T形多分支管内油水两相分离特性研究

摘要

近年来,海洋油气工业的大力发展使得具有紧凑性、封闭性、简洁性及高效性等特点的多相分离器成为目前海上石油工程研究的热点,而利用T形管路进行多相分离正符合上述的发展要求。本文以T形管路对不同流体的相分配不均现象为研究基础,提出了一种T形多分支管式油水分离设备。运用数值模拟和实验研究相结合的方法对T形多分支管路内部的流动特性及分离性能进行了深入的研究。主要研究内容和结论如下:
　　 本文首先建立了T形多分支管路内流场的几何模型,利用CFD软件FLUENT,选择欧拉多相流模型和混合κ-ε湍流模型来模拟研究T形多分支管路结构参数及操作参数对油水两相的流动分离的影响规律。
　　 模拟结果发现:在固定工况下,结构一定的T形多分支管路,存在唯一的水力平衡系统,流体所具有的能量在管路中自由分配至达到平衡,流体的分流促进了具有密度差异且不相溶多相流体的分离过程;合适长度的充分发展段对油水两相有效分离至关重要;分支管间距的增大及分支管数目的增加都能够使油水两相的分离效率得到显著提升;分支管高度、主管倾斜角度及各分支管管径的变化并没有给分离效率带来太大影响;入口处流体混合流速的增大会导致油水两相分离效率下降;入口处含油率的增大,使得油水两相的分离效率呈现先上升后下降的趋势。分流比的增大,亦使得油水两相的分离效率呈现先上升后下降的趋势,油水的最高分离效率在理论最佳分流比附近取得。
　　 根据数值模拟结果,对T形多分支管进行了结构的优选及改进,提出了变径式T形多分支管路,并进行加工制造,完成其与重力式分离器配合使用的实验管路搭建。
　　 通过实验研究发现:实验结果与模拟研究得到的规律基本一致;油水两相在前两根分支管路内即完成了主要的油相分流汇集过程,而之后的几根分支管路起到水相回流,精细分离的作用;降低T形多分支管路入口处的混合流速,控制分流比接近T形多分支管入口处的油相含率,是改善油水两相的分离效果的有效手段;入口处油相含率对分离效率的影响规律受混合流速的影响而变化,混合流速较小时入口处油相含率的增加,使得油水两相分离效率呈上升趋势,混合流速为0.75m/s时,入口油相含率的增加,使得油水两相分离效率呈下降趋势。T形多分支管对重力式分离器油水分离改善效果不甚明显,仅在部分工况下能够对重力式分离器水出口的含油率起到降低作用。