振动对油水分离器处理效率影响研究

何生兵，倪玲英（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东　青岛266580）

振动对油水分离器处理效率影响研究

何生兵，倪玲英
（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580）

安装在海洋平台、FPSO以及采油船上的油气水处理装置始终处于振动状态，为了了解振动对分离过程的影响规律，利用FLUENT软件结合UDF软件分别对振动和非振动工况环境下的油水分离器进行了数值模拟。通过对比模拟结果表明，振动对分离器的分离效果、油水相的分布以及内部的流场均有显著影响。建议在设计油水分离器时考虑振动的影响。

油水分离器；数值模拟；振动

直到最近几年，无论是三相分离器还是两相分离器的设计才逐渐趋于成熟［1］。然而对于一些比较极端的工作环境，例如安装在海洋平台、FPSO、采油船等上面的油气水处理设备，仍然需要进一步研究6个自由度（垂荡、横荡、纵荡、纵摇、横摇、艏摇）方向振动对油气水处理设备处理效率的影响。作为一种灵活、经济的方法，CFD（计算流体动力学软件）在分离器设计领域的作用日益显现，它能够模拟各种结构复杂、体积尺寸大、无法在试验室条件下进行试验的设备，并能够提供精确的、可视化的结果，可以有效地缩短设计周期，并且对分离机理和过程有更好的理解［2］。本文应用CFD作为工具来研究振动对油气水处理设备处理效率的影响。

1　CFD数学模型

欧拉模型是CFD软件中最为复杂的多相流模型，计算的结果也最为精确［3］。本文通过结合欧拉模型和kε湍流模型来模拟油水分离器。为了模拟的正常进行，做如下假设：油滴直径为150μm，忽略乳化、起泡、破碎和聚结的影响；油水之间的表面张力、升力、虚拟质量力均不予考虑。控制方程的求解利用FLUENT14.5流体力学计算软件完成。

1.1欧拉模型

欧拉模型由每一相的连续性和动量方程控制，对次相的体积分数以分离方式求解。所有各相共享一个独立的压力场，相间通过合适的交换系数来耦合。

FLUENT通过式（1）的连续性方程离散格式，能够得到每一相的体积分数。

为了保证连续性，每一个控制单元内部应该满足式（2）的条件。

式中：n为相数目；αq为第q相的体积分数；ρq为第q的物理密度；vq为第q相的速度；mpq为p相到q相的质量传递。

每一相的动量方程为

应力应变关系为）

式中：μq和λq是q相的剪切黏度和体积黏度。

式中：Kpq为相间交换系数，其通用形式为Kpq=f为曳力函数；τ为颗粒的弛豫时间，τ根pp据交换模型选择不同其表达形式也不同，本文所选的交换模型为Schiller-Naumann模型，颗粒的弛豫时间τ为p相液滴或气泡的直径。

1.2k-ε湍流模型

利用kε湍流模型求解油水混合物的湍动能和湍动能耗散率。微分形式的湍动能和湍动能耗散率为

式中：ρm为混合密度；vm为混合速度；μt，m为紊流黏度；Gk，m为紊动能产生源；模型常数的取值为C1ε= 1.44；C2ε=1.92；σk=1；σε=1.3

1.3等效模型

海洋平台、FPSO和采油船上的油气水处理设备均有一个共同的特点，即分离器的空间位置在随时间发生变化，假设分离器以正弦形式x= A sin（ωt）运动，与之等效的模型为分离器位置不变，对其内部的液体施加¨x=-Aω2sin（ωt）的加速度［4］，通过FLUENT的UDF可以实现动量源项的添加，通过式（3）可知，需要对欧拉模型中的每一相均添加动量源项。

2　问题描述

2.1几何模型

振动对气相中液相的分离效果影响不明显［5］，为减少计算量，选择油水两相分离器进行研究，由于研究振动对油水分离的影响，因此内部不设置任何聚结构件和整流构件，油水两相分离器的结构和尺寸如图1所示，模型为二维模型。该分离器根据油水分离器设计规范设计。

图1　油水分离器的结构和尺寸

2.2振动参数

本文选择安装在固定式平台上的分离器来进行研究。对于固定式平台，波浪按某一方向角作用在平台桩腿上，平台在波浪入射方向振动最为剧烈，因此对分离器分离效率影响也越大。本文只研究该方向上的振动对分离器分离效果的影响，即对图1中的分离器内液体施加水平方向的激励。以渤海海域为例，一年一遇的平均波浪周期为6.4s，十年一遇的平均波浪周期为7.7s，百年一遇的平均波浪周期为8.6s［5］。选择激励的周期分别为5 s、8s和10s，即激励频率w为1.256 rad／s、0.785rad／s和0.628 rad／s，振动幅值A为0.1～0.5 m，振动通过编写UDF函数，以正弦形式加载。

2.3物理性质和边界条件

模拟介质选为白油和水［6］，其物性分别为：

水的密度为998.2 kg／m3，动力黏度为1.003× 10-3Pa·s；白油的密度为870 kg／m3，动力黏度为0.15 Pa·s。

边界条件的设置：

入口为速度入口，流速为0.1 m／s，其中的油含量为0.3，水含量为0.7。湍流度为0.05，水力直径为0.030 m；油出口为压力出口，压力为大气压，湍流强度为0.02，水力直径为0.015 m；水出口为压力出口，压力为4 657.2 Pa，湍流强度为0.02，水力直径为0.020 m。

因为可通过调节水出口的压力值来控制油水界面高度，本文模拟使用压力出口更加符合实际情况。

3　讨论与分析

计算过程为非稳态，时间步长取0.01s，模拟时间为600s，符合液液分离设计时间（3～30 min）［7］。另外，由于振动是关于时间的函数，原则上要求使用非稳态模拟。一次模拟大概需要24h，总共进行了16组数值试验。

3.1油水分离效率

油水分离的效率通过水出口中的油含量以及油出口中的水含量来评价。通过对出口各个节点处的含油量和含水量取平均值，可求得水出口平均含油量以及油出口平均含水量。数值试验首先对非振动操作环境的油水分离器进行模拟，计算结果为水出口含油量为0.325%，油出口的含水量近似0，这也说明在无振动条件下油水分离器基本能够满足分离要求。为研究振动对分离效率的影响规律，振动频率分别选取为0.628 rad／s、0.785 rad／s和1.256 rad／s，振动幅值取值分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 m，计算数据如表1及图2～3所示。

表1　不同振动频率以及振幅工况下的分离效率（t=600 s）

分析表1以及图2～3发现，振动操作环境下，水出口的含油量与无振动操作环境相比显著增加，而油出口的含水量增加也较为明显，振动对分离效率影响的总体趋势为随着频率和振幅的增加，分离效率逐渐降低，以振动频率ω=1.256 rad／s、振幅A =0.5 m为例，水出口含油量为2.973%，油出口含水量为3.473%，与无振动时相比，分离效果已经很差。

图2　水出口含油量（t=600 s）

图3　油出口含水量（t=600 s）

3.2油水相的浓度分布

油水分离器内不同工作环境下的油水相体积分数如图4（振幅为0.4 m）和图5（频率为0.785 rad／s）所示，由于水相的体积分数与油相的体积分数和为1，在此不再给出。理论上，实现油水高效分离的的理想油水分布应当是油相集中在分离器上部，水相集中在下部。分析图4～5发现，振动条件下油水混合层的空间范围有所增大，并且随着振动频率和振幅的增大油水混合愈加严重，以振幅0.4 m，频率1.256 rad／s为例可以看出，此时的油水混合与无振动相比较已经非常严重。另外，与无振动相比，振动条件下油相分布有整体向下移动的趋势，这也直观地解释了振动如何影响分离器内部的油水相体积分布。

图4　不同频率油相浓度（A=0.4 m）

图5　不同振幅油相浓度（ω=0.785 rad／s）

3.3油水分离器内部流场

分离器内的流场的分布直接影响着油水分离的效率，无振动条件和振动条件下的油水相流线图如图6～7所示，在此只给出水相的流线图。很明显，振动条件下，无论油相还是水相，回流比较显著，均出现一定程度的波动。随着振动频率和幅值的增加，分离器内部的流场更加紊乱，回流更加严重。究其原因，主要是因为油水分离器在外界振动的影响下往复运动，而液体具有惯性，势必会导致流场的波动，回流使油滴在分离器内的停留时间增加，降低油水分离效率。一般油水分离器的设计，都是根据斯托克斯定律，并且基于分离区处于层流的假设，而振动会导致紊流的出现，会引发油水相的二次混合和增加乳化液的产生等问题，使得油水相难以分离，达到分离标准所需的时间便会延长，因此在油水分离器设计时应当充分考虑振动对其分离内部流场的影响，具体可以适当增加停留时间或者加设整流板和聚结构件。

图6　不同振动频率下水相流线图（A=0.4 m，t=600 s）

图7　不同振动幅值下水相流线图（ω=0.785 rad／s，t=600 s）

4　结论

本文借助CFD软件对固定式平台上油水分离器进行数值模拟，并对结果进行了分析，对振动条件下的油水分离规律有了更好、更直观的理解，也为振动工况环境下油水分离器的设计提供了一种可行的方法。结果表明，振动对油水分离的影响主要表现为：油水混合层的空间分布范围变广，水出口的含油量以及油出口的含水量均显著增加，油水分离器内部的流场产生一定程度的波动，油水分离困难，分离时间延长，最终导致分离效率的降低，并且随着振动频率和幅值的增加，这种影响会更加严重。另外，本文假设外界振动在一个方向上，即单自由度激励，这对固定式平台用油水分离器是合理的。如果是浮式采油平台或者FPSO，则应考虑三维油水分离6个自由度方向的激励，那么对分离效果的影响将变得更为复杂。因此在进行油水分离器的设计时，应当考虑振动对分离效果的影响，建议在分离器内部加设整流板及聚结构件，从而实现稳定流场并加速聚结的作用，提高分离效率，另外也可以从增加停留时间和减少油水分离器振动的方面予以考虑。

［1］Frankiewicz T，Lee CM.Using computional fluid dy-namics（CFD）simulation tomodel fluidmotion in process vessels on fixed and floating platforms［R］. SPE 77494，2012.

［2］Kharoua N，Khezzar L，Saadawi H.Application of CFD to debottleneck production separators in major oil field in Middle East［R］.SPE 158201，2012.

［3］ANSYS Inc.Fluent User Guide and Fluent Theory Guide［S］.2012.

［4］陈志伟.移动式压力容器介质晃动数值模拟及防波装置研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

［5］岑康.浮式平台用油气水分离器内液相的晃荡抑制研究［D］.南充：西南石油大学，2012.

［6］张黎明，何利民，王涛，等.重力分离器聚结构件数值模拟及优化研究［J］.化工机械，2008，35（1）：17-21.

［7］Arnold K，Stwart M.Surface Production Operations，Volume 1，third Edition，Design of Oil-Handling Sys-tems and Facilities［D］.USA：Gulf Professional Pub-lishing，2008.

Research on Effect of Vibration on Efficiency of Oil-water Separator

HE Shengbing，NI Lingying
（School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum（Huadong），Qingdao 266580，China）

The oil-gas-water treatment plants mounted on platform，FPSO or oil recovery vessel are in a ever-vibratory state，which may have disadvantageous effects on the plants efficiency.With the help of FLUENT combined with UDF，oil-water separators operated in vibratory and non-vi-bratory environment were simulated，aiming to have a fully understanding of the effects of vibra-tion on the performance of separators.Simulation result comparisons between vibratory and non-vibratory separators show that vibration has significant effects on the separation performance，the distribution of oil and water as well as the flow field in the separator.It is highly recommended that the effects of vibration should be taken into consideration during the design of oil-water sepa-rator.

oil-water separator；numerical stimulation；vibration

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.004

1001-3482（2015）12-0014-05

2015-06-01

何生兵（1991-），男，甘肃永登人，硕士研究生，主要从事海洋油气开采与集输方面的研究，Email：1239969568＠qq.com。