行了研究。通過對節流孔板、液位調節、堰位置及操作等環節的改變與調整,利用CFD模擬軟件對流體在分離器中的流動特性進行分析研究,從而測定折流板設計與安置、堰的安置對分離器效率所產生的影響。通過改進分離器內部結構和改變流體相液位高度,高壓分離器總體積利用率提高22%,低壓分離器提高38%。CFD結果還表明,改變流型同樣可以提高體積利用率。

分離器 計算流體力學 模擬計算 容積利用率

1 背景

目前,沿海石油生產平臺使用的入口分離器和低壓分離器沒有達到期望的油水分離效果。隨著油、氣、水生產量的增加,將使當前的問題更加復雜。

本文基于計算流體力學 (CFD)對流體在分離器中的流動特性進行分析研究,從而測定折流板設計與安置、堰的安置對分離器效率所產生的影響,并對分離器的工程設計和入口分離器及低壓分離器進行研究和性能評估,研究內容包括液位的設定、堰的安置以及折流板的設計與安置。

2 過程描述

2.1 入口分離器

入口分離器的主要尺寸:

◇長度:10 400 mm(焊縫間距離)

◇直徑:4 000 mm(內徑)

◇操作壓力:2.790～4.52 bar(表壓, 1 bar=0.1 MPa)

◇操作溫度:38～50℃

◇設計壓力:13.8 bar(表壓)

◇設計溫度:9～93℃

◇入口直徑:32 in(1 in=25.4 mm)

◇排氣口直徑:26 in

◇排油口直徑:16 in

◇排水口直徑:16 in

◇入口:旋流管

◇內部節流板位置:8 000mm和5 200 mm (距尾部焊縫)

◇排氣口:片狀填充物

投入使用的入口分離器設計參數如下表所示,數據是建立在2009年的預期產量基礎之上的。

表1 入口分離器設計參數

入口分離器工況條件如下:

入口分離器 (157 in×34 ft型)

對于上述所有工況條件下分離器和旋流管的工作性能,采用NATCO公司專利建模計算軟件計算的結果顯示:對應于2007年和2009年的工況條件,油相和水相的停留時間分別為6 min和5 min。在2009年的工況條件下,超過分離器最大氣體處理能力的可能性是很小的,發泡程度適中,大概有5 in。除非由于某些化學反應的發生而導致產生超出正常水平的大量泡沫,液體帶氣率不會超出預期估計。如果在壓縮機中有液滴出現,則須將分離器液位調低一些,從而留出更多的氣體空間,這樣雖然會減少液體的停留時間,但實際上仍然可以保持理想的油水分離效果。

原有設計的分離器緩沖容積很大 (15 m3),而根據推薦設置的分離器在高液位開關和極限警報器之間也有530 ft3(15m3)的緩沖容積,并且從極限警報器至分離器頂部還有很大的空間 (740 ft3/ 21 m3)。

改進后的分離器的堰上液體流速降低。在2009年工況條件下,堰上液相流速大約為0.1 m/ s,未改進分離器的為0.3 m/s。未改進分離器中的油滴停留時間加長,油中夾帶的水減少。

入口分離器的模擬計算結果表明:在2009年的高流量工況條件下,進口原油含砂含水量為14%,出口原油含砂含水量約是進口處的一半,并且小于10%。

基于預期的流量變化,入口分離器的改進建議如下 (圖1)。

對于高壓入口分離器:

(1)保留現有的旋流式入口。現有的入口流道僅有24 in,它提供的離心力無法使氣液很好地分離,也沒有起到減少泡沫的效果,并且破乳也不是很充分。而結構改進后的入口分離器可以處理更大流量的來液。對入口分離器來說,發泡的影響不是其主要考慮的因素,所以發泡并不被視為改變入口的必要因素。

(2)將原有折流板上端留有21%的過流空間改裝成只留有約10%的過流空間。CFD模擬結果表明21%的過流空間的回流情況更顯著,并且21%的過流空間不能達到流體流經分離器所需的壓力降。

(3)將隔板移至距入口裝置后2 ft、距排水口前1 ft的地方,入口折流板已置于校準位置,而出口擋板應離出水口較遠。

(4)片狀填料應調整為NATCO的 TP式填料。TP式填料有理想的排水結構,可以使液滴更好地從氣相中除去。現有的捕霧網只能將水滴驅回至出口隔板處 (就如將油滴在排除前又重新被注回到水中)。NATCO的 TP式填料裝置延伸到了液相層中,從而將液滴直接驅回至液相層中。

(5)將堰移至離分離器尾部更近一些。原有的堰距分離器尾部7.6 ft,現將其移至距尾部5.3 ft處,這樣可以延長油水的停留時間。

(6)調整堰的高度。設計的分離器堰的高度為90.67 in(距底部),而推薦的改進分離器的堰高度為60 in。即使改進的分離器堰高度比較低,油相的停留時間仍約有5 min(這個停留時間下的泡沫不會很難破滅)。

(7)原有設計的分離器緩沖容積很大,而根據推薦設置改進的分離器在高液位開關和極限報警器之間也有530 ft3(15 m3)的緩沖容積,并且從極限報警器至分離器頂部還有很大的空間 (740 ft3/ 21 m3)。

圖1 內部結構有所改進的高壓分離器

2.2 低壓分離器

低壓分離器的主要尺寸:

◇長度:13 500 mm(焊縫間距離)

◇直徑:4 375 mm(內徑)

◇操作壓力:0.24～1.0 bar(表壓)

◇操作溫度:17～60℃

◇設計壓力:13.8 bar(表壓)

◇設計溫度:5～93℃

◇入口直徑:30 in

◇排氣口直徑:12 in

◇排油口直徑:24 in

◇排水口直徑:18 in

◇入口:旋流管

◇內部節流板:2 158 mm(距尾部焊縫)

◇排氣口:片狀填充物

投入使用的低壓分離器設計參數如表2所示:

低壓分離器工況條件如下:

低壓分離器 (172 in×44 ft型)

表2 低壓分離器設計參數

根據上述工況參數建模,計算結果顯示:對應于2007年和2009年的工況條件,液相的停留時間分別為4.5 min和3.7 min。通常情況下,分離器中的油水被設計成相同的停留時間,從而保證油水兩相流速相近以減少油水分解面處湍流的發生。上述工況條件下,由于水相液面比較低,所以水相的停留時間會比油相稍長一些。2009年工況條件下,乳化水層估計厚約10 in,這足以使液相液面高度保持在整個容器高度的60%以下。超過此厚度,氣相的可用容積將會減少,這將增大已分離氣體重新被帶入液相的可能性。除非由于某些化學反應而產生超出正常水平的大量泡沫,否則液體帶氣率不會超出預期估計。如果在壓縮機中有液滴出現,其狀況與入口分離器的一樣;如果分離出的氣體中沒有液滴存在,就說明發泡現象不是十分嚴重,可以適當提高液面。如果沒有發泡,液位調節裝置也有足夠的時間來升高液面,從而使油水相有更長的停留時間來促進分離。模擬計算結果表明:堰應安裝在距分離器尾部5.7 ft處,但考慮到人孔的位置,堰只能安裝到距分離器尾部6.3 ft處。改進后的分離器內堰上油相流速將會降低,2009年工況條件下估計為0.1 m/s。而原分離器內堰上油相流速大約為0.3 m/s,這將會使分離器中的油相停留時間加長,油中夾帶的水減少。

分離器的模擬計算結果表明:在2009年的高流量工況條件下,進口水含量為14%,出口水含量大約是進口水含量的一半,并且小于10%。

改進后的 (2007年6月)一種分離器在更高的處理量下進行原油分離模型試驗,油出口水含量升高。模擬計算結果顯示,原油水含量由原先的18%下降到14%,接近于油田實際測量的油出口水含量16%的數值。這就說明,模擬計算可以給出合理的預測值,并且可以實現含水量小于10%的改良目的。

基于2009年工況條件下高流量、低壓分離器的改進建議如下 (圖2):

低壓分離器改良建議:

(1)改變現有的旋流入口以獲得更好的破乳效果,厚達30 in的泡沫層是目前生產過程中遇到的重大難題,并且至2009年,隨著產量的不斷提高,這些問題變得更加嚴重。

(2)去除現有的留有21%的過流空間的單隔板,安裝兩個經改進設計后留有18%過流空間的隔板。

(3)將其中的一個隔板安裝在距入口旋流器下游2 ft處,另一個安裝在距排水口上游1 ft處。

(4)去除第一個隔板后的疏留板。

(5)葉片式捕霧器需要做一些結構上的改進,從而使液相返回油水界面。現有的捕霧器只是將水滴驅回至堰的上游 (就如在排油口前又回注水中)。

(6)將堰的位置向分離器出口移近一些。現有堰距尾部11.6 ft,改進后的分離器堰距尾部出口

6.3 ft。改進后結構將會使油水相有更長的停留時間。

(7)調整堰的高度。原有設計高度是113 in,改進后高度為54 in。在合理結構布置下,4 min的停留時間是可以保證的。

圖2 內部結構有所改進的低壓分離器

3 CFD計算結果及討論

流體計算采用了FLUENT 6.3流體計算軟件和用于建模和網格劃分的 GAMBIT建模軟件。CFD研究的主要目的是評估整個分離器的液相容積利用率和研究分離器內部油水流型的形成。

3.1 容積利用率分析

容積利用率數據采集和分析系統在線顯示各相體積百分率,CFD計算將提供一種觀察流型改變的方式并計算液滴在分離器內部的實際停留時間(ART)。理論停留時間則是根據入口相應的各相流量分配的油水在分離器內體積計算而來,這是在可以達到最佳分離效果的的理想狀態下進行的,而實際流體的流動應屬于段塞流。實際和理論停留時間被用來評估分離器的容積利用率。停留時間越長,容積利用率越高,分離器分離效率越高。在這項研究中,通過將理論和實際停留時間的關系進行連續的對比分析 (整個分離器的油水相效率也考慮在內)來計算容積利用效率。整個容積的利用率(OVU)定義為:

各種情況下的分離器容積利用率如表3所示。

表3 兩種分離器的容積利用率

3.2 流型分析

圖3～圖6顯示了由CFD計算得出的分離器內部流體的運動軌跡及速度大小,定量地說明了油水相在分離器內部的運動情況。跡線是流體質點流經流場的運動軌跡,流體質點流經每一相的液相區域而沒有過多的回流時,分離效率提高。回流的出現會導致分離器的容積利用率降低。由于旋流的形成,回流區域的段塞流的運動方向發生改變,一些流體質點沿著相反的方向運動,造成液相停留時間加長而分離效率降低。CFD計算清楚地顯示出了分離器內部的回流區域。雖然回流的產生是不可避免的,但可以通過改變流動條件、合理設計分離器內部結構來使回流區域縮小。

3.2.1 高壓分離器的原始設計和改良設計

圖3(a)顯示了原始分離器中油水相的流動軌跡。圖5中的油滴運動軌跡顯示,入口處高速流動的流體質點在油水界面處的隔流板發生交錯,在入口折流板后生成了一個很小的回流區域。然后流體質點沿著中軸線對角線方向向下游運動,此過程受多個參數的影響 (包括速度、密度、隔板與堰)。第二個油相回流區域出現在堰與排油管出口之間。CFD計算結果顯示:油相的容積利用率為82%。由于油水界面各相流速的巨大差異,導致水相的運動區域中產生了兩個很大的回流區域 (圖3)。當高速的油水混合物在水相上流動時,第一個回流區域在兩個隔板之間形成。同樣,在出口折流板和堰之間,第二個回流區域形成。結果顯示,水相的容積利用率很低,僅有55%。整個分離器內部液相的容積利用率僅為68%。

圖3 原始設計的高壓分離器內部油相與水相的運動軌跡(速度的大小以軌跡的顏色區分)

圖4(a)和圖4(b)顯示了改良后的高壓分離器內的油水相運動軌跡。油相運動軌跡圖6(a)顯示:在入口折流板后存在一個回流區域,比原始分離器中觀察到的回流區域要大,主要是由于油水界面低的緣故。由于只是非常少的流體質點改變了原始流動方向形成了回流,這個回流區顯得非常薄弱,所以對油相的容積利用率不會產生多大的影響。改良后的分離器堰的位置向油流下游方向移動了725 mm(離排油管出口更近),這將使油相在與堰交錯之前的油水相停留時間延長,易于油水相分離。因此,在入口折流板附近會產生一定影響的弱油相回流區可能會被擴展的油相界面所平衡。與原始分離器不同,改良后的分離器中油相液位較高,并且堰的高度也較原始分離器低,所以改良分離器中堰后并沒有出現顯著的油相回流。CFD計算表明:改良分離器的油相容積利用效率為84%,較原始分離器中的有所提高。改良分離器中水相運動軌跡顯示 [圖4(b)]:并不像原始分離器在兩個隔板之間的水相中產生了兩個大的回流,改良分離器中只是在入口折流板后形成了一個很窄并且不很顯著的回流。所以,水相的容積利用率為75%,液相容積利用率為83%。

3.2.2 低壓分離器的原始設計和改良設計

圖5(a)和圖5(b)顯示了低壓分離器中油水相質點的運動軌跡。當高速流動的液相質點流經油水界面處的入口折流板時,油層表面速度加快,油層底部由于受到流速較慢的水相的影響速度減慢,從而在入口折流板后產生了一個小的回流。而高速油流通過堰槽時則在堰后產生了一個很大的回流區。CFD計算顯示:油相的容積利用率為87%。水相運動軌跡圖 [(圖5(b)]:由于軸向流動的高速液流在油水界面處穿越隔板,所以產生了一個很大的回流。分離器只有一個隔板,由此產生的回流也只有一個,所以,水相中的很大一部分并沒有很好地利用起來。CFD計算結果顯示:水相的容積利用率很低,僅為52%。整個分離器的容積利用率也僅為68%。

圖4 改進的高壓分離器內部油相與水相的運動軌跡 (速度的大小以軌跡的顏色區分)

圖5 原始設計的低壓分離器內部油相與水相的運動軌跡(速度的大小以軌跡的顏色區分)

圖6(a)和圖6(b)顯示了改良后的低壓分離器內的油水相運動軌跡。油相運動軌跡圖 [(圖6(a)]顯示在入口折流板后產生了一個比較薄弱的回流區域。由于油水界面較低,改良后分離器內產生的回流區域比原有分離器大。與預先估計相同,由于沒有產生較強的逆流 (少的流體質點形成回流區域),所以這個回流區很薄弱。改良后的分離器堰的位置向油流下游方向移動了1 695 mm (離排油管出口更近),使得油相層長度加長,油相停留時間延長,更易于油水相分離。并且,延伸的油相區補償了入口折流板后產生的回流所帶來的影響。由圖中還可看出,堰上油流沒有產生明顯的回流現象。CFD計算結果顯示:改良后分離器油相的容積利用率為94%,而原先的只有87%。水相運動軌跡顯示 [圖6(b)]:并不像原始分離器中入口折流板后產生了一個大的回流,改良分離器中只是在入口折流板后形成了一個不很顯著的回流。所以,水相的容積利用率為75%,液相容積利用率為83%。值得一提的是,改良分離器采用了兩個隔板 (代替了原始分離器中的一個隔板),這將更有利于控制回流區域。所以,改良分離器的水相容積利用率為95%,而原先只為52%。改良分離器容積利用率為94%。

圖6 改進的高壓分離器內部油相與水相的運動軌跡 (速度的大小以軌跡的顏色區分)

4 結論

◇通過改變入口、隔板、堰和捕霧器設備可以提高入口分離器和低壓分離器的性能;

◇保留入口分離器的入口裝置,改良低壓分離器入口裝置,從而降低發泡帶來的影響;

◇去除原先的孔板式疏流板,改為開放式過流空間,從而有效地控制流體的流動;

◇將疏流板移至改進設計處;

◇調整堰的高度和位置,提高分離器的容積利用率;

◇改進堰前的捕霧器;

◇調整液位高度,使得水相和油相有相似的過流速度。

資料來源于美國《SPE 115735》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.011

2009-03-05)