基于氣液分離的天然氣雙入口優(yōu)化設(shè)計(jì)

邢樹(shù)賓 陳瑤瑤 楊樂(lè)樂(lè) 余福春 許晶禹 吳應(yīng)湘

1.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 3.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司 4.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 5.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司塔里木公司

0 引言

天然氣井采出液通常是氣液混合物，在對(duì)采出液進(jìn)行集輸?shù)倪^(guò)程中容易形成段塞流，誘發(fā)振動(dòng)，這會(huì)影響儀表的精確度以及下游設(shè)備的正常工作，并且液態(tài)水與天然氣中的H2S或CO2接觸后會(huì)生成具有腐蝕性的酸，嚴(yán)重影響集輸生產(chǎn)管道壽命與安全，因此需盡快對(duì)采出液進(jìn)行氣液分離。傳統(tǒng)的分離工藝主要依靠重力式分離器進(jìn)行氣液分離，但是重力式分離器存在體積和質(zhì)量龐大，分離時(shí)間長(zhǎng)，分離效率低等缺點(diǎn)，已不再滿足生產(chǎn)要求，而依據(jù)離心原理設(shè)計(jì)的氣液旋流器具有分離效率高、設(shè)備體積小、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。

Davies等[1]經(jīng)過(guò)多年的探索于1979年提出氣液旋流分離器的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)它在重量、成本、占用面積、分離效率等方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)重力式分離器。之后氣液旋流分離技術(shù)得到了石油天然氣行業(yè)的廣泛關(guān)注，塔爾薩大學(xué)分離技術(shù)研究中心經(jīng)過(guò)多年研究設(shè)計(jì)出氣液柱型旋流器。

目前，氣液柱型旋流器多用于控制流量計(jì)、泵、除砂器等設(shè)備上游的氣液比，以此提高設(shè)備的準(zhǔn)確度，減少它們的尺寸與費(fèi)用，也可用于多相計(jì)量回路、部分分離或者傳統(tǒng)分離器的預(yù)分離[2-3]。盡管氣液柱型旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在工業(yè)應(yīng)用上并不是很成功，主要原因是其內(nèi)部多相流體的流動(dòng)特性非常復(fù)雜，操作條件變化很大，這使得人們難以預(yù)測(cè)其性能[4-5]，隨著對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性的深入理解和性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，氣液柱型旋流器將會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

Kouba等[6]最早也是最為詳細(xì)地研究了入口傾斜角度對(duì)氣液柱型旋流器分離性能的研究，研究結(jié)果表明入口向下傾斜27°能夠最大程度地阻礙氣體帶液，這個(gè)結(jié)論被后續(xù)許多學(xué)者所認(rèn)可[7-8]。Movafaghian等[9]研究了幾何結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)和壓力對(duì)氣液柱型旋流器水動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明增加液體黏度和系統(tǒng)壓力都會(huì)降低操作曲線（橫縱坐標(biāo)分別為氣體與液體折算速度，若在操作曲線下方，則表示氣體出口無(wú)液體流出），而平衡液位會(huì)隨著黏度的增加而增加。Wang[10]在對(duì)氣液柱型旋流器的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)減小入口縮徑能夠使操作曲線升高，從而提高分離性能。Yue等[11]和Wang等[12]研究了氣液流量、液體表面張力和黏度對(duì)氣液柱型旋流器氣體攜液的影響。Cornejo-Caceres等[13]發(fā)現(xiàn)入口管路向下傾斜36°能夠形成高的旋流強(qiáng)度，阻礙氣體出口攜液。Hreiz等[3]證實(shí)過(guò)大或過(guò)小的入口縮頸均不利于旋流器內(nèi)的氣液分離。蔣明虎等[14]發(fā)現(xiàn)扁平的矩形入口有助于形成穩(wěn)定的旋流場(chǎng)。王亞安等[15-16]研究了入口氣液相流量和入口噴嘴尺寸對(duì)氣液柱型旋流器內(nèi)液膜空間分布特性的影響，并基于相似分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了氣液柱型旋流器的壓降。

首先基于前期研究成果，分析單入口氣液分離器的不足，然后提出一種適宜在現(xiàn)場(chǎng)大氣量工況下應(yīng)用的雙入口氣液分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠增加氣液混合液的分層程度，且分層后的部分氣相能夠通過(guò)分岔進(jìn)入上入口管路，減少分離器下部發(fā)生折返的氣體流量，進(jìn)而減少氣體出口帶液量。筆者根據(jù)南海某油氣田現(xiàn)場(chǎng)采出液工況，設(shè)計(jì)了配套的雙入口氣液分離器，并對(duì)其開(kāi)展了數(shù)值分析，以期推動(dòng)該裝置的應(yīng)用。

1 單入口氣液分離器氣液分離效率不足

氣液柱型旋流器的切向入口通常為傾斜向下布置，具體分離原理及過(guò)程為：氣液兩相混合介質(zhì)由切向入口進(jìn)入旋流分離器內(nèi)，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，液體沿分離器壁面做螺旋向下運(yùn)動(dòng)，最后從液體下部出口排出，氣體流向中心沿旋渦中央向上運(yùn)動(dòng)，最后從上部氣體出口逸出[17]進(jìn)入集輸管線。

前期Yang等[4,18]對(duì)氣液柱型旋流器內(nèi)流場(chǎng)分布及分離特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，如圖1所示，氣液混合液從單入口直接進(jìn)入旋流器內(nèi)部時(shí)，由于氣體流速較大，入口處流動(dòng)極不穩(wěn)定，較多氣體進(jìn)入旋流器下部后發(fā)生折返運(yùn)動(dòng)，折返過(guò)程中極易攜帶液體向上運(yùn)動(dòng)，會(huì)極大程度地降低氣液分離效率。

圖1 氣液柱型旋流器內(nèi)流線分布圖[4]

2 數(shù)值模型

2.1 多相流模型

氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸較大，工業(yè)應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注氣液分離后相含率的變化，因此綜合考慮選取歐拉多相流模型對(duì)雙入口氣液分離器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，既能滿足研究需求，又能極大程度地降低計(jì)算成本。本文的數(shù)值模擬基于Fluent 19.0完成。

歐拉模型分別求解每一相的輸運(yùn)方程。相體積分?jǐn)?shù)代表了每一相所占據(jù)的空間，對(duì)于多相流動(dòng)，每一相的體積定義為：

式中q代表多相流中的第q相；Vq表示q相的體積，m3；αq為q相的體積率，且有

q相的連續(xù)性方程為：

q相的動(dòng)量方程為：

式中p表示所有相共享的壓力，N；表示重力加速度，m/s2；表示相之間的相互作用力，N；表示p相到q相的質(zhì)量傳遞；表示相間的速度，m/s；表示多相流中第q相的壓力應(yīng)變張量；分別表示外部體積力、升力和附加質(zhì)量力，N；μq和λq分別表示第q相的剪切和體積黏度，Pa·s；表示p相平均速度，m/s。

2.2 湍流模型

目前對(duì)旋流場(chǎng)的湍流計(jì)算采用何種模型計(jì)算結(jié)果更優(yōu)并沒(méi)有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，大多都是通過(guò)與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證最終確定何種模型更適于所研究的物理問(wèn)題。本研究同樣經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，最終選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行雙入口氣液分離器內(nèi)的數(shù)值模擬研究。

k-ε模型是數(shù)值模擬中最為常見(jiàn)的模擬湍流平均流動(dòng)特性的模型，它是一個(gè)兩方程模型，通過(guò)兩個(gè)輸運(yùn)方程給出湍流的一般描述。準(zhǔn)確的k-ε模型包含許多未知并且無(wú)法測(cè)量的項(xiàng)，為了能夠用于實(shí)際，Launder等[19]最大程度地減少了未知項(xiàng)，提出了適用范圍寬泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其輸運(yùn)方程為：

式中k表示湍動(dòng)能，J；ui表示流體速度，m/s；μ表示流體黏性系數(shù)，Pa·s；μt表示湍流黏性系數(shù)，Pa·s；Gk、Gb分別表示平均速度梯度和浮力引起的湍流動(dòng)能，J；ε表示湍流耗散率；YM表示表示可壓縮湍流中波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；Sk、Sε為用戶定義的源項(xiàng)；C1ε、C2ε、C2ε分別取 1.44、1.92 和 0.09；湍動(dòng)能(k)與湍流耗散率(ε)的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

2.3 建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)南海某油氣田現(xiàn)場(chǎng)采出液工況，設(shè)計(jì)得到的雙入口氣液分離器：主體直徑600 mm，長(zhǎng)2 300 mm，入口以及氣體出口管徑為150 mm，液體出口管徑為100 mm。

圖2-a為雙入口氣液分離器的幾何模型，為了提高計(jì)算精度，網(wǎng)格進(jìn)行分塊劃分，入口處流場(chǎng)分布和相分布最為復(fù)雜，采用致密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分采用Cooper方法生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，具體劃分細(xì)節(jié)如圖2-b所示，網(wǎng)格共計(jì)1 075 480個(gè)。由于天然氣與空氣密度相近，目前關(guān)于氣液分離的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究通常將空氣作為氣相介質(zhì)，為與已有的氣液分離研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文同樣將空氣作為氣相介質(zhì)，水作為液相介質(zhì)。

圖2 雙入口氣液分離器幾何模型及網(wǎng)格劃分圖

模型的進(jìn)口采用均勻速度入口，兩個(gè)出口均采用充分發(fā)展的管流條件，近壁面流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解，壁面均采用無(wú)滑移邊界條件，同時(shí)使用Phase Coupled SIMPLE算法耦合求解旋流場(chǎng)中的壓力—速度分布。

3 結(jié)果與討論

為了深入理解雙入口氣液分離器內(nèi)部的流場(chǎng)分布和分離特性，筆者采用歐拉多相流模型，耦合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，構(gòu)建適用于氣液流動(dòng)分離的數(shù)值模型，對(duì)雙入口氣液分離器內(nèi)部流動(dòng)特性開(kāi)展數(shù)值研究，分別探究了液滴粒徑、分流比、入口液體體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對(duì)雙入口氣液分離器分離效果的影響。

3.1 雙入口氣液分離器流場(chǎng)特性

圖3為雙入口氣液分離器內(nèi)的氣體速度分布和氣液混合湍流強(qiáng)度分布云圖。設(shè)計(jì)的雙入口氣液分離器結(jié)構(gòu)，能夠增加氣液混合液的分層程度，且分層后的部分氣相能夠通過(guò)分岔進(jìn)入上入口管路，減少分離器下部發(fā)生折返的氣體流量，進(jìn)而減少氣體出口帶液量。

圖3 氣體速度和氣液混合湍流強(qiáng)度分布圖

由圖3-a可以看到氣液混合液從下入口進(jìn)入，首先流經(jīng)Y型分岔、再通過(guò)下入口管路與分離器交接處以及上入口管路與分離器交接處時(shí)發(fā)生3次膨脹作用，氣體流速均會(huì)大幅度降低，使得氣體攜液能力減弱，液體在重力作用下與氣體分離。流經(jīng)分岔處時(shí)，在重力作用下，氣液混合液會(huì)初步分層，部分氣體通過(guò)上入口管路直接進(jìn)入分離器上部。但由于慣性作用，絕大部分的氣體仍繼續(xù)沿下入口管路進(jìn)入分離器主體，因此下入口管路內(nèi)的流速要高于上入口管路。液滴的慣性作用要大于氣體的慣性作用，因此絕大部分液滴都是跟隨氣體從下入口管路進(jìn)入分離器主體，上入口管路內(nèi)氣體含液非常少。由于上入口管路內(nèi)氣體流速較低，少量進(jìn)入上入口管路內(nèi)的液滴很快在重力作用下沉降，與氣體成功分離。氣體出口處流速較高，主要是因?yàn)榇颂幑軓捷^小，同時(shí)絕大部分氣體從氣體出口流走。液體以及少量的氣體從液體出口流走，因此液體出口流速較低。進(jìn)入分離裝置后，氣體在保持一段距離的較高流速后，撞擊到壁面，流速進(jìn)一步降低。

氣液混合湍流強(qiáng)度為湍流脈動(dòng)速度與平均速度的比值，是對(duì)湍流總體水平的度量，用于評(píng)估速度脈動(dòng)程度。氣液混合湍流強(qiáng)度越大，意味著氣液流動(dòng)的無(wú)序化程度越強(qiáng)，液滴的湍流擴(kuò)散嚴(yán)重，氣液分離更加困難。由圖3-b湍流強(qiáng)度分布可以看到，由于雙入口的存在，分離器入口處湍流強(qiáng)度較小（0.2～0.6），流動(dòng)較為平穩(wěn)，更易于形成氣液分層流動(dòng)。以氣體為主的混合液到達(dá)分離器上部溢流管處時(shí)，湍流強(qiáng)度迅速增加，而分離器下部湍流強(qiáng)度迅速衰減，分離器上部的湍流強(qiáng)度明顯要高于下部的湍流強(qiáng)度。這表明雙入口結(jié)構(gòu)使得絕大部分氣體直接進(jìn)入分離器上部，氣體的流動(dòng)較為紊亂，因此分離器上部湍流強(qiáng)度較大。分離器下部以液體為主，液位的存在阻礙了氣體向下運(yùn)動(dòng)，液體流速較低，且流動(dòng)較為平穩(wěn)，湍流強(qiáng)度較小。溢流管由于縮徑的原因會(huì)產(chǎn)生大量的旋渦，流體流動(dòng)變得紊亂，湍流強(qiáng)度隨之增大。

3.2 不同參數(shù)對(duì)分離器分離效果的影響

3.2.1 液滴粒徑

入口的液滴粒徑分布對(duì)氣液分離效果起著至關(guān)重要的作用，因此數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，保持其他參數(shù)（入口氣液流量、分流比等）不變，研究了不同粒徑大小的液滴群進(jìn)入分離器后的分離效果，如圖4所示。從圖4-a可以看到，當(dāng)入口液滴粒徑為0.02 mm時(shí)，流動(dòng)穩(wěn)定后液位保持在液體出口下方，大量的氣體從液體出口流走，而分離后上出口液體體積分?jǐn)?shù)為0.28，分離效果很差。圖4-b可以看到，當(dāng)入口液滴粒徑為0.05 mm時(shí)，流動(dòng)穩(wěn)定后液位保持在液體出口處，同樣有較多的氣體從液體出口流走，分離后上出口液體體積分?jǐn)?shù)降至0.19，分離效果得到提高，但是仍難以滿足分離要求。圖4-c可以看到，當(dāng)入口液滴粒徑為0.10 mm時(shí)，流動(dòng)穩(wěn)定后液位保持在液體出口上方，僅有極少量的氣體從液體出口流走，分離后上出口液體體積分?jǐn)?shù)可降至0.05，完全滿足分離要求。

圖4 不同液滴粒徑時(shí)分離器內(nèi)液體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

液滴的最小粒徑可以通過(guò)韋伯?dāng)?shù)(We)進(jìn)行估算，We為8時(shí)可計(jì)算得到最小液滴粒徑(dmin)[20]，代入式（7）可得dmin為4 mm，遠(yuǎn)大于0.10 mm，說(shuō)明該分離裝置完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)氣液分離要求。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)由于入口來(lái)液工況會(huì)有波動(dòng)，所以還需通過(guò)控制上下出口差壓來(lái)減緩這種波動(dòng)，使液位穩(wěn)定在入口下方、液體出口上方，這樣才能取得穩(wěn)定良好的氣液分離效果。

式中vsg表示入口的氣體表觀流速，m/s；σ表示氣液表面張力系數(shù)，取值為0.072 N/m。

3.2.2 分流比

筆者把分流比定義為液體出口體積流量與入口氣液混合體積流量的比值，圖5顯示了不同分流比時(shí)雙入口氣液分離器的分離性能，其中液滴粒徑保持在0.05 mm，液體體積分?jǐn)?shù)0.03。隨著分流比的減小，分離器內(nèi)的液位逐漸增加。因?yàn)殡S著分流比的減小，氣體出口背壓減小，液體出口背壓增大，如圖6所示，這導(dǎo)致氣液混合液在分離器下部的流動(dòng)速度減小，停留時(shí)間增加，分散液滴逐漸在分離器下部積聚，因此液位逐漸增加。液位的增加能夠極大程度地阻擋氣體從液體出口流出，尤其當(dāng)液位高于分離器液體出口時(shí)，幾乎沒(méi)有氣體從液體出口流出。結(jié)合節(jié)3.2.1液滴粒徑對(duì)分離器分離性能的影響規(guī)律，可以得出在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于液滴粒徑較小的來(lái)液工況，應(yīng)調(diào)節(jié)分流比小于入口液體體積分?jǐn)?shù)，使其液位略高于液體出口，以提高氣液分離效果。

圖5 不同分流比時(shí)分離器內(nèi)液體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 分離器出口處壓降隨分流比的變化圖

另一方面，隨著分流比的減小，氣體出口背壓減小，液體出口背壓增大，分散液滴無(wú)法及時(shí)從液體出口流出，易于跟隨氣體折返至分離器上部，從氣體出口流出，從而加劇氣體攜液。因此隨著分流比的減小，液體出口液體體積分?jǐn)?shù)迅速增加，氣體出口液體體積分?jǐn)?shù)緩慢增加，如圖7所示。由此可以看出，分流比是氣液分離器一個(gè)重要的操作參數(shù)，其變化情況影響著分離器整體的分離性能。

圖7 分離器出口處含液率隨分流比的變化圖

3.2.3 液體體積分?jǐn)?shù)

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中液滴粒徑保持在0.05 mm，并設(shè)置分流比與入口液體體積分?jǐn)?shù)保持相同，通過(guò)改變?nèi)肟谝后w體積分?jǐn)?shù)，研究了入口液體體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離器分離性能的影響規(guī)律。圖8顯示了不同液體體積分?jǐn)?shù)時(shí)分離器內(nèi)液體體積分?jǐn)?shù)分布云圖，可以看到當(dāng)分流比與入口液體體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，無(wú)論入口液體體積分?jǐn)?shù)如何變化，分離器內(nèi)的液位始終保持在液體出口處，較多氣體從液體出口流出。從圖8還可以觀測(cè)到，隨著入口液體體積分?jǐn)?shù)的增加，高速流動(dòng)的氣體夾帶的液滴量增加，分離器上部的液體體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。

圖8 分離器內(nèi)液體體積分?jǐn)?shù)隨入口液體體積分?jǐn)?shù)變化云圖

圖9顯示了液體出口和氣體出口含液率隨入口含液率的變化規(guī)律，隨著入口含液率的增加，氣體出口含液率近似呈線性增加，而液體出口含液率波動(dòng)很小。這表明入口含液率的變化主要影響分離后氣體的純度，對(duì)分離后液體的純度影響較小。圖10顯示了液體出口和氣體出口壓降隨入口液體體積分?jǐn)?shù)的變化，隨著入口液體體積分?jǐn)?shù)的增加，液體出口壓降先增加后減小，氣體出口壓降近似呈線性增加。

圖9 分離器出口處含液率隨入口含液率的變化圖

圖10 分離器出口處壓降隨入口液體體積分?jǐn)?shù)的變化圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬研究了雙入口氣液分離器內(nèi)的流場(chǎng)分布和分離特性，主要結(jié)論如下。

1）由于雙入口的存在，分離器入口處湍流強(qiáng)度較小，流動(dòng)較為平穩(wěn)，易于形成氣液分層流動(dòng)。分層后的部分氣體通過(guò)上入口管路直接進(jìn)入分離器上部，減少分離器下部發(fā)生折返的氣體流量，進(jìn)而減少氣體出口帶液量。

2）當(dāng)入口液滴粒徑大于0.10 mm時(shí)，設(shè)計(jì)的雙入口氣液分離器流動(dòng)穩(wěn)定后液位保持在液體出口上方，僅有極少量的氣體從液體出口流走，能夠取得較好的分離效果。

3）隨著分流比的減小，分離器氣體出口背壓減小，液體出口背壓增大，分離器內(nèi)的液位逐漸增加，最終導(dǎo)致液體出口液體體積分?jǐn)?shù)迅速增加，氣體出口液體體積分?jǐn)?shù)緩慢增加。

4）入口液體體積分?jǐn)?shù)的變化主要影響分離后氣體的純度，對(duì)分離后液體的純度影響較小。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于液滴粒徑較小的來(lái)液工況，無(wú)論入口液體體積分?jǐn)?shù)如何變化，均應(yīng)調(diào)節(jié)分流比小于入口液體體積分?jǐn)?shù)，使其液位略高于液體出口，以提高氣液分離效果。