T 形管内油水两相流动规律及其应用

923 2012 年 12 月　第 31 卷 第 12 期 网络出版时间：2012-9-4 10:33:03　　　　　　网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1093.TE.20120904.1033.003.html 在石油工业中，利用管路系统输送油、气资源是当 代能源运输最主要的方式之一。由主管道和分支管道 相交构成的分岔管路是油气输送管网系统的重要组成 部分，根据主管道和分支管道之间夹角的不同，可分为 Y 形分岔管路和 T 形分岔管路。当多相介质（如原油 和水、天然气和凝析液或者油气水三相混合物）通过 这些分岔管路时，在主管道下游和分支管道内不仅会 产生流量分配不均匀的现象，而且各管路内的相含率 和相分布等也会重新分配[1-2]，有学者[3-5]提出利用这 种相分配不均现象可达到多相分离的目的。由单个或 多个分岔管路组成的管式分离器，具有结构简单、体积 小、质量小、压降损失小等优点，特别适用于对设备体 积和质量有严格要求的海洋平台。 目前，对于分岔管路内多相流动特性的研究主要 集中在气液两相流动[6-7]，有关液液两相流动的研究甚 少。Yang 等[8]在 2006 年利用垂直布置的分岔管路对 油水两相流动进行实验研究，当入口为分层流动时分 岔管路对油水两相的分离效果较好，而当入口为分散 流时分离效果不明显，说明垂直分岔管路内油水分离 效果对入口流型非常敏感。同年，Yang 等[9]针对水平 布置的分岔管路进行实验研究，结果表明：此时分岔管 路对油水两相基本没有分离效果。Wang 等[10]针对 T 形分岔管路油水分离进行实验研究和数值模拟，得到 油水分离效率依赖于入口流型和含油率。虽然分岔管 路可以作为分离器使用，但分离效率不高，分离性能易 受入口工况和运行条件影响。以下采用数值模拟方法 研究 T 形分岔管路分岔次数及入口流速、含油率对油 水分离效率的影响。 1 数值模拟 多相流动数值模拟方法主要有两种：欧拉-拉格朗 日方法和欧拉-欧拉方法。在欧拉-拉格朗日方法中， 流体相被处理为连续相，通过直接求解时均 N-S 方程 得到速度场和压力场，而离散相是通过计算流场中大 量粒子的运动得到的，该模型的基本假设是：离散相 （第二相）的体积分数很低，通常低于 10％，可忽略其 对连续相的影响。由于在本研究中，第二相油的体积 分数不小于 10％，因此，采用能够模拟第二相体积分 数较高情况的欧拉-欧拉方法。计算选用的组成成分 和物性参数：主相为水，密度为 998 kg/m3，动力粘度为 0.001 kg/（m ·s）；分散相为油，密度为 836 kg/m3，动力 粘度为 0.031 kg/（m ·s）。 1.1 控制方程 连续性方程： 式中：α 为相含率；ρ 为密度，kg/m3；为速度矢量，m/s； k 代表油相或水相。 T 形管内油水两相流动规律及其应用 魏丛达1 许晶禹2 王立洋2 刘海飞2 吴应湘2 1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518067；2.中国科学院力学研究所，北京 100190 魏丛达等.T形管内油水两相流动规律及其应用.油气储运，2012，31（12）：923-926. 文章编号：1000-8241（2012）12-0923-04 摘要：油水两相混合物流经 T形管路时，会产生流量分配不均、相含率和相分布重新分配的现象，此 特性可用于多相混合物的分离作业。采用欧拉多相流模型和混合k-ε 湍流模型，研究了 T形管垂 直分岔次数、入口混合流速、入口含油率和流量配比等参数对 T形管路中油水分离效率的影响。计 算结果表明：增加分岔次数有利于油水分离；流量配比存在较优区间；较低的入口混合流速和入口含 油率有利于提高分离效率。这些结论对 T形管路结构优化和提高油水分离效率有重要的指导意义。 关键词：油水两相流动；T形管；多相分离；分离效率 中图分类号：TE832　　　　 　文献标识码：A　　　　　 doi：10.6047/j.issn.1000-8241.2012.12.013 设计计算 924 www.yqcy.net 2012 年 12 月　第 31 卷 第 12 期设计计算 动量守恒方程： 式中：p 为压力，Pa；为压力应变张量，Pa；为当地重 力加速度，m/s2；K 为相间的动量交换系数； 为外部 体积力，N； 为升力，N； 为虚拟质量力，N；l 代表 第 l 相。 假定离散相以液滴形式存在于连续相之中，当离 散的液滴直径较大时，需要考虑升力 的作用： 附加质量力 的定义式： 式中：t 为时间，s。 油水两相的相间交换系数表达式： 其中，液滴弛豫时间 τ 和曳力系数 f 分别为： f ＝CDRe /24 式中：d 为当量长度，m。 混合k-ε 湍流模型： 式中：ρ m 为混合密度，kg/m 3； 为混合速度矢量，m/s； µ t，m 为湍流粘度，kg/（m ·s）；Gk，m为湍流动能，m2/s2；Cµ 为常量；k 为湍流的脉动能量，J；ε为湍流的脉动动能 耗散率。 1.2 几何模型 T 形多分岔管路（图 1）主管路和分支管路的管径 均为 50 mm。采用结构化网格，并在分岔接头处对网 格加密，以便提高计算精度。油水两相入口采用速度 入口条件，主管路下游出口和分支管路出口处为充分 发展的管流条件，壁面为无滑移条件。采用二阶迎风 求解油水两相控制方程组，速度场和压力场的耦 合采用改进 SIMPLE 算法，控制进、出口流量的相对 误差小于 0.1％。 1.3 参数定义 为定量描述 T 形分岔管路的两相流动特性，定义 如下相关参数。 油相相分配比： f o ＝Q ob /Q oi 水相相分配比： fw ＝Qwb /Qwi 混合流量配比： T 形分岔管路分离效率： η ＝ |f o － fw|×100％ 下支管路水中含油率： 式中：Q oi 为入口管路油相体积流量，m3/s；Qwi 为入口 管路水相体积流量，m3/s；Q ob 为分岔管路油相体积流 量，m3/s；Qwb 为分岔管路水相体积流量，m3/s。 1.4 模型验证 为了验证所采用的计算模型，选取 Yang 等[8-9]的 实验数据，对水平布置和垂直布置分岔管路内的油水 两相流动特性进行数值模拟，并将所得结果与实验结 图 1　T 形多分岔管路三维几何模型 925www.yqcy.net 果比较（图 2）。其中，两组实验工况相同，入口流型均 为分散流，混合流速为 1.8 m/s，入口含油率为 25％。 显见，油水两相分配比的数值计算结果与实验数据吻 合较好。当分岔管路水平布置时，在主管路和分岔管 路之间，油水两相的相分配不均现象不明显，而当分岔 管路垂直布置时，油水两相的相分配不均现象较明显， 与 Yang 等得出的结论一致，说明利用欧拉多相流计 算模型能够较好地对 T 形分岔管路内的油水两相流 动进行模拟。 岔次数的增加不但能够提高分离效率，而且可以在更 宽的流量配比范围内保持相对稳定的分离效率。 油水混合物经过 T 形管路分离后，主管路下支管 出口水中含油率是一个影响后续污水处理工艺的重要 指标。与分离效率类似，当 T 形管路垂直分岔次数增 加时，同样工况下的主管路下支管出口水中含油率明 显降低（图 4）。因此，当 T 形管路用于油水分离作业 时，可在条件允许的情况下通过增加垂直分岔管路数 来改善分离效果、降低水出口的含油率指标。 2.2 入口混合流速和入口含油率 当入口含油率相同时，增大混合流速 vm 会降低分 岔管路的油水分离效率（图 5），这是因为混合流速增 大使入口管路的流型发生了变化。过大的混合流速使 入口的油以分散相的油滴存在于水中，这不利于油水 两相在分岔接头处进行相的重新分配，从而恶化油水 分离效果。此外，当入口混合流速一定时，较低入口含 油率的分离效率最大值η max 略高一些，且低流速下分 离效率“平缓过渡”区间较宽，说明较低的入口含油率 更有利于分岔管路的油水分离。在不同工况下，油水 分离效率最大值η max 分别为 77.56％、75.19％、62.32％ 和 61.23％，相对应的流量配比 f bi 分别为 0.3、0.4、0.2、 0.4。可见，T 形管路用于油水分离时，为达到较高的 分离效率，最佳流量配比数值应该略大于入口含油率。 设计计算 图 2　油水两相分配比数值模拟结果与实验数据的比较 图 3　不同分岔次数下分离效率与流量配比的关系 图 4　不同分岔次数下支管出口水中含油率与流量配比的关系 魏丛达等：T形管内油水两相流动规律及其应用 Wei Congda，et al：The law of oil-water two-phase flow in T-shaped pipeline and its application 2 结果与讨论 T 形分岔管路用于油水分离已获初步成功，然而， 影响油水分离的因素较多，以下主要探讨结构参数和 流动参数对 T 形管路油水分离特性的影响。 2.1 分岔次数 T 形管路的垂直分岔次数对支管路和主管路的 相分配起着非常重要的作用。计算中，入口混合流速 vm=2.0 m/s，含油率α o=0.3 ；分别选取一次、二次、三 次、六次分岔结构，在相同的入口工况下，分别研究 T 形管路油水分离效率η 和主管路下支管出口水中的含 油率α or。 随着流量配比从 0 增加到 1，T 形管路的油水分 离效率η 均出现了“急剧上升-平缓过渡-快速减 小”3 个变化阶段（图 3），即流量配比对油水分离效 率影响显著。针对 T 形管路的实际应用，需要找出 曲线平缓过渡区间的流量配比范围，以便控制油水 分离过程处于最佳运行状态。随着垂直管路分岔次 数的增加，分离效率η 逐渐增大，趋向于流量配比 f bi 在 0.3～0.4 区间附近取得最大值，从一次分岔到六 次分岔，分离效率的最大值分别为 38.06％、50.83％、 61.25％和 70.52％，并且曲线中的“平缓过渡”阶段在 整个流量配比过程中所占比例也逐渐增大。可见，分 926 www.yqcy.net 2012 年 12 月　第 31 卷 第 12 期设计计算 随着流量配比的增大，下支管出口处水中含油率 呈明显下降趋势（图 6）。当其他条件相同时，入口混 合流速或含油率增大，均会使下支管出口水中含油率 增大。为了降低水中含油率，可以增大 T 形管的流量 配比，或者在低入口混合流速和低含油率下运行。 3 结论 对 T 形分岔管路装置中的油水两相流动进行数 值模拟，了垂直分岔次数、入口混合流速和入口含 油率对油水分离性能的影响，得出以下结论： （1）T 形管路油水分离存在较优的流量配比区间。 随着垂直分岔次数的增加，T 形管路对油水分离的效 率显著提高，并可在更宽流量配比范围内保持较高的 分离效率。 （2）油水两相混合物经过 T 形多分岔管路能够得 到较好的分离，但分离效率受到入口混合流速、入口含 油率的影响，T 形管路适用于低混合流速下的油水分 离作业。 （3）欧拉多相流模型能够较好地模拟油水两相在 T 形管路内的流动。 参考文献： 基金项目：国家自然科学基金资助项目“油气水三相分支管流的 流动特性研究”，10572143。 作者简介：魏丛达，高级工程师，1967 年生，1991 年毕业于石油大 学（华东）石油工程专业，现主要从事海洋石油开发技术研究。 电话：13823116580；Email：weicd@cnooc.com.cn 图 6　不同工况下 T 形管路下支管出口水中 含油率与流量配比的关系 图 5　不同工况下三次分岔 T 形管路分离效率与 流量配比的关系 [1] Buel J R，Soliman H M，Sims G E. 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