楊 蕊 張 磊 呂 超 朱寶錦

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著我國(guó)油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，目前已逐漸向陸地深處、深海和非常規(guī)油氣資源開(kāi)采領(lǐng)域邁進(jìn)。在陸地原油開(kāi)采的同時(shí)，也需要收集天然氣，在深海天然氣的開(kāi)采過(guò)程中，需要將天然氣和水進(jìn)行氣液分離，非常規(guī)油氣資源開(kāi)采的過(guò)程中同樣少不了氣液分離。眾多分離方式下，氣液旋流分離器具有占地面積小、重量輕及分離效果好等優(yōu)勢(shì)。因此氣液分離旋流技術(shù)廣泛應(yīng)用于多相分離開(kāi)采中。

在上述資源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要各種形式的泵進(jìn)行舉升，如：螺桿泵、離心泵、齒輪泵及柱塞泵等，包括現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的油梁式抽油機(jī)，由于其自身結(jié)構(gòu)的原因，均會(huì)造成不同程度的流量脈動(dòng)。因此，研究脈動(dòng)對(duì)氣液分離器的影響對(duì)于進(jìn)一步提高分離效率和降低成本具有重要意義［1～3］。

1 入口流量為非脈動(dòng)條件下數(shù)值模擬

1.1 模型結(jié)構(gòu)

氣液分離器是由一個(gè)傳統(tǒng)經(jīng)典的柱狀主筒結(jié)構(gòu)、向下傾斜的切向入口管、頂部溢流管和底部底流管組成的。設(shè)定入口處氣液兩相均勻混合，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分（圖1）［4，5］。

圖1 氣液分離器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

由圖2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在40萬(wàn)以上時(shí)誤差溢流質(zhì)量流率的變化誤差不超過(guò)5%，在保證計(jì)算精度和控制計(jì)算成本的前提下網(wǎng)格數(shù)量可定為40萬(wàn)。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.3 初始及邊界條件

設(shè)定入口流量為4 m3/h，入口氣相體積分?jǐn)?shù)60%，溢流分流比為10%，非脈動(dòng)條件下入口為速度入口，入口速度V=13.415 m/s。溢流出口和底流出口均為自由出流，壓力-速度耦合算法采用SIMPLEC算法，壓力離散采用PRESTO！，動(dòng)量方程采用更高精度的QUICK。

1.4 非脈動(dòng)條件下氣相云圖

非脈動(dòng)條件下氣相云圖如圖3所示。由圖3可以看出，氣相主要集中在旋流器的中上部，下部氣相含量相對(duì)較少，但是軸線中心部分并沒(méi)有形成穩(wěn)定的氣核，中上部邊壁部分仍然存在少量液相，說(shuō)明旋流器內(nèi)部流場(chǎng)并不理想，傳統(tǒng)柱狀氣液分離器還有很大的提升空間。

圖3 非脈動(dòng)條件下氣相云圖

2 入口流量為脈動(dòng)條件下數(shù)值模擬

2.1 氣相云圖

設(shè)定脈動(dòng)條件下的入口速度V=13.415+2.066×|sin 50.25t|，脈動(dòng)周期T=0.125 s。因此筆者取入口流量在一個(gè)周期內(nèi)的特征值時(shí)間點(diǎn)（極大值t=3.03125 s時(shí)刻、極小值t=3.06250 s時(shí)刻和中間值t=3.09375 s、t=3.12500 s時(shí)刻）進(jìn)行分析。

分離器各時(shí)刻氣相云圖如圖4所示，對(duì)照?qǐng)D3，傳統(tǒng)柱狀氣液分離器在非脈動(dòng)條件下，截面Ⅰ以上的位置高濃度（不小于85%）氣核面積比脈動(dòng)條件下的氣核面積大。且在截面Ⅰ以下到底流口，非脈動(dòng)條件下較高濃度（65%～70%）的分布比脈動(dòng)條件下的分布狹窄。因此，脈動(dòng)條件對(duì)于氣相在分離器中心氣核位置的聚集和氣相與液相的分離效果均不佳。

圖4 分離器各時(shí)刻氣相云圖

2.2 分離效率曲線

是否存在脈動(dòng)條件的分離效率曲線如圖5所示，由圖5可以看出，脈動(dòng)條件下的分離效率是不穩(wěn)定的，2 s之前分離效率逐漸升高，此時(shí)混合液正逐漸充滿分離器，2 s后分離效率大體保持在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，但最高值未超過(guò)非脈動(dòng)條件下的分離效率。而非脈動(dòng)條件下，模擬是穩(wěn)態(tài)進(jìn)行的，分離效率恒定為81%。

圖5 是否存在脈動(dòng)條件的分離效率曲線

2.3 軸向速度

圖6分別為截面Ⅰ和截面Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下軸向速度對(duì)比。截面Ⅰ處（圖6a），脈動(dòng)條件下的軸向速度與非脈動(dòng)條件下的軸向速度相差不大。表明脈動(dòng)的存在并未對(duì)分離器上部介質(zhì)軸向速度產(chǎn)生明顯的影響。入口下方截面Ⅰ的位置是流場(chǎng)相對(duì)不穩(wěn)定的區(qū)域，也是旋流分離能量耗損最大的區(qū)域。軸向速度變化幅度比比截面Ⅱ處（圖6b）的大，促使液相在離心力的作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。截面Ⅱ處，下筒體軸向速度對(duì)稱(chēng)性相對(duì)截面Ⅰ有所提升。

圖6 截面Ⅰ、Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下軸向速度對(duì)比

2.4 切向速度

切向速度是促進(jìn)旋流分離至關(guān)重要的因素，以最大切向速度點(diǎn)為界，速度場(chǎng)分為外渦流區(qū)和內(nèi)渦流區(qū)兩個(gè)區(qū)域［6］。圖7分別為截面Ⅰ和截面Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下切向速度對(duì)比。在截面Ⅰ處（圖7a），由于脈動(dòng)作用減小了切向速度梯度（最低點(diǎn)到最高點(diǎn)），組合渦特性差，外渦流區(qū)無(wú)法形成強(qiáng)旋流的準(zhǔn)自由渦，導(dǎo)致內(nèi)渦流區(qū)無(wú)法獲得準(zhǔn)強(qiáng)制渦的能量，造成分離器分離效果差；在截面Ⅱ處（圖7b），脈動(dòng)的切向速度在0 m/s附近，切向速度分布紊亂，內(nèi)部流場(chǎng)難以形成最佳分離所需的條件。因此，脈動(dòng)會(huì)擾亂內(nèi)部切向速度分布并降低其組合渦特性，這是脈動(dòng)條件分離效果降低的重要原因。

圖7 截面Ⅰ、Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下切向速度對(duì)比

2.5 徑向速度

徑向速度是軸向速度、切向速度和徑向速度3個(gè)速度中量級(jí)最小的，對(duì)流體的流動(dòng)影響也較小，但是依舊具有不可忽略的重要性。如圖8所示，由于單入口結(jié)構(gòu)因素的影響，徑向速度的分布對(duì)稱(chēng)性較差。對(duì)于截面Ⅰ（圖8a），由于分離主要發(fā)生在徑向速度梯度大的位置，脈動(dòng)減弱了軸心附近區(qū)域徑向速度梯度，因此在分離器的上方是分離作用的主要產(chǎn)生區(qū)域；對(duì)于截面Ⅱ（圖8b），中心軸處相較于無(wú)脈動(dòng)徑向不產(chǎn)生位移或位移較小，形成了相較于非脈動(dòng)的穩(wěn)定氣核。因此，在主筒下方由于脈動(dòng)的特點(diǎn)，使脈動(dòng)條件的下筒體呈現(xiàn)出穩(wěn)定的氣核和更好的分離作用，僅由于上筒體流場(chǎng)的影響，使得氣相在上筒體重新被打散并摻入液相，從而使得分離效果差。

圖8 截面Ⅰ、Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下徑向速度對(duì)比

2.6 壓力曲線

壓力降是旋流器的重要技術(shù)指標(biāo)，旋流器分離所需的能量就是從壓力的損失來(lái)獲得的［7］。圖9分別為截面Ⅰ、Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下壓力曲線對(duì)比。

圖9 截面Ⅰ、Ⅱ處非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下壓力曲線對(duì)比

由圖9可以看出，施加脈動(dòng)條件的兩個(gè)截面的壓力較高，說(shuō)明脈動(dòng)能夠減弱入口帶來(lái)的壓力損失，使得進(jìn)入主筒的氣液兩相總壓高于非脈動(dòng)條件。通過(guò)對(duì)比非脈動(dòng)條件和脈動(dòng)條件下的壓降能夠看出，兩個(gè)截面的壓降大體相同，即分離從壓力損失獲得的能量大體相當(dāng)。由此可知，壓降對(duì)脈動(dòng)條件分離效果的影響較小。

3 結(jié)論

3.1 脈動(dòng)擾亂分離器內(nèi)部速度分布的對(duì)稱(chēng)性，降低組合渦特性，減弱了外渦流區(qū)旋流強(qiáng)度，這是脈動(dòng)流條件下分離效率下降8%左右的主要原因。因此，本研究對(duì)脈動(dòng)條件下氣液分離效率的影響因素的分析具有重要指導(dǎo)意義。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為下一步設(shè)計(jì)新型氣液旋流分離器的結(jié)構(gòu)提供了理論數(shù)據(jù)，改變?nèi)肟谖恢谩A角或入口形狀等結(jié)構(gòu)，減小速度波動(dòng)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，以提高脈動(dòng)流條件下旋流器的分離效率。

3.3 脈動(dòng)能夠降低入口位置的壓力損失，將入口處脈動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為旋流分離所需要的動(dòng)能，使得氣液兩相通過(guò)脈動(dòng)入口進(jìn)入分離器后表現(xiàn)出穩(wěn)定的流場(chǎng)，從而消除脈動(dòng)帶來(lái)的不利影響。