备C&M
Engi neeri ng 工程基于离散相模型的波纹板油气分离器优化设计 杨建东，赵鹏，贾海海
(西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安710018)
摘要：蛇行波纹板整流器是一种常见的油气分离装置，在油气集输过程中起到了非常重要的作用。本文利用Fluent软件提供的离散相模型，对波纹板油气分离过程的流场进行了分析，并比较了波纹板的结构参数对分离效率的影响，总结不 同因素对波纹板分离性能的影响规律，为油气分离元件的工程设计提供有效的依据。
关键词：波纹板；多功能合一设备；优化设计
中图分类号：T H452 文献标识码：A文章编号：1671-0711 (2017) 03 (下）-0105-04
在石油的开采过程中，油井产出的是油、气、水、砂等多种物质的混合物，为了得到合格的石油产品，油气集输首要任务是气液分离，通常称为油气分离。在油气集输过程中，油气混合物的分离是在一定的设备中进行的。根据相平衡原理，利用油气分离机理，借助机械的方法，把油井混合物分离为气相和液相的设备称为油气分离器。
长庆油田通过对主要生产工艺流程的优化研究，对涉及的主要生产设施进行集成化、橇装化和智能化探索，按照”简短、实用、经济、快速”的原则，创造性地研制出了油气混输一体化集成装置。其中，多功能合一设备是油气混输一体化集成装置中非常重要的组成部分，配置了蛇行波纹板整流器和丝网捕雾装置等高效分离元件，满足油气分离要求。
本文主要研究对象为蛇行波纹板整流器，通过 计算流体力学仿真软件F lu en t中离散相模型，分析 波纹板的结构参数对波纹板分离效率的影响，总结 不同因素对波纹板分离性能的影响规律。这将有利于油气分离元件的设计和最优运行结构参数的选取, 为工程实际中的设计提供有效的依据。
1波纹板分离原理
波纹板作为油气分离的一种常见手段，依靠的 原理是是惯性分离。惯性分离是利用气流中液滴在通过波纹板的惯性运动而实现分离。当携带有微小 油滴的伴生气通过波形板分离器的波形板组件时，由于波形板流道的结构曲折变化，造成气流在波形板内作曲线运动。气流中的油滴和气体由于密度不同，相对质量不同，造成离心力、惯性力以及附着力不同使得油滴在通过弯道撞击到波形板上。在吸 附力的作用下，吸附在金属制成的具有较好的吸附力的波形板壁面上，形成油膜，在重力的作用下不断往下流动，最后离开波形板组件（图1 )。波纹板相对于重力沉降的分离具有效率高，制作简单、体积小、安装方便等优越的性能。因此，波纹板作 为分离元件在卧式分离器使用情况越来越多，而其 性能对油气集输过程也有着举足轻重的作用。 图1典型波形板汽水分离器示意图
无热胆饮水机2离散相模型计算理论基础
对于波纹板分离器的油滴轨迹和分离效率的数值模拟采用离散相模型来计算。离散相模型是两相流动的一种模拟方法，在由连续流体和离散相组成的多相流体系中，将流体视为连续介质，离散相作 为离散介质处理。在F lu e n t中，离散相模型适用于液滴的体积份额小于等于10%的情况，而波形板油 气分离器作为整个多功能合一设备波纹板气液分离元件中的分离装置通常其入口的油气比都不会高于5%，因此离散相模型计算是适合该工况的。
离散相模型是在欧拉一拉格朗日观点下建立的数值模型，即以空间点为对象在欧拉观点下描述气相流场，而以单个粒子为对象在拉格朗日观点下计算其运动轨迹。在本文所使用的F luent软件中，通 过积分拉氏坐标下的颗粒作用力微分方程来对离散相颗粒的轨道进行求解，颗粒的作用力平衡方程可写做如下形式（在笛卡尔坐标系x方向）：
^K- «/)+ 8,(A-P,)/P i+F,
式中_«/)为液滴在气流受到的曳力
中国设备工程2017.03(下）
1〇5
Research and Exploration |研究与探索.工艺与技术
F
18^ CflRer D ~ p .d
2' 24
其中，M g 、
分别是连续相气体和离散相液滴
的速度；A 、&分别为气相和液滴的密度；d 为液 滴粒径；
为液滴的相对雷诺数；
3d打印玻纤为曳力系数，
可由下式得到
假定液滴为球形，a ” a 2、a 3根据相对雷诺数的 范围取不同的值。微分方程右边第二项为重力作用 项，计算时要根据实际情况给定重力加速度的分量。 本文将波纹板的气相流场简化为二维流场，该项为 零。方程第三项为颗粒受力平衡中附加力的合力， 比如浮力、温度梯度力、压力梯度力、视质量力等。 在波纹板的气液两相流场中，由于液滴直径很小（1
~ 50p m )且分布稀散，因此，液滴主要受到气流 的曳力作用，而其他力在数量级上与之相比很小， 可以忽略不计。
3波纹板气液分离的数值模拟计算
因为气液两相在波纹板通道内的流动是复杂的
三维两相瞬间过程，由于重力及浮升力垂直于流动 方向，且各板之间所形成的通道相同，所以可将几 何模型简化为二维单通道问题，计算区域由两块波 纹板组成。其中设定波纹板斜通道的角度为P ，计 算模型的波纹板角度|3为45。，研究对象如图2 所示。
为了对波形板的计算模型进行精简，方便运算， 现做出如下假设：
(1 )流动的过程视为定常流动，各参数不随时 间变化。
可控硅焊机
(2)
将连续相气体视为不可压缩气体处理，不 考虑相变，不考虑相间换热。
(3) 液滴到达壁面即认为被捕集，液滴到达波 纹板出口时即认为逃逸。
对于波纹板结构网格的划分，我们采用结构化 网格划分的方法，通过分析模型的拓扑结构，建立 几何模型与B lo ck 之间的映射关系，定义拓扑结构 的节点单元数目，得到最终的网格。
在对于模型的计算过程，把油气分离中的伴生 气分为连续相，把原油的液滴分为离散相，这两者 的边界条件介绍如下：
(1 )连续相边界条件：
介质：伴生气，密度〇.64861kg /m 3，动力学粘 度 1.7069 X 1〇 5kg/(m • s )。
进口条件：速度入口条件，气流速度在进口截 面均匀分布。
出口条件：压力出口条件，操作压力为 1.01325 x l 〇5Pa 〇
壁面条件：假设波纹板壁面表面粗糙度为零， 无热量交换。
(2)离散相边界条件：
液滴物性：原油，密度〇.86t /m 3，动力学 5.56mPa • S 〇
进口条件：与连续相相同速度入口条件，气流 速度在进口截面均匀分布。液滴喷射类型为表面 surfac
e ，在空气中的体积含量为0.05%。
壁面条件：选择捕集tra p 类型，液滴碰到壁面 即被捕集，不考虑反弹。
按照上述条件，利用F luent 进行流场分析，利 用离散相模型分析波纹板的气液分离情况。最终得 到结果如图3所示。图4表明了在该工况下通过离 散相模型计算得到的离散相（油滴）的分布情况， 表明了油气的分离情况。
图3流场的速度分布情况
图3表明了波纹板内部流场的速度分布情况。
在图3中，不同颜从绿到红表示内部流场速度的 由低到高大小不同。从气体在波纹板中流动的速度 分布情况可以发现，气体的流速大小和方向在通道 内不断发生改变，在气体刚进人波纹时速度变化比
较缓慢，而经过斜通道时速度明显增加，并且在截
面积开始增大的拐角处速度反而达到最大值，这是 因为在斜通道的宽度比较小的原因导致。当气体重 新进入波纹板的直通道的时候，由于宽度变大，导 致气体的速度变小。
图4表明了包含在气体的油滴在进入波纹板之 后其浓度的变化情况以及油滴颗粒的运动轨迹。从 油滴浓度分布来看，波纹板对天然气中的油滴有明wsrd
106
中国设备工程2017.03(下）
图6不同角度对分离效率的影响图
板间距宽度（m m )
图5
不同宽度对分离效率的影响图
本文利用流体仿真的离散相模型，分析了长庆
油田研制的多功能合一设备波纹板气液分离元件在 不同结构参数下的分离效率。
通过研究发现，板间距的增大使得分离效率降 低，而波纹板的倾角越小，也会降低其分离效率， 而且分析结果与液滴在波纹板通道中的分离机理得 出的结论是一致的。由此证明了离散相模型是一种
有效的油气分离仿真手段，达到了结构优化设计的
目的。
(下转110页）
显的去除作用，去除过程主要发生在弯道转角处。 在起初的进口阶段液滴含量较高，当气流经过第一 个弯通道时，气流中的油滴和密度大于气体密度， 液滴的相对质量大于气体，造成油滴离心力较大， 使得其在通过弯道撞击到波形板上，被壁面捕集。 通过计算入口液滴数量与出口液滴数量的比值，可 以得出该工况下波纹板的分离效率为97%，表明波 纹板的油气分离效果比较好。
4波纹板油气分离器优化设计
在基于以上通过离散相模型仿真计算波纹板油
气分离的基础之上，通过改变波纹板的结构参数， 计算不同结构的波纹板的分离效率，通过对分离效 率的比较，探索结构参数变化对分离效率的影响， 选择最优的结构参数，完成对波纹板油气分离的优 化设计。
4.1波纹板板间宽度对分离效率的影响
设定波纹板的板倾角P 为45°，液滴尺寸分 布为10〜30u m ，入口速度6m /s 和l l m /s ，计算该 条件下波纹板宽度从5m m 到10m m 变化下分离效 率的变化情况。得到的结果图如图5所示。
从图6的数据可以看到，当气流速度取相同值 时，波纹板倾角P 越大，油滴将更容易被波纹板所 捕捉，其分离效率也越高。其主要原因是波纹板倾 角P 越大，使得气体通过弯角时速度的方向变化非 常剧烈，导致气流中的油滴受到的离心力变大，液 滴容易碰撞波纹板壁面而被捕获。另外，剧烈的气 流方向变化使得其本身的湍流强度也变大，增大了 通道中间油滴被捕捉的概率。
5结语
Engineering 工程
图4
离散相液滴轨迹示意图
通过图5给出的数据分析可以得知，板间距的 增大使得分离效率降低。原因主要有两个：一是板 间距的增大使得气体在通过斜通道时速度方向变化 平缓，液滴在转角处受到的惯性力作用降低；二是 板间距的增大使得通道中心的油滴到达波纹板的距 离增大，减少了因油滴与波纹板碰撞而被捕捉的几 率。对于外部尺寸确定的分离器而言，波纹板板间 距的减小意味着所需的波纹板层数增加，即增加了
分离器自身的重量和制造成本，因此，工程实际应 用中应该综合考虑。
4.2波纹板角度对分离效率的影响
设定波纹板的板间距为8m m ，液滴尺寸分布为 10 ~ 30u m ，入口速度6m /s 和l l m /s ，计算该条件 下波纹板角度P 为35。、45。、55。三个角度分
离效率的变化情况。得到的结果图如图6所示。
9
8
7
0•0.C
(yo )
胼
衮梭佘
50204电话录音
.9
(％)
|
崁裙农
中国设备工程2017.03(下）
1〇7
200
210 215 220预警机阵位前出距离（k m )
:45。、N =2，舰空导弹拦截F -22预警需求
Research and Exploration |研究与探索•工艺与技术
结论3：如图2(c )所示，当威胁扇面角确定 为90°时，出动1架预警机已无法满足需要，编队 防空纵深要求对F /A -18E /F 的探测距离已经大于我 预警机对F /A -18E /F 的最大探测距离，单架预警机 的性能已经无法满足编队的预警要求，必须出动第 二架预警机参战。
冷冻机油基础油结论4：如图2(d )所示，当威胁扇面角为 90° ，出动两架预警机参战时，每架预警机阵位前 出距离不能彳氏于90k m ，才能保证单架预警机在所负 责的威胁扇面角区域内达到对F /A -18E /F 的最大探 测距离。
3.2与敌隐身目标作战的性能要求分析
以美F -22为作战对象，仿真结果如图3所示。
图3
仿真结果表明即使威胁扇面角设为45°，航母 编队出动两架预警机并且阵位前出到270k m ，依然 难以为舰载战斗机提供有效的空中预警拦截纵深。
所以只能考虑通过舰空导弹对F /A -22进行拦截。
如图4所示，仿真结果表明两架预警机阵位 前出距离大于210k m 时，就可以在威胁扇面角为 a = 45°的空域内，为编队舰空导弹抗击F /A -22提 供有效的预警。
但是，仅仅依靠内层舰空导弹保护和设置 « = 45•威胁扇面角对于整个航母编队来说都非常危
(上接107页）参考文献：
[1] 景军军，江国旗.三相分离器在天然气处理厂的应用[M ]. 2007:44-49.
[2] 张立峰.波纹板内气液分离流场的数值模拟研究[D ].西安石 油大学，2015.
图4
险的，而且要求的预警机阵位前出距离已经接近我空中巡逻战斗机拦截线的边缘，预警机本身被敌击
落的概率也非常大，所以仅以单航母编队与F /A -22编队对抗实际上是非常困难和危险的。4
结语
为了探究舰载预警机在航母编队防空作战中的阵位配置方法，本文建立了数学模型，分析了多种作战对象，基于仿真解算，提出防空作战舰载预警机阵位配置建议，为舰载预警机作战使用提供参考。
参考文献：
[1] 廖洪祥，罗继勋，王邑.预警机指挥多编队作战中的威胁评估 算法研究〇].电光与控制，2008, 15(10): 55-5入
[2] 陈军，高晓光，肖步宇等.预警机指挥多初满空战的协同战 术决策U ].火力指挥与控制，2006, 31(1): 10-13.
[3] E d w in A rm iste a d . A W A C S A N D H A W K E Y E S [M ], Z e n ith
P ress , M B I Publishing C o m p a n y , 2002： 321—326.
[4] O b a id Y o u n o s s i , M a rk V . A r e n a , M ic h a e l B o ito .e tc . T h e
Eyes o f th e F leet ： A n Analysis o f th e E —2C A ircraft A cquisition O p tio n s [R ], V C 263 .P 74 2002, P ittsb u rg h ： R A N D , 2002：
65—77.
[3] 李嘉.波形板汽水分离器的理论与实验研究[D ].华中科技大 学，2007.
[4] 丁凯.波形板汽水分离器分離率的数值模拟与测试[D ].中 国计量学院，2013.
[5] 樊玉光，张立峰，袁淑霞，等.板间距和倾角对波纹板分离 性能影响的数值模拟[J ].石油化丕设备，2015(02):18〜22.
(曰亡栳瞍驛戰运難騎
110
中国设备工程2017.03(下）
