湿气管道积液在线分离装置优化与方案评估

2020-07-29刘建武高奇峰何利民

中国石油大学学报（自然科学版） 2020年4期

刘建武, 高奇峰, 何利民

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛 266580; 2.中石化石油工程设计有限公司,山东东营 257026;3.中海油研究总院有限责任公司,北京 100027)

湿天然气管道输送过程中,在管道低洼处聚集形成的积液会带来输气效率降低、水合物堵塞和段塞流冲击等诸多问题[1-2]。积液处理是湿气管道运行中面临的重要任务之一。通常采用事前控制和事后处理两种途径来减少积液。事前控制是指对来料气进行深度脱水,使其以未饱和含水的状态输送,该方法给采气井口配套的脱水、脱烃以及污水处理等工艺提出了很高的要求,在采气井数量过多且分布过于分散的情况下,带来了处理成本和管理上的双重难题。事后处理是指对管道进行定期清管[3-5],受介质组成、操作条件以及环境因素等的影响,管道的积液量往往是变化的,这给清管周期以及管道末端处理设备容积的确定带来困难。清管造成管道压力波动,使局部管段有超压风险,影响管道的运行安全。针对当前湿气管道在积液处理方面的问题,通过在管道沿线的重点积液段设置在线分离装置,将管道中的积液和来料气中的液滴及时分离和排放,改善管道的运行条件,降低清管难度和输送能耗,是一个值得讨论的方法。其中在线分离装置的性能指标是该方案成效与否的关键。轴流导叶式旋流分离器以其结构紧凑、安装灵活以及成本低等特点,在海洋石油工业中得到了广泛应用[6-7]。分离器的排气方向与排液方向一致,不存在进、排气反向运动的摩擦损失,圧力损失小、处理流量大,是积液在线分离装置的理想选择。但该类分离器的性能受具体结构的影响较大,对颗粒的分离效率往往较低。众多学者从分离器结构包括分离筒体、导流片、排气管等对分离性能的影响进行了研究,鉴于研究方法、试验介质、研究条件等的差异,当前对于轴流式分离器的优化设计并没有形成统一的认识[8-11]。鉴于此,笔者设计新型的轴流导叶式旋流分离器,对导流叶片等关键结构参数进行优化,提出积液在线处理方案,并对其有效性进行评估。

1 分离器结构设计

图1为轴流导叶式旋流分离器结构示意图,主要由导流叶片、导流锥、导流体、分离筒体、集液腔、排气管和排液管等组成。其工作过程为:流体从气液入口进入分离器,经过导流锥,在导流叶片作用下发生高速旋转,在导流体后面的分离空间内,液滴受离心力影响运动至壁面形成液膜,进入集液腔后从排液管排出,气体在分离空间中心处旋转向后运动,最终从排气管排出,实现气液两相分离。

图1 导叶式旋流分离器结构示意图

基于对分离器工作过程的分析可知,导流叶片及导流体是影响分离性能的关键结构,其决定了分离器旋流强度。导流叶片的作用是制造流体旋转并在分离空间内形成稳定的旋流场,目前研究较多的导流叶片类型为倾斜平板叶片、直螺旋叶片、圆弧叶片等,如图2所示。

图2 不同类型导流叶片

倾斜平板叶片和直螺旋叶片制造流体旋转能力较强,但来流会与叶片发生冲击,造成局部能量损失较大;圆弧叶片起始端与来流方向相切,流体冲击产生的局部阻力较小,但叶片流道长度较短,不能有效地诱导强化旋转。设计导流叶片起始端为圆弧形,减少来流与叶片间的能量冲击损失;设计叶片尾端为直线段,保证叶片具有一定的流道长度,对来流进行强化旋转。

2 分离器结构优化选型

2.1 数值模型与计算方法

采用四面体非结构网格对分离器流体域进行划分。由于分离器导叶结构比较复杂,为了减小物理模型内部复杂结构对网格质量影响,在分离器导流叶片处进行网格加密处理,网格划分如图3所示。

图3 网格划分

利用FLUENT软件对流动进行数值模拟,湍流模型采用雷诺应力模型RSM,用SIMPLE算法对速度-压力场进行求解;对于气液两相流模拟,采用拉格朗日离散相DPM模型,将气体设置为连续相,液滴设置为离散相。模拟介质为空气和水,空气密度为1.22 kg·m-3,黏度为1.789 4×10-5Pa·s;水密度为1 000 kg·m-3,黏度为1.005×10-3Pa·s。选取QUICK差分格式和PRESTO压力插补格式[12],边界条件选择速度入口和自由出流出口边界条件。计算分离效率时,假设液滴运动至分离器筒体壁面即被捕捉,因此设置分离筒体壁面边界条件为“捕捉”类型,其他壁面设置为“反弹”类型,排气管出口设置为“逃逸”类型。

为保证分离器模拟计算的准确性,对分离器网格进行了独立性检验,设置分离器主体计算域网格间距分别为4、6和8 mm,加密区网格间距为3 mm,采用相同的方法划分网格。对比发现,主体计算域网格间距6 mm与网格间距4 mm时的分离空间切、轴向速度分布几乎吻合。在保证计算准确性前提下,为减少计算量,选取主体计算域网格间距为6 mm。

2.2 分离器结构模拟优化

2.2.1 导流叶片结构

(1)导流叶片个数。取分离器筒体直径D=80 mm、导流体直径与分离筒体直径比Di/D=0.5、导流叶片初始出口角β=45°。图4为具有不同导流叶片个数的分离器的切向速度与分离效率。由图4(a)可以看出,当导流叶片个数不多于6个时,随着导流叶片个数增加,诱导旋转的流道增多,来流在分离区内的旋流强度增加;当叶片个数超过6个时,切向速度增加的幅度变缓,这是因为此时的诱导旋转流道已经使流体流动得到了充分发展,旋流强度趋于稳定,切向速度的缓慢增加更多地是因为导流叶片厚度的影响,导流叶片个数越多,占据流体通道的面积就越大,会产生一定的节流加速作用。由图4(b)可知,随导流叶片个数增加,液滴的分离效率逐渐增加,当叶片个数超过6个时,分离效率随叶片个数的增加变化不大,这也说明了此时分离空间内已经形成了趋于稳定的旋流场,继续增加导流叶片个数对切向速度提升的程度不大,只会增加流体与导流叶片碰撞产生的能量损失。兼顾分离性能、加工难度以及能量损失,推荐选取导流叶片个数为6～7。

图4 不同导流叶片个数的分离器切向速度与分离效率

(2)导流叶片出口角。导流叶片出口角决定了流体经过导流叶片后的切向初始分速度大小。图5(a)为入口速度vin=5 m·s-1时具有典型导流叶片出口角(β=35°、45°和55°)的分离器在导流体后分离空间某一截面的切向速度分布。从图中可以看出,导流叶片出口角β越小,流体获得的旋转角动量越大,相应的切向速度也就越大。图5(b)为具有不同导流叶片出口角的分离器在入口速度vin=5 m·s-1的分离效率。从图中可以看出,对于一定粒径的液滴,导流叶片出口角β越小,分离效率越高。当导流叶片出口角小于45°时,分离器对不同液滴粒径的分离效率十分敏感,表现为粒级分离效率曲线较为陡峭,对现实应用中含有不同液滴粒径群的雾状流的分离效率较高;而当导流叶片出口角大于45°时,粒级分离效率曲线较为平缓,则对现实应用中含有不同液滴粒径群的雾状流的分离效率较低。图5(c)为不同入口气速下分离器压降与导流叶片出口角的关系。从图中可以看出,分离器压降随导流叶片出口角减小而增大,导流叶片出口角减小,分离区切向速度增加,气体与壁面间的摩擦损失增加,分离器压降增大。尤其当入口气速较大时,导流叶片出口角(β<45°时)对分离器压降的影响更为明显。

图5 不同导流叶片出口角分离器特性参数变化

图6为β=45°时分离器在不同入口气速下的分离效率。从图6中可以看出,对于同一粒径液滴,分离效率随着入口气速的增大而增大,当气速高于5 m·s-1时,分离器对粒径高于10 μm的液滴均达到较高的分离效率。

图6 不同入口气速下分离器分离效率

导流叶片出口角的选择需要兼顾分离效率与压降两个因素,推荐设计导流叶片出口角β=45°,此时流场旋流强度适中,能量损失相对较小,还能保持较高的分离效率。

2.2.2 导流体直径

导流体作为制造旋转的关键结构,其参数的选择也至关重要。导流体前缘与尾缘均采用流线型设计,以减小分离器压降损失。导流体直径越大,导流叶片与分离器筒体构成的旋转流道越窄,切向速度越大,越有利于液滴的分离。流通截面积减小的同时,也导致分离空间旋流区轴向速度增大,减少了液滴在分离器内部停留的时间,不利于液滴分离,因此有必要对导流体直径对分离性能的影响进行分析。

图7(a)为入口气速vin=5 m·s-1时不同Di/D分离器的分离效率。从图中可以看出,导流体直径增加对液滴的分离是有利的,尤其对于Di/D>0.5的分离器,随着导流体直径增大,分离效率大幅提升。图7(b)为分离器压降与导流体直径的关系。随着导流体直径增加,分离器压降增大;尤其对于Di/D>0.5的分离器,在较高入口气速下,分离器压降急剧增大,已经不属于导流体直径的较优选择。根据图6的分析,只要入口气速高于5 m·s-1,分离器对粒径超过10 μm的液滴均达到较高的分离效率。因此在保证分离性能前提下,为减小分离器能耗,推荐导流体直径与分离器筒体直径比为0.5。

图7 不同导流体直径分离器特性参数变化

3 优化后的分离器性能试验

取初始导流角β=30°、45°、60°,初始导流体直径与分离筒体直径比Di/D=0.5、0.6、0.7,设置导流叶片个数为6。考察雾状流态下导流叶片出口角和导流体直径对分离性能的影响,通过3D打印技术进行导流叶片和导流体结构加工。试验流程如图8所示,主要由动力系统、喷雾系统、分离系统、计量系统4部分组成。在数值模拟部分,是将单粒径液滴的分离效率作为分离器结构优化的依据;但试验过程中无法创造单粒径液滴的试验环境,只能以液滴群的形式出现,即便模拟与试验结果在数值上不能一一对应,但能从更接近现场应用的角度,通过对液滴群分离效率变化趋势的分析对数值模拟结果进行验证。

图8 试验流程

图9为不同结构分离器的分离效率。从图9(a)中可以看出,分离效率先是随分离器入口气速的增加而增大。入口气速增大,相应的旋流强度增加,有利于液滴的分离。当入口气速进一步增大时,分离效率反而出现下降的趋势。此时,虽然旋流强度的增大有利于液滴的径向移动而被分离筒体壁面捕捉,但液滴的轴向速度也进一步加大,减少了液滴在分离器内部的停留时间。入口速度增大使分离空间壁面的剪切应力变大,增加了已分离液滴被重新携带从排气口逃逸的风险。Di/D=0.7分离器的情况与入口速度对分离效率影响分析的原理一致,其分离空间流通面积进一步减小,旋流强度增大的同时,轴向速度加快,液滴在分离器中的停留时间减小,壁面剪切应力增大,导致分离效率在较小的入口气速下就出现分离性能恶化的情况。这种分离器适应工况范围窄,不是较优结构的分离器。因此在设计导流体直径时,推荐Di/D为0.5～ 0.6。

从图9(b)中可以看出,导流叶片出口角对分离效率的影响与导流体直径的影响规律极为相似。导流叶片出口角越小,旋流强度越大,分离效率越高。但当分离器入口速度达到一定值后,伴随而来的旋流强度、液滴停留时间以及壁面剪切应力的相互影响,使得分离器的分离效率表现复杂,甚至出现分离效率降低的情况。结合数值模拟的结果,从增大工况适应性和减小分离器能耗两方面考虑,推荐设计导流叶片出口角β=45°。

图9 不同结构分离器的分离效率

4 积液在线分离实施方案效果分析

4.1 实施方案设计

在湿气管道沿线重点积液的低洼处设置轴流导叶式旋流分离器,气液两相流经分离器后,分离出的液相进入液罐储存,最终通过罐车或者独立管线输送至集气站处理。图10为分离装置的撬装图,为避免对清管产生影响,设计旁通流程。日常运行中,开启分离流程;清管时,关闭分离流程。分离器前部设置T型管,对管道底流液体进行预分离,经过分离的流体继续运动进入分离器,进行液滴的旋流分离,并从排液管排出。

图10 气液分离装置安装示意图

以实际湿气管道为研究案例,基于当前在天然气凝析液管道模拟领域被业界广泛认可的全动态多相流模拟计算OLGA软件,在开展湿气管道中积液发展过程分析基础上,考察增设在线分离装置后的管道积液改善情况。管道尺寸、路由走向、边界条件、介质组成以及计算方法等信息详见参考文献[13]。

4.2 湿气管道积液发展过程与能耗

图11为清管及后续运行过程管道全线积液量以及管道入口压力的变化情况。清管前平稳运行时管道内的总积液量约为322 m3,从运行的第3 d开始投放清管器,2 h后清管器进入收球筒。该过程管线中的积液量急剧下降,表明清管对于管道积液的消除效果明显。此后湿气在沿线输送过程中不断有液相凝结析出,全线积液量开始呈线性急剧增长,随后增长趋势放缓,直至一个相对稳定的状态;积液量趋于饱和,与清管之前平稳运行时管道全线的积液量一致,湿气管道将以含有饱和积液量的稳态过程继续运行。

图11 管道积液量及入口压力变化

湿气管线形成低持液率的气液两相流动,气液两相与管壁之间引起的摩阻压降和气液重力沿管线轴向的分量所引起的重力压降以及液塞耗散过程产生的压降,使得湿气管道运行产生了较大的能耗。管道入口处的压力变化与积液在管道中的发展过程类似,清管之前管道入口压力为2.87 MPa,清管结束后管道入口压力降至2.75 MPa;伴随积液的形成和发展,管道运行压力不断增大,直至管道积液量趋于饱和,管道入口压力也恢复至清管前的压力。

4.3 增设分离器后计算结果

针对提出的管道积液处理方案,在管道全线地形起伏较为明显、积液量较多的位置增设分离器,基于OLGA软件建立湿气管道积液处理简化计算模型,通过PID控制分离器内部液位。

图12(a)为增设分离器与不增设分离器时管道全线积液量随时间的变化关系。分离器将原有的全管段F分成F-1和F-2前后两个管段。从图12中可以看出,在清管之前的稳定运行阶段,增设分离装置后的F-1和F-2管段的稳定积液量之和与不增设分离装置的管道全线积液量近似相等。伴随分离流程启动,F-1和F-2管段的稳定积液量之和明显低于不增设分离装置的管道全线积液量,在该模拟条件下,二者之间的积液量相差约为100 m3。从图12中同样可以看出,增设分离装置后的F-2管段的积液从沉积到稳定的持续时间明显延长,二者相差约50 d。管道间设置分离装置,将F-1管段沉积的液量及时分离出来,一方面防止了F-1管段形成的积液继续向前流动,减小了积液参与F-2管段的质量交换,也就减小了F-2管段的积液总量;另一方面,经过分离之后的来料气进入F-2管段将不含游离水,仅是以当下运行温度和压力条件下的低含水饱和湿气运行,这增大了F-2管段的积液发展到稳定的持续时间。图12(b)为两种方案下管道首站的运行压力随时间的变化关系。分离流程启动后,管道中的积液量明显减小,管道全线的流动阻力减小,在集气首站提供较小压力就能满足同等输量的管输要求。综合来讲,在集气管道间增设分离装置可以明显降低集气管道中的积液量,并延长管道积液发展达到稳定的时间,这对管道加大清管周期以及优化末端处理装置容积都具有积极作用。