5XZ-3.0型重力式清選機下體設計【說明書+CAD】,說明書+CAD,5XZ-3.0型重力式清選機下體設計【說明書+CAD】,xz,重力,式清選機,下體,設計,說明書,仿單,cad 石油生產(chǎn)設備中三相重力分離器的建模與控制 Atalla F. Sayda ,James H. Taylor著，莊鑫譯 摘要：石油生產(chǎn)設備內(nèi)部有著劇烈的動態(tài)變化。而研究這些設備的動態(tài)變化模型是為了更好地解決這些設備的設計，控制和優(yōu)化問題。本文的重點在于研究三相分離器每一個分離階段的動力學模型。液-液分離設備的流體力學模型基于美國石油學會的設計標準。鑒于一些簡化假設，油氣分離階段的動態(tài)行為建模最好假設此時油面處于氣液相平衡的狀態(tài)。而石油生產(chǎn)設備是基于該模型模擬的結果進行設計并實現(xiàn)的。仿真模型由一個三相分離設備與一個兩相分離設備構成。通過改變在輸入流中油的成分來分析其在不同過程變量的影響下產(chǎn)生油的質(zhì)量。最終仿真結果表明，模型的復雜性與它本身設計是否簡單無關。 1、 引言 石油生產(chǎn)設施的主要功能是將油井流分為三部分或稱為“相”（油，氣，水），并轉(zhuǎn)化這些相到一些產(chǎn)品或其他環(huán)境中可以利用的形式。這機械裝置被稱為“分離器”，氣是從液相分離的，“自由水”是從油相中分離。這些步驟將通過去除足量的輕質(zhì)碳氫化合物來生產(chǎn)出達到銷售標準的石油。如果氣相單獨從總液流分離出來則稱之為“兩相分離器”，而那些分離液相中包含原油和水的成分的則稱為“三相分離器”。分離出的氣體經(jīng)過壓縮處理的步驟制成成品后再進行銷售。所以這些設施的建模要經(jīng)過控制器設計、過程優(yōu)化、故障檢測等步驟，這些和動態(tài)模擬都是非常重要的。在本文中，我們專注于三相重力分離器在上游石油行業(yè)中的主要運用，以及對成品油質(zhì)量的影響。 三相分離器包含有豐富和復雜的動力學知識，它跨越了流體力學，熱力學和守恒定律。同時也有非常多的建模技術被用于三相分離器模型的建立。至于該類分離器在熱力學方面的建模要點已經(jīng)在別的文獻中有很多提及。相平衡的建模方法已使用了50年，這種方法也為閃蒸罐和蒸餾塔這樣的設備的建立提供了令人滿意的答案。這種模式的基本方程是物料平衡和平衡關系組成的總和方程與焓方程。非平衡模型已經(jīng)發(fā)展到描述真實的物理分離過程；而其他的建模方法如計算模型，配置模型和氣泡停留時間模型也被相當關注。 歷史上，在分離器用來描述聚結和解決油水分散油滴所使用的水動力部分已使用復雜的數(shù)學函數(shù)模型。這樣的模型需要考慮分離器的尺寸，流速，流體物理性質(zhì)，流體的質(zhì)量和液滴尺寸分布。這些模型的輸出結果是輸出成品油的質(zhì)量。另一方面，在低雷諾茲數(shù)下油滴聚結的分散體模型，已發(fā)展到分離的混合相與融合油滴的程度。一個對三相分離器計算流體動力學（CFD）模型的開發(fā)，基于時間平均的三相納維葉－斯托克斯方程；考慮了分離器入口/出口和內(nèi)部環(huán)境的增強部分的非理想流動?！奥窂竭x擇模型的方法”是利用在三相分離器油相和水相的停留時間分布（RTD）的，開發(fā)給水動力學應用里的定量描述和水相混合。隨著美國石油學會（API）重力分離器設計標準的普及，設計游離水脫除容器會有更好的容量和性能。事實說明API的設計標準，可以通過實際的RTD實驗對非理想流動的模擬來證明。本文擴展了API靜態(tài)設計標準中三相分離器的流體動力學模型里其中一個簡單的建模方法的結果。此外，還會通過對分離器的熱力學分析進行一個簡單的相平衡模型的開發(fā)。我們將在第二部分講訴重力三相分離器的操作。三相分離器每個相的動態(tài)模擬在第三部分，他可以用來估計穩(wěn)定狀態(tài)的流量，或研究其他分離過程中的操作條件。石油生產(chǎn)設施的仿真模型的設計、實驗和測試，分離器在正常操作期間行為的驗證和展示在第四部分。最后，仿真結果的討論和總結在第5部分。 2、 三相重力分離過程說明 三相分離器被設計用作從混合原油中分離并去除游離水。流體進入分離器的水平隔板，并擊中其中的入口分流器。這突如其來的勢頭在最初分離總混合物時發(fā)生。在大多數(shù)設計中，進氣口分流器中包含一個低于油/水界面引導液體流動的降液管。這將迫使含有油和水的進口混合物的混合水連續(xù)相在容器底部，并上升到油/水界面。這個過程被稱為“水洗”，它促進了水滴的聚結。入口分流確保一點進行氣體與液體，并確保沒有注入液體上方的氣/油或油/水接口，該接口將保留在容器中的液體混合難以控制的油/水界面。 一些氣體流過的入口分流器，然后通過重力沉降的手段到水平液體以上。作為氣體流通過這部分，小滴氣體中夾帶的液體，而不是分離的入口分流分離出來，通過重力下降到氣 - 液界面。一些小滴有著非常小的直徑，它們不容易在重力作用下在沉降段被分離。之前的氣體離開容器，它通過聚結部分，或薄霧提取凝聚并去除它們，在氣體之前離開容器。 3、 三相重力分離器數(shù)學建模 當碳氫化合物流體流進入一個三相分離器，會有兩個鮮明的現(xiàn)象發(fā)生。第一 現(xiàn)象是流體動態(tài)的，其特點是夾帶著油和水的微滴的重力分離，在水相和油相分別的重力分離流中夾帶的氣泡，并使重力分離的液滴分散在氣相中。第二個現(xiàn)象是熱力學的。在某種意義上說，一些輕質(zhì)碳氫混合物和氣體溶液分離出來的油相，由于在分離器中的壓力降達到一個平衡狀態(tài)。由于這種現(xiàn)象的復雜性，我們要通過流體力學和熱力學知識從油相中分離油中夾帶的水性相液滴、分離的氣體和碳氫化合物。水洗過程將具有非常大的幫助，即最大限度地減少了在油相中夾帶的水。此外，前述重力分離過程也應該最大限度地減少主流中夾帶的氣體量。 在簡化的分離過程中，油井流體與摩爾流量天然氣，石油，和水的摩爾分數(shù)，，分別進入分離器。烴組分的流體分離成兩部分；第一分流因重力分離進入油相，而第二個流由于不完全分離保持在水相中。從水相中排放的液體是由傾銷水流加和未分離碳氫化合物流的組合。在分離出的烴類流中的氣體組分，進油相分離成兩部分，第一部分氣流由于壓力下降分離出油相隔板；第二部分氣體流保持溶解在油相中。從分離器的排出的油的流體流含有分離出包含油成分的烴類和溶解的氣體成分。從分離器流出的分離氣體，將被用于進一步的處理。 為了簡化建模的過程我們將在后面的章節(jié)中模擬分離器模型各相的動態(tài)。此外，還要作出一些簡化方案的假設。各個階段在分離過程中被認為是等溫在100分離的。我們還假定，特別是在水相中液相流模式是外掛流動的。此外，油在水相中的微滴具有均勻的大小分布直徑約為500微米。油液滴的上升速度也被假定為服從斯托克斯定律。熱力學現(xiàn)象在模擬平衡態(tài)的假設下，拉烏爾定律是有效的。我們假設只有一個輕烴氣流被從油相分理出到氣相中，即甲烷。甲烷蒸汽也可認為是一種理想的氣體。最后，還有一個液 - 氣平衡在油面和液 - 液平衡的水 - 油交界面。 A. 水相 為了模擬分離器中的水相，我們將按照API標準進行靜態(tài)設計，并按照通常的標準簡化假設。API規(guī)范允許碳氫化合物水滴（如石油和溶解光氣）從分離器底部的設計直徑大于保水性期間內(nèi)表面。位于氣缸底部的烴液滴有穿越油-水的交界面的最大距離。因此，油分離流體力學建模是基于確保去除所有其他具有相同或更大直徑的液滴。鑒于這樣的簡化假設，穿越碳氫化合物液的滴會在其路徑上的油 - 水界面進行的垂直斯托克斯定律，上升的速度分量受插頭水平速度分量水相的流動模式的影響。垂直速度分量從斯托克斯定律估計方程（1）可知： 與是液滴和水在烴中的比重，是液滴的直徑單位是微米，是CP在100時水中的粘度在。水平速度分量估計從水相保留為，其中是分離器的長度和保留時間為水相;是水相的體積，是水的流出量。水平面是油水交界面，它是由公式（2）得出的： 其中是水相的橫截面的面積，是分離器的半徑，是定義的角圓弧段與橫截面面積的夾角。最長的液滴在油 - 水界面的路徑形成的角可以從方程（3）來估計： 在水相中的設計參數(shù)將會使其標稱值低于三相分離器在正常工作階段的值，即圖三所示。然而，我們的模型也必須是有效的象征式值。在較高的流量值時這是復雜的，因為不再能實現(xiàn)完全分離。讓我們假設，增加了水的流出由于流入相應增加的值。這將導致增加到的最長的路徑將是穿越碳氫化合物角度的變化液滴從到。圖4示出的概念，在幾乎完全延伸的罐體上，將會在實現(xiàn)完全分離，盡管這是虛構的。假設設計參數(shù)保持不變，如在圖4中示出，則可知： 我們必須做一個更加簡化的假設，來估計未分離的碳氫化合物的體積分數(shù)ε。圖5中所示，我們假設未分離的油滴在水相中可以形成一個“尾巴”的延伸到虛擬隔板延伸，還示出在圖5中的虛線，進行湍流流動和出液水。當然對此準確性的假設應取決于幾何形狀的水和油的銷貨罐和結構。 根據(jù)這一假設，在底部的圖中的區(qū)域S3代表未分離碳氫化合物流體的體積。從圖5可以看出，區(qū)域是烴流體體積之間的差異在虛擬的分離器（區(qū)域所代表的體積），和在實際的分離器中烴類流體的量（區(qū)域所代表的體積）。體積可以用圓柱部分的體積之間的差異計算所定義的參數(shù)，和圓柱形楔子參數(shù)，如等式（5）： 此外，再次參照圖5，體積的體積可估計為圓筒段之間的差異，并可設計圓筒段參數(shù)，和圓柱形楔子參數(shù)，如方程（6）： 虛擬的油 - 水界面和角度可由方程（7）定義的： 因此，我們可以估算出未分離碳氫化合物流體體積分數(shù)，公式（8）： 估計未分離的烴類流體體積分數(shù)，我們可以計算出分離與未分離的烴類流體的體積流量體積，。最后，在我們轉(zhuǎn)換后的摩爾體積流量流向后，可以通過使用方程（9）編寫動態(tài)物料平衡水相： 表示烴，水和傳入混合物分子量；是烴類，水和傳入的混合物比重；表示水相的體積；表示流出水的體積。 B. 油相 為了模擬在熱力學現(xiàn)象下的油相，我們不能使用最直接的方法去估計被分離出的氣體量。既然我們假定理想的相位平衡狀態(tài)是有效的，那就應該應用拉烏爾定律，這樣我們就可以知道會有多少甲烷被留在油相中的帶走。拉烏爾定律相關的蒸氣壓力由組合物溶液的成分決定。這就可以列出等式：。其中的i是組分在氣相中的摩爾分數(shù)，是i在液體組分的摩爾分數(shù)，為氣相的總壓力，是組分i的蒸氣壓力。 由于產(chǎn)物只有一個輕烴（即甲烷），這意味著甲烷的摩爾分數(shù)在汽相中是，和帶走在液相中的甲烷的摩爾分數(shù)為。鑒于由組合物分離出的碳氫化合物流，我們可以估算甲烷和在油相中溶解的甲烷。也可估計出排出的油流及其均分子量和其比重。完整的動態(tài)模型油相通過考慮方程（10），然后可以制定的服從的物料平衡： 是液體在油相中的摩爾數(shù)；是油排出流中的摩爾油成分；是油和氣體的分子量；是氣體和油的比重。 C. 氣相 在理想氣體定律的假設下，分離器的氣相建模物料平衡。我們可以應用理想氣體定律來判斷的氣體壓力，方程（11）所描述的： 指的是氣體中的氣體摩爾數(shù)；是從分離器中流出的氣體相的摩爾數(shù)；分別指油相體積，氣相體積以及分離器容積；是通用氣體常數(shù)，是分離器溫度的絕對值。 4、 分離器模型驗證 在獲得三相重力分離器的動態(tài)模型后，我們設計一個模擬模型來模擬石油生產(chǎn)設施，用來驗證模型在以下幾種情形下的行為。仿真模型基本上由三個過程組成，如圖6中所描繪的。第一個是一個兩相分離器中的碳氫化合物從油井的流體分離成兩相（氣油+水）并盡可能去除更多的輕烴氣體。分離器是15英尺長，并且一個直徑為5英尺。兩相分離模型是根據(jù)三相分離器的油相和氣相模型的基礎上制定的。也就是說，我們要運用熱力學原理來模擬氣體從水相中分離的場景。該液體隨后抽運到三相分離器（即第二個進程），進行水與固體從油相中分離的操作。這樣生產(chǎn)出來的石油，隨后抽出并處理成符合煉油廠和石化廠需求的規(guī)格并出售。三相分離器的長度為8.6英尺，直徑4.8英尺。輕型和中型氣體從分離過程被送到一個氣體洗滌器中，將烴和其他液體殘余從氣體中分離出來并送回氣體洗滌器作進一步處理。然后，生成的氣體（即第三個過程）抽出并向外進行銷售。為了簡單，第三種方法不包括在仿真模型中。 仿真模型中的兩個分離過程需要控制使影響最小化，以保持在其額定工作點的值和避免干擾生產(chǎn)的油品質(zhì)量。在圖6中所示，第一分離過程控制著兩個PI控制器循環(huán)。在第一個循環(huán)中，液體通過操作電平使液體流出閥保持不變。第二環(huán)路控制兩相分離器的氣體放電管來操縱壓力。PI控制器的接口通過操縱排水閥保持在油/水界面的水平高度，而油位是受第二PI控制器操縱排油閥的。第三PI控制器使容器內(nèi)壓力保持恒定。 5、 仿真結果 在液體的兩相分離過程操作的體積為146立方英尺和工作壓力為625PSI。與此相反，三相分離器工作時水相體積為77.5立方英尺，油相體積為46.5立方英尺，工作壓力為200 PSI。兩個分離過程的工作溫度均為100℉。該設施以25.23摩爾/秒的速度處理碳氫化合物流通過1900 PSI壓力下的井。輸入的氣體流為22:61%摩爾分數(shù)的氣體，7:79%的油，69:6%的水。為了演示分離器的動態(tài)行為，其含油量以2mol/s的速度增加，并在時刻t1 =150s和t2= 250s之間呈線性增加的。圖7描繪這種輸入流其摩爾組成凡人變化；引油摩爾分數(shù)的增加而減少的水和氣體的摩爾分數(shù)。 油性成分的增加有著巨大的傾角，因輸入流引起的液體體積與氣體壓力在兩相分離的峰值分別為167立方英尺和630 PSI，如圖8所示。因兩個PI控制回路的干預，來糾正這種操作在兩相分離點因錯誤操作引起的液體和氣體流出。這個工作點干擾了約300秒到分離器控制系統(tǒng)完全拒絕。圖8還顯示了分離器兩相之間的動態(tài)差異。液相的動態(tài)變化相較于氣相的動態(tài)變化慢，即液體體積比氣體壓力的變化速度慢。有趣的是，要注意液體流出的摩爾數(shù)是以2摩爾/秒增加的，這是因為輸入流施加了相同的變化。這反映出在質(zhì)量方面產(chǎn)生的液體 比重增加從31:7°API到35:3 °API。質(zhì)量的變化可以通過繪制產(chǎn)生的液體摩爾組成來表現(xiàn)，如圖9所示。所生成的液體油的摩爾分數(shù)增加，而溶解與水的氣體的摩爾分數(shù)下降。 雖然輸入流被拒絕并在兩相分離器中被校正，單由此產(chǎn)生的生產(chǎn)液體的數(shù)量和質(zhì)量會影響在三相分離器中的下一個流程。如圖10中所示，分離過程變量并沒有受到太多的影響，是因為收到了3個PI控制回路的校正。鑒于三個階段的動態(tài)之間的差異（即兩個液相的氣相動態(tài)差異），會在約300秒時被完全阻斷。然而，應該注意的還有兩個主要事件；第一個事件是排放廢水中的油摩爾分數(shù)略有增加。這可以歸因于在重力作用下的分離器的效率低下，這意味著，一些油不能被分離并隨著水相被排出。我們可以通過繪制體積組分的變動的曲線來驗證這一點水（“第一階段”），如圖11中的頂部塊所示。傾斜幅度大的水體積組分表明，一定量未被分離的油已丟失。 雖然每次油的體積損失輕微（1.6％左右），這在目前的價格每年會造成一個約為50萬元的重大經(jīng)濟損失。另一方面，在分離器彌補輸入流體增加所產(chǎn)生的油流出，如圖10所示。第二個有趣的事件是因輸入流體質(zhì)量的改變而減少的氣體量（即氣體流出）。這可以驗證通過繪制所產(chǎn)生組合物中油的摩爾分數(shù)，的如圖11底部所示。而油在成品油中的摩爾分數(shù)增加，溶解其中的氣體摩爾分數(shù)下降。這種模擬研究表明三相分離器模型的復雜程度與它是否簡單無關。不僅分離過程變量的模型會因數(shù)量而發(fā)生動態(tài)變化，而且所產(chǎn)生油和水的質(zhì)量也會受其影響。 6、 結論 動態(tài)數(shù)學模型的開發(fā)是基于石油生產(chǎn)設施的。本研究的重點是三相分離器在各相的動態(tài)模型建模。液 - 液分離的流體動力學是基于API設計標準為藍本的，除了根據(jù)被擴展到過程的動態(tài)還有他的靜態(tài)屬性。油相和氣相的動態(tài)變化是在汽液相熱力學建模下假設該油面達到平衡產(chǎn)生的。 石油生產(chǎn)設施的仿真是基于模型的設計，為了測試和驗證開發(fā)的數(shù)學模型。仿真模型，包括兩相分離器器，都是由三相模型拓展的。分離過程的控制是由PI控制器控制其循環(huán)，來維持操作點在其標稱值內(nèi)。輸入油井中的石油分量流被引入到其不同的過程變量和生產(chǎn)油品質(zhì)量影響分析中。仿真結果證明了模型的復雜程度與它的是否簡單無關。此外，本研究證明了對石油和天然氣的生產(chǎn)設施的建模和控制是非常具有挑戰(zhàn)性的任務，為了制作更高保真度的模型還有許多工作要做。