新型螺旋管氣液分離器分離性能數值模擬

薛國民， 郭 嬋， 張永學， 許 歡， 張新虎

(1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249； 2. 大慶油田有限責任公司 質量節能部，黑龍江 大慶 163453 )

0 引言

隨著石油工業的發展，陸上常規油氣田油、氣、水、砂分離技術和生產工藝日臻完善;但海洋油氣和陸上非常規油氣田的大規模開采對油氣水多相分離技術[1-9]又提出新的挑戰，如海上石油開采所需分離器應具有結構尺寸小、分離效率高、處理量大等特點.新型旋流三相分離器[10]、柱狀旋流分離器[11]和天然氣凈化旋風分離器[12]等結合重力和離心力的復合作用原理，可以達到較好的分離效果.目前把螺旋管作為分離部件的實驗研究和數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、回轉半徑、圈數等結構參數及氣液密度、氣液黏度、入口速度、含氣率等操作參數.

筆者研制螺旋管氣液分離器，它在小流量低流速時主要依靠重力分離，在大流量高流速時主要依靠離心分離;螺旋管采用多圈設計,以延長離心力和重力的作用時間，從而達到更好的氣液分離效果;采用數值模擬方法，研究各因素影響螺旋管氣液分離器分離性能規律，為確定螺旋管分離器結構參數、開孔方案和操作參數提供參考依據.

1 計算模型

1.1 模型結構

新型螺旋管分離器及其測試系統見圖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 多相流模型及介質條件

計算未開孔螺旋管幾何模型見圖2，采用歐拉模型，網格數為350萬.

氣液介質條件為：

(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試系統(單位：mm)

圖2 螺旋管計算幾何模型

1.3 湍流模型

綜合考慮計算精度和計算量，對于螺旋湍流的數值模擬主要采用標準k-ε模型[14]和RNGk-ε模型[15]，其中RNGk-ε模型對于彎管流[16]、沖擊射流[17]和旋轉流[18]等流動類型具有較高的精度.考慮螺旋管模型的螺旋形流道結構，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分別為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特數；i取p相和q相；μl,m為湍流黏性系數:

μl,m=ρmCμk2/ε;

(3)

Gk,m為湍動能生成率:

Gk,m=μl,m[υm+(υm)T]/υm.

(4)

1.4 邊界條件

計算邊界包括入口、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)固體壁面采用無滑移邊界條件.

2 結構參數對分離性能的影響

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個管徑)時，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見圖3.由圖3可見，螺距加大對分離效果的改善并不明顯，考慮螺距加大將使整個螺旋管分離裝置高度增加，占用空間大，同時壓降增大，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，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見圖4.由圖4可見，2種管徑螺旋管的分離效果變化不明顯.

圖3 不同螺距時第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

圖4 不同管徑時第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

3 操作參數對分離性能的影響

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,第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見圖5.由圖5可見，液體黏度對分離效果影響很大，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，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見圖6.由圖6可見，當入口速度為1 m/s時，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.隨著入口速度增大，離心分離作用占主導，該梯度方向接近水平.當入口速度達到30 m/s時，螺旋管內側含氣率很高，離心分離作用明顯.這是由于速度增加，在同一回轉半徑下，離心力也會相應增大.

圖6 不同入口速度時第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

由圖6還可以得到開孔方案的提示，即開孔時應充分考慮離心力與重力相互作用，盡量沿其合力方向開孔.當入口速度較小時，離心力與重力作用相當，氣體主要集中在螺旋管內側偏上約45°的位置，液體集中在螺旋管外下側約45°位置，沿內上側45°方向開氣孔比較合理.隨著入口速度增大，氣液分離效果越來越明顯，離心力作用遠大于重力作用，合力主要取決于離心力，使液體主要集中在螺旋管外側近似水平位置，氣體集中在螺旋管內側近似水平的位置，沿近似水平方向開氣孔比較合理.

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，第5圈橫截面上的含氣率等值線分布見圖7.由圖7可以看出，當入口含氣率為0.2時，螺旋管內側沒有形成分離效果很好的氣相帶，螺旋管外側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，螺旋管內側出現明顯的分離效果較好的氣相帶.當入口含氣率為0.8時,螺旋管內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，流體以氣相為主，擾流作用強，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.當入口含氣率很高時，液相分離難度增大.

圖7 不同入口含氣率時第5圈橫截面上的含氣率等值線分布

4 結束語

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，螺距和管徑改變對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；當含氣率很高時，液相分離難度增大.