海上平台并联分离器入口不对称管路偏流问题分析

海上平台并联分离器入口不对称管路偏流问题分析

张春影1

1.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257000

摘要：在海上油气集输系统中，当分离器等设备并联布置时常采用汇管来进行流量分配，若管路设置不合理，可能会直接引发或加重管路的偏流现象。本文根据现场实际情况，利用CFD数值模拟计算，对某海上平台两台并联的三相分离器前管路进行数值模拟计算，分析偏流产生的原因，并从管路的几何结构和支管节流程度等方面开展研究，根据现场实际提出了偏流问题的解决措施，为实现偏流控制、保证分离器高效运行奠定了基础。

关键词：偏流；并联设备；海上平台；数值模拟

0 前言

在海上油气集输系统中，当分离器等设备并联布置时常采用汇管来进行流量分配，若管路设置不合理，可能会直接引发或加重管路的偏流现象，导致下游流量较大的设备出现严重超载，造成油气水分离效果不达标或冒顶等生产问题，严重影响系统的正常稳定运行[1]。在新建项目的设计过程中，为了在最大程度上降低管路的偏流现象，会综合考虑平台上部管线的走向，使得并联设备入口管路完全对称布置。然而，在一些平台改造项目中，由于平台上部空间十分有限，在改造过程中没有足够的安装空间实现对称配管，在这种情况下，管路的偏流现象难以避免。因此，本文基于有限元CFD流动数值仿真，开展海上平台并联分离器入口不对称管路偏流问题分析研究，明确偏流现象的影响因素，探究偏流现象的控制措施，这对解决海上平台偏流问题，保证油气集输系统的高效、稳定运行具有重要意义。

1 模型建立

以某海上平台并联三相分离器前的不对称管路为例，在三维设计软件中对分流管路进行原尺寸绘制，三维模型如图1所示。管线来液经过主管注入三相分离器汇管，流体在注入位置处分流，并分别沿1#和2#支管进入两台并联的二级三相分离器。

图1 海上平台平台分离器(a)及前分支管路(b)三维模型图

在进行偏流研究时，通常采用各支管的质量流量分配不均匀系数来衡量各支管中流量的偏差，流量分配不均匀系数η由下式来表示：

                        （式1）

式中，ηMi表示第i支管位置质量流量分配不均匀系数，Mi表示i支管的质量流量，表示各支管的平均质量流量，ηMi越接近1，说明并联管路的流量分配越均匀。

在数值模拟过程中，将入口管线进行网格划分，为了保证计算结果的准确性，网格划分数量约为88万，湍流模型选择标准k-ε模型[2]，多相流模型选择欧拉模型。计算完成后，分别导出两支管内气液两相的质量流量，计算流量分配不均匀系数，如表1所示；

表1某海上平台三相分离器前气液两相流量分配不均匀系数

分析数值模拟结果可以看出，流体沿主管进入分支管路时，1#支管内液体流量约为2#支管的1.5倍，η值约为1.2，而气相的η值更是高达1.371，管路偏流现象严重。从管路的布置上来看，主管插入汇管的位置距1#支管更近，且2#支管又加设了两个45°弯头；在油气集输处理流程中，两台并联的三相分离器内部的工作压力是一致的，因此支管长度的不同和配管的不对称布置是引发偏流的重要因素，且更多流体进入管线长度较小的支管。因此，对该不对称管路进行重新配管是解决上述偏流问题最根本的方式。

2 管路几何结构调整

经现场调研，目前平台上部已没有足够安装空间实现管路的对称布置，仅能做到取消2#支管的多余管件，而主管插入位置和主观与汇管的夹角都无法进行有效整改。取消2#支管的多余管件后，1#支管液相流量不均匀系数降至1.103，即来流管路及汇管的不对称性仍会引发一定程度的偏流。因此，本课题研究的难点就在于如何在管路不能完全对称布置的前提下将偏流程度降至最低。

2.1 汇管管径的影响

当气液两相流体流入汇管后流速放缓，会出现流动的分层现象。为了探究汇管管径的大小对管路偏流程度的影响，分别针对不同汇管管径（DN250~DN600）的管路模型进行数值模拟分析，分别导出两分支管路的流量数据并计算1#支管的液相流量分配不均匀系数，结果如图2所示。

图2汇管管径对管路偏流程度的影响

从上图可以看出，汇管管径的大小会对管路的偏流程度产生一定的影响，随着汇管管径的不断增大，流体流动过程中产生的摩阻逐渐降低[3]，1#支管液相流量分配不均匀系数逐渐减小，管路偏流程度逐渐减弱，因此，在进行配管设计时，应尽量选择大直径的汇管。目前中心二号平台汇管为DN500，若后期改造需更换汇管，建议更换公称直径为DN600的管线，以在最大程度上减小汇管直径对偏流程度的影响。

2.2 支管管径的影响

为了探究两入口支管管径对整个入口管路偏流程度的影响，分别针对不同支管管径（DN200~DN500）的管路模型进行数值模拟分析，分别导出两分支管路的流量数据并计算1#支管的液相流量分配不均匀系数，结果图3所示。

图3支管管径对管路偏流程度的影响

从上述图表中可以看出，入口支管管径的大小也会对管路的偏流程度产生一定的影响，与汇管不同的是，随着支管管径的不断增大，1#支管液相流量分配不均匀系数逐渐增大，即管路的偏流程度逐渐加强，且当支管管径超过DN300时，支管管径对偏流程度的影响也逐渐加强。因此在进行管路改造时应将支管直接更换为DN300的管线，在最大程度上降低管线的偏流程度。

2.3 支管节流程度的影响

由于采用上述管路几何结构改造仅能降低偏流程度而无法完全消除偏流现象，可以在1#支管设置一个节流阀，采用节流的措施来消除偏流现象。为了探究设备入口的节流程度对管路偏流工况的影响程度，分别对1#支管出口位置进行0~80%的节流，对应1#支管节流阀的开度为100%~20%，分别模拟计算出在不同节流工况下两支管内的质量流量，如图4所示。

图4两支管液相流量随节流程度的变化关系

从图中可以看出，无节流操作时，1#支管内流量较大，偏流现象较为严重；随着1#支管节流程度增加，偏流现象逐渐减弱，当1#支管流通截面占比达到管线截面积的约80%时，两支管内液相流量达到一致，液相偏流现象消失，继续增大节流程度将导致管内液体向2#支管偏流。因此，当在改造项目中无法通过调节管线路由和管径大小的方式彻底消灭偏流现象时，可在设备入口设置节流阀，通过调节阀门开度使两支管内流量达到一致。

3 总结

本课题通过数值模拟的方式，分析了某海上平台两台并联的三相分离器前管路偏流问题产生的原因，基于因平台安装空间限制无法进行对称配管这一现实因素，从汇管管径、支管管径及支管节流程度三个方面开展研究，提出了管路改造措施。得到的主要结论如下：

（1）海上平台集输系统中偏流问题普遍存在，并联设备前管路不对称布置、汇管及支管管径及管路节流程度等因素都会对管路偏流程度产生影响。

（2）随着汇管管径的不断增大，管路偏流程度逐渐降低；随着支管管径的不断增大，管路偏流程度逐渐增强。因此在设计过程中需要尽量增大汇管直径，减小支管管径。

（3）可在流量较大的支管上安装节流阀，通过调节节流阀开度改善管路的偏流现象。

参考文献

[1]米祥冉, 何利民, 罗小明,等. 段塞流从单管流入并联分离器的分流实验研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020.

[2]陈海宏, 李清平, 姚海元. 分流型管汇偏流现象的数值模拟研究[J]. 油气田地面工程, 2019, 38(8):7.

[3]陈玉新. 并联容器入口偏流问题探讨[J]. 化学工程与装备, 2020.