摆动下液体分布器流体分布的数值模拟研究

2021-07-21周桂娟郭志芳陈建娟孙希瑾

石油化工设备技术 2021年4期

周桂娟，郭志芳，聂傲，陈建娟，孙希瑾

(1. 中国石化工程建设有限公司，北京 100101； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

油田伴生气是天然气资源的一种，过去被认为是没有价值的天然气而被直接燃烧处理【1-3】,不仅造成资源浪费，还造成一定的环境污染。设立轻烃回收装置不仅可以综合利用轻烃资源，还能保证油气的储藏、运输安全，减少大气污染，具有重要的现实意义【4-6】。

海上平台与地面平台的最大区别在于海上平台会随着海浪左右摇摆，特别是季风期间，海上平台的摇摆幅度更为剧烈。作为海上轻烃回收装置的重要组成部分，脱丁烷塔的作用为脱除伴生气凝液中的碳五及以上的重质组分。然而海上平台的左右摇摆将显著影响脱丁烷塔中分布器出口的液相分布，进而影响脱丁烷塔的运行效果【7-8】。

采用CFD数值模拟方法计算脱丁烷塔液体分布器内的液相流场，分析在摇摆状态下，脱丁烷塔液体分布器出口的流量分配情况及压降，可为液体分布器的结构优化提供理论依据【9-10】。

1 模拟对象和数值方法

1.1 液体分布器结构与网格划分

液体分布器结构如图1所示。液相从液体分布器的上部进口进入分布器，首先经变径进入主槽(方形的腔体，下部均匀分布着8根接管)，随后经8根接管进入下方方形的封闭槽体内，并从槽体底部的底孔流出。

图1 脱丁烷塔液体分布器的几何结构与网格划分

采用非结构性网格对模拟区域进行网格划分，经网格无关性分析，确定模拟区域的最大网格尺寸为40 mm。因底孔尺寸与整个分布器的尺寸差距较大，故在底孔区域进行网格加密处理，总网格数量约为460万。

1.2 数值模拟方法

选用雷诺平均的标准k-ε模型对液体分布器的液相湍流流场进行数值模拟，并通过改变重力方向来模拟船体在海面上的实际摆动情况。该模型引入湍流动能(k)和能量耗散率(ε)参数对N-S方程进行求解。其中湍流动能及能量耗散方程分别为精确方程以及由经验公式导出的经验方程。

式(1)和式(2)为所求解的微分方程组：

(1)

(2)

式中:k——湍流动能；

σk、σε——分别为湍流动能与能量耗散的湍流普朗特数；

Gk、Gb——分别为有平均速度梯度与浮力产生的湍流动能；

YM——在可压缩湍流中脉动膨胀对整体耗散效率的贡献；

ε——湍流耗散；

Sk、Sε——源项，模拟过程中设置为0。

ui——x方向的流体速度；

ρ、μ——分别为流体的密度与粘度；

C1ε、C2ε、C3ε——常数，在本模拟过程中

C1ε=1.44，C2ε=1.92,C3ε=0;

μt——定义的湍流粘度，由式(3)确定。

(3)

式中：Cμ——常数，Cμ=0.09。

1.3 数值模拟条件设置

数值模拟过程中，选用上述标准k-ε湍流模型，并将分布器的入口与出口分别设置为速度进口及压力出口边界条件，计算水平稳定状态下的分布器液相流场分布，随后改变模型中的重力方向分别计算分布器在两个方向上摆动时的液相流场分布。

数值模拟过程中所需的物性与操作参数如表1 所示。

表1 物性与操作条件

2 结果与讨论

2.1 速度分布

图2(a)～图2(c)为水平状态、x方向倾斜7.5°以及z方向倾斜7.5°状态下竖直截面的速度分布云图。从图2(a)中可以看出：液相从上部进口进入分布器腔体后，液相速度呈轴对称分布；且随着与轴向距离的逐渐增加，腔内的液相速度逐渐降低，呈现中心速度高而两侧速度低的不均匀分布形式。图2(b)为右侧倾斜状态下液体分布器内的速度分布云图。从图2(b)中可以明显看出：液相速度分布的较大值(红色区域)逐渐向右侧移动，呈现非轴对称分布，且右侧接管内的速度明显大于左侧接管的速度。图2(c)为垂直纸面向里倾斜状态下的速度分布云图。从图2(c)可以看出：在竖直截面上，z方向的倾斜对液相速度分布无明显的影响，在该截面上液相速度分布依然呈现轴对称分布。

图2 分布器内竖直截面的速度场分布云图

为了更好地反映z方向倾斜对液相速度分布的影响，截取水平截面上的速度云图(如图3所示)。图3(a)～图3(c)为水平状态、x方向倾斜7.5°以及z方向倾斜7.5°状态下水平截面的速度分布云图。从图3(a)中可以看出：水平状态下，速度在x方向以及z方向上均呈现轴对称分布，且中心处的速度较大，沿着中心向两侧方向速度均逐渐降低。从图3(b)中可以看出：当分布器向x方向倾斜(左侧倾斜)后，液相多向左侧偏移，右侧槽体内的液相速度分布降低，最右侧槽体里的液相速度明显小于最左侧，且整个分布器仍呈现关于x轴的对称分布。从图3(c)中可以看出：当分布器向z方向倾斜(向上倾斜)时，云图下部的蓝色区域面积明显高于上部，说明下部区域的液相速度小于上部，且整个分布器仍呈现关于z轴的对称分布。

2.2 压力分布

图4(a)～图4(c)为水平状态、x方向倾斜7.5°以及z方向倾斜7.5°状态下脱丁烷塔内的静压分布云图(模型计算过程中设定底孔出口处的表压为0)。从图4(a)～图4(c)中可以看出：总体上静压较大的区域均为离底孔较近的区域，沿高度方向静压逐渐降低。图4(a)显示，从液相进口到底孔出口的轴向高度内，静压逐渐增高，且在进口处呈现负压分布。而从图4(b)和图4(c)中可以看出：方向的倾斜使得液相逐渐沿着倾斜方向流动，使倾斜处的底孔出口速度得以增加，过孔速度的增加使得孔两侧的压降增加，因底孔出口处的表压为0(模拟过程中底孔为压力边界条件，且表压为0)，即底孔上部的压力增加，故图4(b)和图4(c)的压力分布表现为随着倾斜方向向上(逆重力方向)压力逐渐降低。

表2为3种情况下的进出口压降。从表2中可以看出：水平状态下进出口压降为-390.0 Pa，说明此时分布器的进口高度能够维系底孔处的过孔流速；随着倾角的逐渐增加，进出口的压降增加至4 400.0 Pa，说明倾角的增加使得底孔处的过孔速度增加，所需要的压降也逐渐增加。为了维系倾斜状态下的过孔速度，需要将分布器的进口直段高度增加0.8 m左右。两个摆动方向(x向和z向)对压降的影响规律类似。

因分布器的摆动，使得进出、口之间的相对高度出现变化。依据伯努利方程[见式(4)]可计算出进、出口之间的高度差。

(4)

式中： ΔP——进、出口之间的压差；

ΔH——进、出口之间的高度差；

u1、u2——分别为进、出口的速度；

ρ——流体的密度；

g——重力加速度。

故表2中增加了ΔHρg项。以底孔为0平面基准，水平状态下的进、出口高度差ΔH为0.984 m；x方向倾斜时进、出口高度差ΔH为0.976 m；z方向倾斜时进、出口高度差ΔH为0.976 m。