油气水三相分离器的设计Word格式.docx
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Abstract2
1.前言3
2.选题背景4
2.1.题目來源4
2.2.国内外现状和发展趋势4
2.2.1.分离器类型4
2.2.2.发展历程4
2.2.3.国外分离器发展现状6
2.2.4.国内分离器发展现状6
2.3.油气水三相分离器存在问题及发展趋势7
3•油气水三相分离器的方案设计与结构设计9
3.1.三相分离器的结构及工作原理9
3.1.1.分离器选型9
3.1.2.分离器结构9
3.1.3.分离器工作原理10
3.2.三相分离器基础设计理论11
3.2.1.液滴沉降11
3.2.2.液滴尺寸13
3.2.3.停留时间14
3.3.气相中的液滴分离14
3.4.油水的沉降分离15
3.5.分离器的最大直径17
3.6.分离器的缝间长度及长细比18
4.三相分离器的设计计算20
4.1.分离器的主体尺寸20
4.2.三相分离器的主要内部构件分析及选取23
4.2.1.进口构件的选取23
4.3.除雾器24
4.4.三相分离器内的其它构件26
5.基于ANSYS有限元分析的强度校核27
5.1.设计压力27
5.2.容器的应力分析28
5.3.应力分析结果29
6.总结30
6.1.结论30
6.2.展望30
致谢32
附录34
摘要
学生:
指导教师:
XX
[摘要]:
随着石油资源消耗的不断增加以及可开釆石油资源的减少,油页岩成为备受关注的石油替代能源。
油气水三相分离器是油页岩地表系统中的关键设备,釆出混合液在卧式油气水三相分离器中经由重力沉降以及碰撞聚结达到油、气、水的分离。
油气田生产的天然气及原油含有不凝气,通常釆用轻炷回收、原油稳定、天然气净化等装置来回收轻质油及其它产品,这些装置都有对油、气、水混合液进行分离的工艺过程。
本文针对生产实践中所取得的一些数据进行模拟设计出所对应油气水三相分离器的参数,并对其进行ANSYS模拟所受应力情况。
[关键词]:
油气水三相分离,卧式分离器,ANSYS模拟。
Abstract
TheDesignofOil-Gas-WaterThreePhasesSeparator
Withtheliicreasmgconsumptionofoillesouicesandthereductionofrecoveiableoilresources,oilshalebecomeamajorconcernforoilalternativeenergysources・Gas-wateitluee-phaseseparatoroilshalesurfacesystemisthekeyequipment,xecoveiyofoilandgasmixtuiemahonzontaltluee-phaseseparatorwaterviagravitysedimentationandcollisioncoalescencereachoil,gasandwaterseparation.Oilandgaspioductionofnaturalgasandcmdeoilcontauuiig11011-condensablegas,usuallyhydiocaibonlecoveiy,stabilizationofcmdeoil,natuialgaspunficationdeviceforlecovennglightoilandotherproducts,thesedeviceshaveontheoil,gasandwatermixtuieforseparationprocess・Inthispapei;
thepioductionpracticesomeofthedataobtamedfortheconespondinganalogdesigngas-watertluee-phaseseparatorpaiametei;
anditsANSYSsimulationthestresssituation・
1前言
1.前言
地层中到达油气水井口并继而沿出油管或采气管流动时,随压力和温度条件的变化,常常形成油气水三相。
为满足油田储存和管道输送的需要,必须将己经形成的油、气、水三相分离开。
目前分离器主要有重力式分离器和离心式分离器,重力式分离器的主要分离作用是利用生产介质和被分离物质的密度差(即重力场中的重度差)來实现的,主要用于气液两相分离和油气水三相分离;
离心式分离器是藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开,故主要用于固液分离和液液分离(重液体和轻液体及乳浊液等)。
但这两种分离器都存在着分离效率低的问题。
因此,设计一种高效的分离器,对于提高分离效率、节省生产成本、降低能量损耗、获取更高的经济效率等具有重要的意义。
2.选题背景
2.1.题目来源
生产实践。
2.2.国内外现状和发展趋势
2.2.1.分离器类型
油气田上使用的分离器按其外形主要有两种形式:
即立式和卧式分离器。
此外还有偶尔使用的球形和卧式双筒体分离器等。
按分离器的功能可分为油气两项分离、油气水三相分离器、计量分离器和生产分离器[氏按其工作压力可分为真空<
0.1MPa、低压<
1.5MPa中压<
6MPa和高压>
6MPao分离器等按其工作温度可分为常温和低温分离器。
按分离所利用的能量可分为重力式、离心式和混合式等。
按分离器的功能可分为油气两项分离器、油气水三相分离器。
计量分离器和生产分离器按其工作压力可分为真空(PO.lMPa)、低压(0.1MPa<
P<
1.5MPa)中压(1.5MPa<
6MPa)和高圧(P>
6MPa)分离器等。
按其工作温度可分为常温和低温分离器。
按分离所利用的能量可分为重力式、离心式和混合式等。
2.2.2.发展历程
重力式分离器的研制最初是以油气或油水两相分离作为目的的。
最早的油气分离器基本都是采用空筒结构,发展较成熟的早期油气两相分离器以前苏联油田上使用的CTT型卧式分离器〔2】为代表,该型分离器由疏流室、集液室、油气接收室以及分离器室四部分组成,内部安装有疏流板、折流板和除雾器等一些简单的内部构件,可以处理有较广范围汽油比的油气混合液;
而早期的油水分离器是由油水分离池发展而来,油水分离池的发展经历了API(普通隔油池)、PPI(平行板隔油池)和CPI(波纹板隔油池)卩】。
API型油水分离池由美国石油学会研制,之后壳牌公司在此基础上通过添加内部倾斜平板得到了PPI型油水分离池,不久乂对其进行改进,将平板换为波纹板,
2选题背景
不仅提升了分离效果,同时也降低了成本。
CPI型油水分离池的优点是油水分离效果好,停留时间短(一般不超过30分钟),占地面积小。
图1卧式三相分离器内部结构图
英国Fann公司于70年代初开发了聚结板分离器,其内部聚结构件由V型板叠加构成,聚结板材料为玻璃纤维,聚结油滴可以从板上的放液孔垂直穿过。
该设备对含油量在200〜1000mg/L的污水的处理效果较好,出口水质可达到50mg/L。
80年代CE-NATCO公司开发了商标为Peifomiax的板式聚结器,这是一种错流式组合波纹板。
经过不断研究开发,这种设备己广泛应用于油气分离、油水分离一集含油污水的净化等方面[%
前苏联油气科学研究设计院以一般沉降理论为依托,研制出BAC-1-100型全自动三相分离器,该分离器内部采用的是堰板式结构,使油水界面实现了自动调节。
美国CE-NATCO公司应用“浅池原理”研制出油水快速分离设备[习,该设备的特点是采用卧式结构,油气水在分离器内部沿轴向流动,在轴向添加Perfoimax金属聚结器,打打缩短了油滴聚结沉降的时间,并使分离效率得到了一定的提高。
虽然这两种分离器
的设计原理不同,但优点相同,即乳化液停留时间短,油水分离效率高,分离后的原油和污水质量好并且操作平稳。
瑞典阿法拉法公司应用离心分离原理研制开发的蝶片式离心机占地面积小、重量轻、液体停留时间短,可分离的谁中油滴和固体颗粒的直径分别为3屮口、0.55屮m并且该设备可与其他设备组合应用,操作简单,特别适合海上平台的操作。
美国的EA.Kenawy等人在常规的重力式横向流式分离器基础上增加了一个机械装置,将分离板由静态设计改为了动态设计,从而优化了油水分离过程。
2.2.3.国外分离器发展现状
目前,国外的三相分离器研究己经比较成熟,三相分离器的生产也实现了标准化、系列化。
比较知名的三相分离器生产厂商有英国的Expro公司、美国Cameron公司、Schlumbergei-公司、贝克休斯公司等,这些公司都有自己完善的技术支持,可以根据用户的需求生产不同种类的多相分离设备。
Sclilumbeigei'
公司于2008年底推出了一款新型的三相分离器CleaiiPhase,此三相分离器由于使用了SmaitWen技术和升级过后的Coriolis流量计,使得经过该设备分离后的各相纯净度和测量精度都得到了较大的提高;
Expro公司根据泰国NangNuan油田的实际需要为其专门定制了一款多级分离设备,其原油处理流量为12000桶/「I;
此外Cameron公司现在市场适用范围最广的一款大型三相分离器的原油处理量为200000桶/日o
2.2.4.国内分离器发展现状
我国对于油田地面设备的研究起步较晚,但自80年代起开始引进国外先进技术以來,我国的分离器制造水平得到了很大的提高,特别是近些年随着国内外需求的不断增加,涌现了许多有着较高技术水平的新分离器生产厂家。
中国石油技术开发公司研发了一款新型高效的油气水三相分离器,它使用防波板等内部构件以消除进液对于分离场的影响,另外该产品使用高性能的化学破乳剂,使用分离效果得到了较大改善,其中轻、重质原油高效三相分离器出口油含水率不大于0.3%,污水含油率不大于300mg/L,分离气体含液率不大于0.05g/Nm3o
华油惠t専普科技有限公司(HBP)为大港油田提供了一种新型的轻、中质原油高效油气水三相分离器,该型三相分离器采用两项专利技术,执行ASME、ASPI、GB150及相关规范和标准,设备采用來液预处理、板槽式布液、机械破乳、高效填料聚结和
整流、油水液位及油水界面自控等技术为油水分离和气液分离提供了良好的流场环境及分离环境。
中、高含水原油经该型三相分离器一次脱水能使原油含水降至0.3%以
下,污水含油低于300mg/Lo
图2立式旋风分离器结构
另外,威瑞泰默斯生产的高效复合三相分离器STS釆用气液中度旋流技术、压缩气浮选技术、油水界位精确测定技术、水洗技术、斜板沉降技术等,有效消除了段赛流的影响,加速了油水的分离,取得了较高的分离效果;
山东科瑞控股集团有限公司生产的YQ01型三相分离器,在提高分离效率减少设备投资的同时,也提高了产品的适用范围,该产品可适应-40°
C〜60°
C的环境温度⑹。
目前,我国有十几家实力较强的分离器生产企业,部分产品分离效果己经达到了世界先进水平,有些产品其至远销北美、南美、中东等地区,但国内所生产的三相分离器大多结构相似,技术单一,产品适应性较差[7】。
因此,分离器技术的丰富与发展还需要更多的研究与创新。
2.3.油气水三相分离器存在问题及发展趋势
经过多年的发展,虽然油气水三相分离器的种类与型号在不断增多,分离效率也
在不断提高,但仍旧存在一些问题[可。
分离效率低。
随着石油的不断开釆,多数油田的含水率大幅提升。
我国89.6%油页岩查明资源的含油率为5%〜10%,通过地下原位转化所输出的釆出液含水率也将会较高。
因此致使原有油气水三相分离器的分离效率降低。
普适性低。
现有的油气水三相分离器基本上都是根据某一油田的具体情况设计。
若应用于其他油田,或该油田采出液组分发生变化,如含水率大幅增加,则会导致气分离效果明显变差。
设备体积大。
一般油气水三相分离器体积较大,尤其是卧室油气水三相分离器占地面积相当大,导致使用成本增加。
以卧式油气水三相分离器为例,解决上述问题的一种有效方法就是对分离器内多相流进行流场分析,从而选取合适的内部构件并进行合理安装。
正确选取内部构件可缩短分离时间,提高分离效率,从而使分离器结构紧凑,有效减小占地面积。
随着油页岩等石油替代能源的出现及油田采出液含水率的提高,适应性强、结构紧凑、便于维护和维修的油气水分离器的设计研制将成为国内外学者以及工程技术人员的工作重点。
3.油气水三相分离器的方案设计与结构设计
3.1・三相分离器的结构及工作原理
3.1.1.分离器选型
生产分离器,即油气或油气水分离器,是油田生产的关键设备。
它的作用是利用重力沉降原理使油井生产出的油气混合物实现初步分离。
分离器的设计与选型是油气生产系统设计中的重要一环。
通常,分离器设计与选型的主要内容包括下述四个方面(不包括分离器上各类仪表及外部管线的设计):
分离器型式的选择,分离器尺寸的确定,分离器内部结构及附件的设计与选型,分离器结构设计(筒体及各类喷嘴)。
从系统上讲,如果生产流体温度较低且含水量较高,为了减少热负荷,就需要提前分离游离水,即第一级分离器就釆用三相分离器,使得在加热之前把游离水分离出來。
而无论是立式分离器,还是卧式分离器,它们都由下列四部分组成:
入口分流区,即分离器入口初始分离部分;
重力沉降区,即油气重力沉降部分;
除雾器区,即气体出口除雾部分;
集液区,即盛液部分(包括油、水分离)。
对于立式分离器和卧式分离器,上述第一项与第三项基本相同,而第二、第创项则不同。
从重力沉降部分液滴下落方向与气流运动方向來看,在立式分离器中二者相反,而在卧式分离器中二者垂直。
因此,卧式分离器更宜于液滴沉降。
从盛液部分看,卧式分离器气液界面大,液体中所含的气泡易于上升至气相空间,且在液相中,水与油在卧式分离器中更容易分离。
因此,卧式分离器更适于进行三相分离。
在油气分离系统设计中,一般对气、油比值高的油气混合物采用卧式分离器,对中、低气、油比值的油气混合物采用立式分离器。
乂因计划任务书中要求原油密度为860kg/m3(20°
C),含水率为85%~89%,故可选卧式三相分离器。
Pt]
3.1.2.分离器结构
油田上使用的卧式三相分离器包括入口分流区、集液区、重力沉降区和除雾器区四个部分:
1)入口分流区
油田釆出液在进入分离器时是典型的高粘湍流混合液,正是因为这种高粘状态使其在进入分离器时动能比较大,而入口分流区也正是利用了混合液较高的动能,通过突然改变混合液的方向吸收其动能,达到气液的初步分离。
2)集液区
集液区位十二相分离器的底部,主要为液体中气体的析出及油水的沉降分离提供充足的停留时间。
需要指出的是油与水的分离时间要明显高于气液的分离时间。
3)重力沉降区
重力沉降区一般是对十气体而言,即进入该区域后气体的速度下降,气体中携带的较大的液滴由十重力的作用落到气液交界面,而更小的液滴则需要依靠后面的除雾器除去,以保证分离所得气体中不含液体或含量很少。
4)除雾器区
气体在经过重力沉降区后,较大的液滴己经沉降至液体中,但气体中仍含有大量的小液滴(通常为小于100Mm液滴),这些液滴将在气体通过除雾器时得以去除,去除的液滴在聚并成为较大液滴后落入集液区。
3・1・3・分离器工作原理
1.入口2.进口挡板3.重力沉降区4.除雾器5.压力控制阀
6.入口分流区7.堰板8.浮子(液位感应装置)9.集液区10.液位控制阀
图3卧式三相分离器结构示意图
图3是典型的卧式三相分离器结构示意图,油井來液进入分离器后首先进入入口分流区,并撞击到入口挡板上,使分离液的方向和速度发生很大变化,这种液流动量的突然改变,造成了气液的预分离。
预分离后的液体落入集液区,在集液区分离器提供充足的时间使油能聚集到上层而水沉降到底层,在大多数设计中,入口分流区往往装有液相导管,将预分离后的液体引入油水界面以下,这样可以促进水珠的聚沉。
在经过集液区后,上层的油液溢过堰板进入其后的油室,通过液位控制阀实时排出油液控制油室的油位;
为保持油水界面的高度,下层的水相经另一液位控制阀控制后由排水阀离开分离器。
预分离后的气体进入重力沉降区,并在气相中携带的较大液滴完成沉降后经除雾器到达压力控制阀,通过压力控制阀控制气体的排出量保证分离器压力的恒定。
气液界面根据油气分离的相对重要性可由直径的1/2变到3/4,但在通常情况下会选择半满状态。
重力式分离器的设计主要是依据己有的设计规范和标准,而己有规范中只有对两相分离器设计的规定旧】,对于三相分离器的设计计算,规范中并未涉及。
另外,国内目前没有通用的三相分离器的计算方法,探讨较多的是以气液沉降理论为依据进行的尺寸设计,尽管具体设计的名称、公式、符号等略有差异,但其原理一致,且设计步骤基本通用,本章将以卧式三相分离器的设计为例对三相分离器设计进行理论研究。
32三相分离器基础设计理论
对三相分离器进行尺寸设计,可以分为以下两个部分,即气液分离和油水分离。
而无论是油水沉降部分还是气体分离部分,都是以相关的约束条件为基础,通过计算求取分离器的有效长度和分离器的直径乂或者二者的关系式【⑷。
分离器的设计不论是气体分离部分还是油水分离部分,都需要考虑以下三个条件,即液滴沉降、液滴的大小和停留时间。
3.2.1.液滴沉降
在分离过程中,液滴在各个具体条件下分离效果不能进行直接计算,所以为了简化计算过程,通常假设液滴是球形液滴,并目液滴之间不存在相互作用力,而液滴的沉降速度为液滴所受重力与浮力之差与阻力相等时的匀速运动时的速度。
下面以气体中液滴的沉降为例进行说明,设气体中的液滴所受重力与浮力之差为爲,液滴下落
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