周桂娟，郭志芳，聶 傲，陳建娟，孫希瑾

(1. 中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101； 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

油田伴生氣是天然氣資源的一種，過去被認(rèn)為是沒有價(jià)值的天然氣而被直接燃燒處理【1-3】,不僅造成資源浪費(fèi)，還造成一定的環(huán)境污染。設(shè)立輕烴回收裝置不僅可以綜合利用輕烴資源，還能保證油氣的儲(chǔ)藏、運(yùn)輸安全，減少大氣污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義【4-6】。

海上平臺(tái)與地面平臺(tái)的最大區(qū)別在于海上平臺(tái)會(huì)隨著海浪左右搖擺，特別是季風(fēng)期間，海上平臺(tái)的搖擺幅度更為劇烈。作為海上輕烴回收裝置的重要組成部分，脫丁烷塔的作用為脫除伴生氣凝液中的碳五及以上的重質(zhì)組分。然而海上平臺(tái)的左右搖擺將顯著影響脫丁烷塔中分布器出口的液相分布，進(jìn)而影響脫丁烷塔的運(yùn)行效果【7-8】。

采用CFD數(shù)值模擬方法計(jì)算脫丁烷塔液體分布器內(nèi)的液相流場(chǎng)，分析在搖擺狀態(tài)下，脫丁烷塔液體分布器出口的流量分配情況及壓降，可為液體分布器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)【9-10】。

1 模擬對(duì)象和數(shù)值方法

1.1 液體分布器結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

液體分布器結(jié)構(gòu)如圖1所示。液相從液體分布器的上部進(jìn)口進(jìn)入分布器，首先經(jīng)變徑進(jìn)入主槽(方形的腔體，下部均勻分布著8根接管)，隨后經(jīng)8根接管進(jìn)入下方方形的封閉槽體內(nèi)，并從槽體底部的底孔流出。

圖1 脫丁烷塔液體分布器的幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析，確定模擬區(qū)域的最大網(wǎng)格尺寸為40 mm。因底孔尺寸與整個(gè)分布器的尺寸差距較大，故在底孔區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，總網(wǎng)格數(shù)量約為460萬。

1.2 數(shù)值模擬方法

選用雷諾平均的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)液體分布器的液相湍流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過改變重力方向來模擬船體在海面上的實(shí)際擺動(dòng)情況。該模型引入湍流動(dòng)能(k)和能量耗散率(ε)參數(shù)對(duì)N-S方程進(jìn)行求解。其中湍流動(dòng)能及能量耗散方程分別為精確方程以及由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)方程。

式(1)和式(2)為所求解的微分方程組：

(1)

(2)

式中:k——湍流動(dòng)能；

σk、σε——分別為湍流動(dòng)能與能量耗散的湍流普朗特?cái)?shù)；

Gk、Gb——分別為有平均速度梯度與浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

YM——在可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對(duì)整體耗散效率的貢獻(xiàn)；

ε——湍流耗散；

Sk、Sε——源項(xiàng)，模擬過程中設(shè)置為0。

ui——x方向的流體速度；

ρ、μ——分別為流體的密度與粘度；

C1ε、C2ε、C3ε——常數(shù)，在本模擬過程中

C1ε=1.44，C2ε=1.92,C3ε=0;

μt——定義的湍流粘度，由式(3)確定。

(3)

式中：Cμ——常數(shù)，Cμ=0.09。

1.3 數(shù)值模擬條件設(shè)置

數(shù)值模擬過程中，選用上述標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并將分布器的入口與出口分別設(shè)置為速度進(jìn)口及壓力出口邊界條件，計(jì)算水平穩(wěn)定狀態(tài)下的分布器液相流場(chǎng)分布，隨后改變模型中的重力方向分別計(jì)算分布器在兩個(gè)方向上擺動(dòng)時(shí)的液相流場(chǎng)分布。

數(shù)值模擬過程中所需的物性與操作參數(shù)如表1 所示。

表1 物性與操作條件

2 結(jié)果與討論

2.1 速度分布

圖2(a)～圖2(c)為水平狀態(tài)、x方向傾斜7.5°以及z方向傾斜7.5°狀態(tài)下豎直截面的速度分布云圖。從圖2(a)中可以看出：液相從上部進(jìn)口進(jìn)入分布器腔體后，液相速度呈軸對(duì)稱分布；且隨著與軸向距離的逐漸增加，腔內(nèi)的液相速度逐漸降低，呈現(xiàn)中心速度高而兩側(cè)速度低的不均勻分布形式。圖2(b)為右側(cè)傾斜狀態(tài)下液體分布器內(nèi)的速度分布云圖。從圖2(b)中可以明顯看出：液相速度分布的較大值(紅色區(qū)域)逐漸向右側(cè)移動(dòng)，呈現(xiàn)非軸對(duì)稱分布，且右側(cè)接管內(nèi)的速度明顯大于左側(cè)接管的速度。圖2(c)為垂直紙面向里傾斜狀態(tài)下的速度分布云圖。從圖2(c)可以看出：在豎直截面上，z方向的傾斜對(duì)液相速度分布無明顯的影響，在該截面上液相速度分布依然呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布。

圖2 分布器內(nèi)豎直截面的速度場(chǎng)分布云圖

為了更好地反映z方向傾斜對(duì)液相速度分布的影響，截取水平截面上的速度云圖(如圖3所示)。圖3(a)～圖3(c)為水平狀態(tài)、x方向傾斜7.5°以及z方向傾斜7.5°狀態(tài)下水平截面的速度分布云圖。從圖3(a)中可以看出：水平狀態(tài)下，速度在x方向以及z方向上均呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布，且中心處的速度較大，沿著中心向兩側(cè)方向速度均逐漸降低。從圖3(b)中可以看出：當(dāng)分布器向x方向傾斜(左側(cè)傾斜)后，液相多向左側(cè)偏移，右側(cè)槽體內(nèi)的液相速度分布降低，最右側(cè)槽體里的液相速度明顯小于最左側(cè)，且整個(gè)分布器仍呈現(xiàn)關(guān)于x軸的對(duì)稱分布。從圖3(c)中可以看出：當(dāng)分布器向z方向傾斜(向上傾斜)時(shí)，云圖下部的藍(lán)色區(qū)域面積明顯高于上部，說明下部區(qū)域的液相速度小于上部，且整個(gè)分布器仍呈現(xiàn)關(guān)于z軸的對(duì)稱分布。

2.2 壓力分布

圖4(a)～圖4(c)為水平狀態(tài)、x方向傾斜7.5°以及z方向傾斜7.5°狀態(tài)下脫丁烷塔內(nèi)的靜壓分布云圖(模型計(jì)算過程中設(shè)定底孔出口處的表壓為0)。從圖4(a)～圖4(c)中可以看出：總體上靜壓較大的區(qū)域均為離底孔較近的區(qū)域，沿高度方向靜壓逐漸降低。圖4(a)顯示，從液相進(jìn)口到底孔出口的軸向高度內(nèi)，靜壓逐漸增高，且在進(jìn)口處呈現(xiàn)負(fù)壓分布。而從圖4(b)和圖4(c)中可以看出：方向的傾斜使得液相逐漸沿著傾斜方向流動(dòng)，使傾斜處的底孔出口速度得以增加，過孔速度的增加使得孔兩側(cè)的壓降增加，因底孔出口處的表壓為0(模擬過程中底孔為壓力邊界條件，且表壓為0)，即底孔上部的壓力增加，故圖4(b)和圖4(c)的壓力分布表現(xiàn)為隨著傾斜方向向上(逆重力方向)壓力逐漸降低。

表2為3種情況下的進(jìn)出口壓降。從表2中可以看出：水平狀態(tài)下進(jìn)出口壓降為-390.0 Pa，說明此時(shí)分布器的進(jìn)口高度能夠維系底孔處的過孔流速；隨著傾角的逐漸增加，進(jìn)出口的壓降增加至4 400.0 Pa，說明傾角的增加使得底孔處的過孔速度增加，所需要的壓降也逐漸增加。為了維系傾斜狀態(tài)下的過孔速度，需要將分布器的進(jìn)口直段高度增加0.8 m左右。兩個(gè)擺動(dòng)方向(x向和z向)對(duì)壓降的影響規(guī)律類似。

因分布器的擺動(dòng)，使得進(jìn)出、口之間的相對(duì)高度出現(xiàn)變化。依據(jù)伯努利方程[見式(4)]可計(jì)算出進(jìn)、出口之間的高度差。

(4)

式中： ΔP——進(jìn)、出口之間的壓差；

ΔH——進(jìn)、出口之間的高度差；

u1、u2——分別為進(jìn)、出口的速度；

ρ——流體的密度；

g——重力加速度。

故表2中增加了ΔHρg項(xiàng)。以底孔為0平面基準(zhǔn)， 水平狀態(tài)下的進(jìn)、 出口高度差ΔH為0.984 m；x方向傾斜時(shí)進(jìn)、 出口高度差ΔH為0.976 m；z方向傾斜時(shí)進(jìn)、 出口高度差ΔH為0.976 m。

表2 脫丁烷塔分布器的進(jìn)出口壓降

2.3 流量分配

使用變異系數(shù)CV值對(duì)分布器出口處的流量分配情況進(jìn)行表征。變異系數(shù)CV可由式(5)計(jì)算得出，結(jié)果如表3所示。

(5)

式中：σ——底孔質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)差；

其中

(6)

式中：n——底孔的個(gè)數(shù)；

(7)

表3 脫丁烷塔分布器出口的流量分配

qi——第i個(gè)底孔的質(zhì)量流量。

從表3中可以看出：在水平狀態(tài)下，分布器出口的偏差為6.75%，說明此幾何結(jié)構(gòu)下分布器的出口流量存在6.75%的差異；增加7.5°的傾斜角之后，流量分配的偏差從6.75%增加至21.24%，差異更為明顯，出口處的流量分布更為不均，且向x方向擺動(dòng)或是向z方向擺動(dòng)對(duì)流量的分配不均勻性規(guī)律類似。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 采用CFD數(shù)值模擬方法分別研究水平狀態(tài)及x、z兩個(gè)方向擺動(dòng)狀態(tài)下脫丁烷分布器的出口流量分配及壓降分布規(guī)律。

2) 計(jì)算結(jié)果表明：增加擺動(dòng)后，液相明顯向擺動(dòng)方向處移動(dòng)，從水平狀態(tài)下的軸對(duì)稱分布轉(zhuǎn)變?yōu)榉禽S對(duì)稱分布；增加7.5°的傾斜角之后，流量分配的偏差從6.75%增加至21.24%，出口流量的不均勻性顯著升高，向x方向擺動(dòng)或向z方向擺動(dòng)流量分配不均勻性規(guī)律類似。

3) 傾斜角的增加使得部分底孔處的過孔流速和過孔壓降增加，為了達(dá)到擺動(dòng)狀態(tài)下的過孔流速，需適當(dāng)提高分布器的進(jìn)口直管段高度。